汾河河津段主要污染物时间序列分析

郭新亚，张兴奇

南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023

汾河河津段主要污染物时间序列分析

郭新亚，张兴奇

南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023

基于Mann-Kendall趋势检验法和小波分析法，研究了汾河河津段2004—2013年高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量时间序列的变化趋势和突变特性。结果表明：高锰酸盐指数和氨氮含量有显著下降趋势，溶解氧含量有显著上升趋势。高锰酸盐指数和氨氮含量在1、2月较大，8、9月较小；溶解氧含量在1、2月较大，6、7月较小。高锰酸盐指数含量在2004—2009年差异较大；氨氮含量在2004—2013年差异均较大；溶解氧含量在2010—2013年差异较大。

高锰酸盐指数；氨氮；溶解氧；小波分析

随着城市化、工业化的发展，越来越多的“三废”排入河流，使得河流污染愈发严重。通过河流监测系统可获取河流水质数据，用于防治和控制河流污染[1]。通过分析河流监测长期数据，研究其时空分布特征，可为流域水环境管理者提供动态信息[2]。

国内分析水质时间序列的方法主要利用统计学和数学模型，如王菊翠等[3]用统计方法分析了陕西段泾河水质时空分布特征；孙国红等[4]基于Box-Jenkins方法分析了黄河水质时间序列并进行了预测；李冬等[5]基于时间序列分析了黄水库水质渐变性特点。小波分析在水文学中的应用主要集中在降水、径流等的时间序列变化特性及预测预报分析上，用于分析河流污染物含量时间序列变化趋势及突变特性的较少，张微微等[6]利用小波分析研究了密云水库上游白河磷浓度的周期变化特征。本文基于Mann-Kendall趋势检验法和小波分析法，研究了汾河河津段高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量时间序列的变化趋势和突变特性，以期为分析汾河水环境的变化趋势提供一定的参考，并对小波分析在河流污染物时间序列分析中的应用提供一定的借鉴作用。

1 实验部分

1.1 研究区概况

汾河是山西省境内最大的河流，黄河的第二大支流，全长713 km，流域面积39 721 km2。汾河发源于忻州市宁武县管涔山，由北向南纵贯山西省境内，在万荣县荣河镇庙前村汇入黄河，如图1所示。汾河运城段全长145.2 km，是运城市最大河流，河津大桥站是汾河在运城市的一个国控断面[7]，入黄河前的水沙控制站。

1.2 数据资料

本文数据来源于环境保护部数据中心所提供的全国主要流域重点断面水质自动监测周报，选取山西运城河津大桥站点2004—2013年每周的高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量数据，除去断流及未测到的，高锰酸盐指数数据累计443周，氨氮数据累计446周，溶解氧数据累计368周。

1.3 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验法，因变量可以不具有正态分布特征，适用于检验水文变量的趋势。假设有一长度为n的时间序列X1，X2，X3，…，Xn，定义统计量S：

当Xi-Xj分别大于、等于、小于0时，sign(Xi-Xj)分别为1、0、-1；当n>10时，定义统计量Z：

Z值的正负性表征变化趋势的上升与下降，Z的绝对值大小表征趋势变化的水平，当显著性水平通过了置信度为90%、95%、99%的检验时对应的Z值分别为1.28、1.64、2.32[8]。

1.4 小波分析

小波分析是在傅里叶变换基础上引入窗口函数，且时间窗和频率窗可改变的一种时频局域分析法，具有时频多分辨功能。小波分析的基本方法是小波变换，包括连续小波变换和离散小波变换，连续小波变换一般需离散化。离散小波变换是逐层对信号进行分解，首先分解长度为M的数据序列，得到长度为M/2的低频部分A1和高频部分D1；然后对A1进行分解，得到长度为M/4的低频部分A2和高频部分D2；一直分解下去，直到一个数目较小的低频部分被保留下来[9-10]。本文选用具有良好时频分析性能的Daubechies小波，Daubechies系中的小波基记为dbN，N为序号，且N=1，2，…，10。

