基于季节性Kendall检验法的碧流河上中游水质预测研究

于秀英

(凌源市兴源街道水利站,辽宁 凌源 22500)

1 研究区概况

碧流河是辽东半岛的主要河流之一，发源于辽宁省大连市盖州市万福镇庙沟新开岭，海拔高度1047 m。碧流河在蛤蚂什岭附近进入大连市庄河市，并在阳街道尖山村河口注入黄海。碧流河干流全长156 km，多年平均径流量8.6亿m3，是大连市的主要地表水来源河流[1]。碧流河万福镇以上河段为上游，万福镇至碧流河水库段为中游，碧流河水库以下为下游。碧流河流域属于典型的中温带湿润气候，四季分明，多年平均气温10.6 ℃，多年平均降雨量739.4 mm。流域内主要土地类型为林地和耕地，分别占全部流域面积的75%和19%，其余为居民用地、水域等土地利用类型。流域内有小石硼、孟家店等9个气象站以及矿洞沟、茧场、玉石水库、碧流河四个水文站。

随着大连市城市发展速度的加快，为了解决城市供水问题，1985年8月在碧流河干流上修建了碧流河水库，并先后在其上中游的干流和支流上修建了玉石水库、红旗水库等两座中型水库和7座小型水库。其中，碧流河水库位于大连市与营口市交界处的碧流河干流上，距大连市区175 km，集水面积2085 km2，最大库容9.34亿m3[2]。水库建成之后一直是大连市的主要供水水源地，自建成投入运行以来，已经累计向大连市供水25亿m3[3]。随着辽东半岛地区经济社会的迅速发展，大连市水资源短缺问题日渐突出，而碧流河流域的污染情况也不容忽视。在这一背景下，为了保证碧流河水库向大连市提供优质、稳定的水资源，加强对碧流河上中游的水质的监测和预测工作就显得十分重要。

2 季节性Kendall检验法基本原理与计算流程

季节性Kendall检验法是水质评价和预测研究领域的重要方法，其主要优势在于能够对研究断面监测资料的非正态分布特征的发展趋势进行分析，以实现对研究断面未来水质特征的发展和变化趋势进行准确掌握[4]。根据碧流河中上游污染现状和污染物的主要特点，研究中选择DO、CODmn、BOD5、NH3-N、TN和TP以及F-七种主要污染物作为水质状况的分析参数，根据2014—2018年5 a的水质实际监测数据对研究断面未来水质变化特征进行分析。

在季节性Kendall检验法中，零假设作为随机变量出现，并且具有时间层面的独立性，假定研究断面在一年的 12个月中水质检测数据具有大致相同的概率分布[5]，即可构建出n年p月水质实测数据矩阵如式(1)所示：

(1)

式中：x11，…xnp为各年各月份污染物指标浓度监测值，mg/L。

(1)对前p个月中第i个月情况的分析

设第i月内的水质序列中有ni个数值没有被漏测，然后将所有月份的实测数据进行比较，并用xji-xki表示实测数据之间的差值。按照差值的符号特征进行统计，如果有Pi个正差值和Qi个负差值，并设Si=Pi-Qi在零假设具有正态分布特征，那么其均值如式(2)所示，方差如式(3)所示，第i月内可以作比较的差值数据组个数mi表达如式(4)所示。

E(Si)=0

(2)

(3)

(4)

(2)对前p个月的整体情况分析

前p个月参数如式(5)～式(7)所示：

(5)

(6)

(7)

如果n≥10,S也满足正态分布特征，则标准方差Z如式(8)所示：

(8)

(3)趋势检验

(9)

趋势检验显著水平α的表达式为：

(10)

根据季节性Kendall检验法的理论研究成果和实践经验[6]，趋势检验的显著性水平α的临界值为0.1和0.01。具体而言，当α≤0.01时，Kendall检验结果为高度显著性；当0.01≤α≤0.1时，Kendall检验结果为显著性。当t>0时，Kendall检验结果的显著性呈上升趋势；当t<0时，Kendall检验结果的显著性呈下降趋势；当t=0时，Kendall检验结果显著性无明显变化。

3 检验结果及分析

研究中选取矿洞沟、茧场、玉石水库、碧流河四个监测断面2014—2018年的水质监测数据，对碧流河上中游河段未来的水质变化趋势进行检验分析，将上述监测数据输入软件，得到表1～表4的检验结果。

表1 矿洞沟断面水质趋势分析结果

表2 茧场断面水质趋势分析结果

表3 玉石水库断面水质趋势分析结果

表4 碧流河断面水质趋势分析结果

从表1-表4所列的碧流河中上游四个断面的评价结果可以获得如下结论：从总氮指标来看，碧流河中上游的污染最为严重的是总氮指标，全部四个计算断面均已经超过国家地表水质量标准中的V 类标准，在茧场和玉石水库断面该指标没有明显的升降变化趋势，而其余两个断面呈现出显著的下降趋势。究其原因，主要是上游地区大力推广绿色生态农业以及农民环保意识不断增强，碧流河水库由于受到大伙房水库供水工程来水量不断增大的影响，水库水质明显好转，特别是总氮指标下降比较显著。从溶解氧指标来看，玉石水库断面呈显著上升趋势，这与当地居民活动有一定关系，茧场断面无明显变化，其余两个断面呈显著下降趋势。高锰酸钾、五日生化需氧量以及总磷指标的各个断面浓度指数变化波动不大，大部分断面呈无明显变化趋势。氨氮和氟化物指标在茧场断面呈显著下降趋势，其余断面无明显变化，究其原因主要与河流汇流后流量增大，污染物遭到一定程度稀释有关。总体而言，碧流河上中游水体除了总氮指标超标比较严重之外，其余指标值均符合Ⅰ类至Ⅲ类水质标准，水体水质情况总体稳定，可以满足向大连市供水的基本要求。

4 结 语

本次研究中调查了碧流河上中游地区的自然与社会情况，利用季节性Kendall检验法对四个典型断面的水质情况进行综合评价。结果显示，碧流河上中游水体除了总氮指标超标比较严重之外，其余指标值均符合Ⅰ类至Ⅲ类水质标准，水体水质情况总体稳定，可以满足向大连市供水的基本要求。但是，鉴于提高碧流河水库供水水质以及研究区生态环境建设的需求，碧流河上中游盖州市和庄河市等各级政府应该进一步加大环境保护力度，特别是不断推进绿色农业推广力度，加大对流域内高污染工矿业的监管，提高广大居民的环保意识，不断降低污染物排放量，为从源头提升碧流河上中游的水质提供保障。