基于Kendall检验法的渭河干流天水段水质变化趋势分析＊

牛傲冰，丁杰萍

（1.甘肃新美环境管理咨询有限公司，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省生态环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730020）

1 概述

渭河是黄河的一级支流，发源于甘肃省渭源县，由武山县桦林乡进入天水市，流经武山县、甘谷县和麦积区，在麦积区牛背村进入陕西省宝鸡市，天水市境内全长约267 km，流域面积11 696 km2，年平均径流量为53 727万m3，洪水期最大流量为4 920 m3/s。

Mann-Kendall检验法作为一种非参数检验方法，被广泛运用于降水、径流、气温和水质等要素时间序列的趋势变化分析[1]。季节性Kendall 检验因具有不受河水流量周期性变化、漏测值和未检出值影响的优点，已广泛运用到新兴江、湘江、滦河等水域水质的分析中[2]。该方法对数据分布规律无严格要求，受个别异常值干扰较小，且不需要做统计分析，适用于水文等非正态分布的数据，计算便捷[3]。

渭河水质状况直接影响着天水市渭河流域居民生活的幸福感，也对当地未来的发展起到重要的影响。本研究以渭河干流天水段桦林、北道桥和葡萄园3个监测断面2011—2019年水质监测数据为样本，运用季节性Kendall检验分析渭河干流水质变化趋势，为进一步推断未来水质变化情况，开展水污染的预防和治理提供参考，对渭河水环境保护和管理具有重要意义。

2 研究方法

2.1 数据来源及指标筛选

分析所用数据均来自甘肃省国控断面水质数据。选用渭河干流天水段桦林、北道桥和葡萄园3个断面2011—2019年连续实测水质数据。除去多数月份未检出的指标，选用变化范围较大的溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、化学需氧量、总磷、总氮、五日生化需氧量（BOD5）和挥发酚等8项指标作为分析指标。水质监测断面分布示意如图1。

图1 渭河干流水质监测断面位置示意图

2.2 数据处理及方法

季节性Kendall检验的原理为将某一时段同期的水质数据进行对比，如果后期的值高于前期的值，则标记为“+”号，如果后期的值低于前期，则标记为“-”号。若加号的数量多余减号，可能为上升趋势;反之为下降趋势。如水质不存在变化趋势，则正负号个数相同。季节性Kendall 检验时将同期的数据进行对比，从而避开了季节性的影响。此外，由于数据比较只对比相对排序，故能避免水质数据缺失值的问题[2]。

本研究Mann-Kendall趋势检验，基于2011—2019年各指标的月测值，通过R语言加载“trend”包计算得到不同断面的Z值和p值。Z值小于0，表明水质呈下降趋势，相反Z值大于0，表明水质呈上升趋势；p≤0.01 或0.01＜p≤0.10 分别表明检验具有极显著或显著水平[4]。

3 结果与讨论

3.1 2011—2019年水质变化趋势

依据地表水环境质量标准[5]，从水质类别看（图2），2011—2019年，桦林断面变化幅度较大，呈先恶化后转好最后趋于稳定的状态，2012—2015年均出现超标现象，自2016年起好转至II类并保持至2019年；北道桥断面一直保持III类；葡萄园断面2016年前均为III类，2017—2019年在II类和III 类之间浮动。2011—2019年渭河干流天水段水质变化趋势分析结果见表1。

图2 2011—2019年三个监测断面水质类别变化情况

表1 2011—2019年渭河干流天水段水质变化趋势分析结果

续表1

2011—2019年，渭河干流天水段三个水质监测断面溶解氧呈显著上升趋势，除北道桥断面氨氮和挥发酚无明显变化趋势外，其余监测断面高锰酸盐指数、氨氮、化学需氧量、总磷、总氮、五日生化需氧量、挥发酚等指标均呈显著或极显著下降趋势，表明渭河干流天水段水质在2011—2019年呈明显好转趋势。

3.2 不同水期水质变化情况

根据渭河干流天水段水文资料，选取1月、7月和11月分别为枯水期、丰水期和平水期代表进行不同水期水质分析。由图3可见，渭河干流天水段水质，所有指标浓度均在枯水期最高，且除过总磷外，其余指标浓度值均呈现枯水期高于平水期高于丰水期，总磷为枯水期高于丰水期高于平水期。这说明渭河中污染物浓度受流量周期性变化的影响较大，枯水期河流自净能力较差，丰水期随着水量的增加，污染物被稀释，浓度降低。在枯水期1月份，因气温较低，溶解氧饱和度高，而丰水期7月份，因气温较高，溶解氧饱和度较低。

图3 渭河干流天水段不同水期水质特征

3.3 2011—2019年天水市主要水污染物排放量变化情况

2011—2019年，天水市主要水污染物化学需氧量和氨氮排放量变化趋势相同，且均呈降低趋势，这与水质转好的趋势保持一致（图4）。其中，化学需氧量排放量从2011年的2.23万t降到2019年的1.21万t，减少了45.74%，氨氮排放量从2011年的0.28万t降到2019年的0.19万t，减少了32.14%，由此可见，渭河流域近年开展的污染物综合治理对水体水质的好转起到重要作用[6]。

图4 2011-2019年天水市主要水污染物排放量变化趋势

“十二五”以来，天水市高度重视渭河水污染防治工作，严格控制水污染物排放大的项目建设，积极开展工业、生活、畜禽养殖水污染防治，推进污染减排各项工作，大力实施工程减排、结构减排和监管减排，建设了污水处理设施，总体上渭河水质得到持续改善。尤其《天水市水污染防治工作方案（2015—2050年）》实施以来，市政府每年印发水污染防治年度实施方案，明确了各县区、各部门工作任务。“十三五”以来，积极争取各方资金，围绕城镇污水处理设施建设、流域生态综合治理、水源地保护等生态环境保护“十大工程”，推动渭河流域水生态环境质量持续改善。

3.4 空间分布

从空间分布来看，2011—2019年水质变化最显著的为渭河上游的桦林断面，其次为下游的葡萄园断面，最后为北道桥断面。

4 存在问题及展望

尽管近10年来，渭河干流天水段水质得到持续改善，但也存在桦林、北道桥、葡萄园等断面个别月份不能稳定达标的现象，如桦林断面2019年3月总磷，北道桥断面2018年2月总磷及3月—4月、12月氨氮，葡萄园断面2018年1月、2月、4月氨氮和4月总磷及2019年1月、3月氨氮均出现超标。“十四五”开局之年，站在机遇与挑战并存的重要历史时期，渭河流域水生态环境保护工作任重而道远。“十四五”期间，水污染防治工作将由污染治理为主向流域要素系统治理转变，坚持以山水林田湖草沙系统治理，坚持精准、科学、依法治污，以水生态保护修复为核心，统筹水资源、水生态、水环境等要素，持续深入打好碧水保卫战。