2 结果与讨论

2.1 污染物含量时间序列趋势分析

近10年汾河河津段高锰酸盐指数、氨氮和溶解氧含量变化趋势如图2所示。

从图2可见，高锰酸盐指数最大值出现在2005年第14周(3月28日至4月3日)，为320 mg/L，最小值出现在2013年第29周(7月15日至7月21日)，为3.7 mg/L，含量有下降趋势，7 d线性下降幅度为0.301 mg/L；氨氮含量最大值出现在2011年第8周(2月14日至2月20日)，为60.7 mg/L，最小值出现在2013年第34周(8月19日至8月25日)，为0.2 mg/L，含量有下降趋势，7 d线性下降幅度为0.018 mg/L；溶解氧含量最大值出现在2013年第52周(2月23日至2月29日)，为12.5 mg/L，最小值为0.01 mg/L，集中出现在2004、2008、2009年，含量有上升趋势，7 d线性上升幅度为0.015 mg/L。

采用Mann-Kendall趋势检验法得到高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧的Z值分别为-18.44、-7.04、13.51，三者均达到显著水平，表明近10 年汾河河津段中高锰酸盐指数和氨氮含量呈显著下降趋势，溶解氧含量呈显著上升趋势。

虽然高锰酸盐指数和氨氮含量有一定幅度的下降，溶解氧含量有一定幅度的上升，水质得到了一定的改善，但汾河河津段仍属于重度污染，其中高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量达到Ⅴ类标准的只占6.5%、3.8%、36.7%，且集中分布在2012、2013年，其余的都属于劣Ⅴ类。河津位于汾河下游，经过中上游的过量开采和超标排放污水，导致汾河进入河津已属于严重污染[11]，且河津大力发展重工业，忽视环境容量，河流已成为生活污水的排放区，使得汾河河津段的污染进一步加重。2012—2013年高锰酸盐指数均值较2004—2011年均值下降62.4 mg/L，达到Ⅳ、Ⅴ类标准的次数增多，说明对生活废水和工业废水的治理有一定的成效。2012—2013年氨氮含量达到Ⅱ、Ⅴ类的次数增多，但平均仍为Ⅴ类标准的5.1倍，应从点源和面源控制化肥等的使用。2012—2013年溶解氧含量达到Ⅲ类的增加6.3%，溶解氧可反映水体的自净能力，保持水体自净不仅需要控制污染物总量，还需要保持一定的流量。面对严峻的污染形势，已取得的治污成果要进一步巩固，同时应采取其他治污措施，加强治污效果。

小波分析中，对2004—2013年汾河河津段污染物含量的时间序列来说，低频部分代表着近10年汾河河津段主要污染物的变化规律，随着分解尺度的增加，高频部分信息越来越少，低频部分代表污染物含量时间序列的变化规律更加明显。因此，选择小波分解和重构后低频系数最高层可反映污染物含量时间序列的变化规律。

采用Daubechies小波，通过实验确定小波序号N及分解次数，以期能更好地反映污染物含量时间序列的变化规律。利用db6小波对2004—2013年高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量时间序列进行4次小波分解，再使用第四层的低频系数重构来确定高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量的变化规律，如图3所示。

图3 高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量时间序列变化规律

高锰酸盐指数含量除在2006、2010、2011、2013年变幅较小外，其余年份变幅较大，年内最大值与最小值平均相差134.78 mg/L。高锰酸盐指数除2006、2012年外，每年均有先减小后增大的趋势，1、2月较大(均值为72.90 mg/L)，8、9月较小(均值为58.10 mg/L)。2006、2012年高锰酸盐指数有先增大后减少的趋势，6、7月含量较大。

氨氮含量变化趋势除2006、2012年与高锰酸盐指数变化趋势不同外，其余年份较一致，1、2月含量较大(均值为22.98 mg/L)，8、9月含量较小(均值为10.67 mg/L)。2004—2009年氨氮含量最大、最小值变化无一定规律，2010—2013年氨氮含量最大值逐年减小。

溶解氧含量在2004—2009年较小，6年均值为0.76 mg/L，在2010—2013年较大，4年均值为3.59 mg/L。溶解氧含量在1、2月较大(均值为2.90 mg/L)，6、7月较小(均值为1.08 mg/L)。

汾河流域属大陆性季风气候，降雨主要集中在7—9月，枯水期河流水量减小、流速减慢、水环境容量下降，所以高锰酸盐指数和氨氮含量在枯水期1、2月较大，丰水期8、9月较小。2006、2012年高锰酸盐指数含量在6、7月较大，说明这段时间内人类活动对河流水质影响大。溶解氧量与水温有关，水温高时溶入的氧量降低，水温低时溶入的氧量增多，所以溶解氧含量在水温低的1、2月较大，水温高的6、7月较小。

2.2 污染物含量时间序列突变特性分析

污染物含量时间序列中的突变部分能反映污染比较严重的情况，因此分析时间序列的突变部分具有重要的意义。小波分析中，对2004—2013年汾河污染物含量的时间序列来说，高频部分可以反映污染物含量时间序列的突变部分。本文选用Daubechies小波，其中db1小波具有很好的正则性，即小波很有规律，可用于检测污染物含量时间序列的突变特性。小波分解层数越多，包含的高频部分越少，一般情况下，第一层和第二层的高频系数中包含高频成分，可清楚地反映出污染物含量时间序列的突变特性。

利用db1小波对2004—2013年高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量时间序列进行2次小波分解，再使用第一层和第二层的高频系数重构来确定高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧含量的突变特性，如图4～图6所示。

图4 高锰酸盐指数含量时间序列突变特性图

图5 氨氮含量时间序列突变特性图

图6 溶解氧含量时间序列突变特性图

高锰酸盐指数突变位置与数值较大时的位置相同，说明高锰酸盐指数增大一般是突变的。高锰酸盐指数在2004—2009年差异较大，2010—2013年差异较小。从第一层和第二层系数中可看出有2个明显突变，分别为2005年第14周(3月28日至4月3日)和2009年第14周(3月30日至4月5日)，高锰酸盐指数分别为320 mg/L和241 mg/L，分别超过Ⅴ类标准的21、16倍，是近10年所有高锰酸盐指数中最高的2次，均属严重污染。

氨氮含量近10年来每年差异均较大，从第二层系数中可看出有一个明显突变，位于2011年第8周(2月14日至2月20日)，质量浓度为60.7 mg/L，超过Ⅴ类标准的30倍。

溶解氧含量在2004—2009年差异较小，在2010—2013年差异较大。从第一层和第二层系数中可看出有4个突变点，分别为2009年第24周(6月8—14日)、2011年第7周(2月7—13日)、2013年第7周(2月11—17日)和2013年第32周(8月5—11日)，溶解氧分别为4.67、9.01、9.56、9.53 mg/L，分别为V类标准的2.3、4.5、4.78、4.77倍。

通过观察小波分解的高频部分，可了解污染物的突变特性，这些突变部分的污染一般均较严重，与突变点左右部分的水质相比，由于自然条件一般相差不大，说明这部分水质的变化受人类的影响较大。

3 结论

1)汾河河津段中高锰酸盐指数和氨氮含量在2004—2013年有显著下降趋势，溶解氧含量在2004—2013年有显著上升趋势。虽然水质得到了一定的改善，但汾河河津段仍属于重度污染。

2)高锰酸盐指数和氨氮含量在1、2月较大，8、9月较小。溶解氧含量在1、2月较大，6、7月较小。2006、2012年高锰酸盐指数在6、7月较大，说明这段时间内人类活动对河流水质影响较大。

3)高锰酸盐指数在2004—2009年差异较大，在2010—2013年差异较小；氨氮含量在2004—2013年差异均较大；溶解氧含量在2004—2009年差异较小，在2010—2013年差异较大。

4)小波分析法可用于研究水质时间演化规律，用于分析水质的趋势变化和突变特性。

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Time Series Analysis of Main Pollutants in Hejin Section of Fenhe River Based On Mann-Kendall Method and Wavelet Analysis

GUO Xinya, ZHANG Xingqi

School of Geographic and Oceanographic Sciences at Nanjing University, Nanjing 210023, China

The time series trends and mutation features of CODMn, NH3-N and DO in Hejin section of Fenhe River were analyzed via Mann-Kendall method and Wavelet Analysis. The results indicated that:The concentrations of CODMnand NH3-N had a significant downward trend and the concentration of DO had a significant upward trend. The concentrations of CODMnand NH3-N were large in January and February and were low in August and September; the concentration of DO was large in January and February and was low in June and July. The concentration of CODMnhad significant differences between 2004 and 2009; there were differences on the concentration of NH3-N between 2004 and 2013; the concentration of DO had significant differences between 2010 and 2013.

CODMn; NH3-N; DO; Wavelet Analysis

2015-01-05;

2015-05-24

郭新亚(1990-)，女，山西临汾人，硕士。

张兴奇

X824

A

1002-6002(2016)01- 0070- 05