黄冈河流域水质污染程度变化与趋势分析

陈泽榕

(广东省水文局汕头水文分局，广东 汕头 515041)

1 概述

当水资源受到污染时，水体本身的自净功能会逐渐降低，甚至会丧失，进一步发展会造成部分地区和城市形成“水质型”缺水局面。当前水质污染已经成为部分城市最主要的水环境问题，若不能实现以环境保护优化经济发展为核心的发展模式，会造成水域环境污染问题进一步恶化[1]。当前，流域水的污染治理已经得到了相关领域研究人员的重点关注。因此，流域水的污染治理已经从理念逐渐转变到防治阶段，但面临的污染问题仍然十分严峻[2]。黄冈河流域是广东省潮州市地表水系的重要组成成分，从上游到下游断面顺序依次为三饶、汤溪水库、黄岗。随着近几年该地区经济快速发展，各类工业建筑的建成以及工业企业的发展规模进一步扩大，使得黄冈河流域的污染问题日趋严重。因此，为了解决当前黄冈河流域水质污染问题，并根据其污染程度变化提出针对性的解决对策，本文在引入Mann-Kendall法的基础上，以黄冈河流域作为研究对象，开展对该区域水质污染程度变化与趋势的研究[3-4]。

Mann-Kendall法是一种基于统计学理论的检验方法，当前这一分析方法常被应用于对气温、降水、径流等水文气象的预测领域中，通过少量的数据信息实现对长期变化趋势的预测。同时，在实际应用中Mann-Kendall法不需要遵从一定的分布规律，并且也不会受到数据中异常数值的影响，具备预测精度高的优势。因此，选择Mann-Kendall法对黄冈河流域水质污染程度进行分析。

2 实验与方法

2.1 实验研究对象

为实现对水质污染程度变化的分析以及对其未来趋势的预测，选择将黄冈河流域作为实验研究对象。黄冈河流域位于广东省东部沿海地区，具体经纬度为：东经116°35′～117°11′，北纬23°28′～24°14′。在黄冈河流域汇聚了10余条支流，并覆盖12个镇，全程超过80 km。由于生活垃圾堆放、生活废水排放不合理等问题，造成该地区生态环境质量不佳，使黄冈河流域水质受到严重影响。黄冈河流域监测断面如图1所示。

2.2 实验材料与方法

在实验过程中，为确保获取到的各项数据具备更高精度和利用价值，针对黄冈河流域中各类物质组成成分含量进行测定，测定BOD5、氨氮、DO等多种物质在水体当中的含量，将测定结果作为Mann-Kendall法分析的数据依据[5-6]。

2.3 实验方法

2.3.1Mann-Kendall法

针对上述实验研究对象，运用Mann-Kendall法分析水质污染程度。假设实验过程中，获取的时间数据中原有时间序列数据为H0，其表达式为：

H0=(X1,X2,…,Xn)

(1)

式中:

X1、X2、Xn——均表示独立的随机变量。

定义备选数据，将双边检验假设为H1，则进一步得出Mann-Kendall法统计的变量计算公式为：

(2)

式中:

S——统计变量数值结果，且统计变量符合正态分布；

G(xj-xk)——检验变量。

G(xj-xk)的取值为-1，0，1，当S的取值为大于0时，此时G(xj-xk)取值为1；当S的取值为0时，此时G(xj-xk)取值为0；当S的取值为小于0时，此时G(xj-xk)取值为-1。标准化处理S，得到统计变量结果，假设这一结果为Z，则给定一个置信区间，当Z的取值大于0时，变量呈现上升趋势；当Z的取值小于0时，变量呈现下降趋势。当其绝对值为1.64时，则此时检验变量达到0.05的显著性水平[7]。根据上述论述，通过Mann-Kendall法实现对水质污染程度正序列、逆序列变化的直观描述，以此便于分析和预测水质污染的具体程度变化以及趋势[8]。

2.3.2水质污染程度指数法

上述方法主要完成了水质污染程度的分析，但是仅依赖分析结果无法准确评价水质污染，因此，为了实现量化评价水质污染程度，引入水质污染程度指数，按照下述流程，完成计算水质污染程度指数值[9-11]。最终得到的水质污染程度指数包含整数位以及3～4位小数，其计算公式为：

Pi=X1·X2X3X4

(3)

式中：

Pi——黄冈河流域水质污染程度指数；

X1——影响因子综合得分；

X2——影响因子数值平均值；

X3——单因子数量；

X4——评价目标数值。

根据上述公式，完成对黄冈河流域水质污染程度的量化评价[12-14]。

3 实验结果分析与讨论

3.1 水质指标浓度变化规律

3.1.1黄冈河流域水质氨氮污染程度变化规律

结合上述实验过程，运用Mann-Kendall法对黄冈河流域内上中下游断面氨氮、总磷、溶解氧、高锰酸盐指数和BOD5年均值变化进行分析，上中下游3个断面依次是三饶、汤溪水库大坝和黄岗。记录黄冈河流域三饶断面、黄岗断面、汤溪水库断面2017—2021年的氨氮含量变化，并将其变化曲线绘制成图2。

图2 2017—2021年黄冈河流域主要断面氨氮含量变化曲线示意

由图2可知，三饶断面氨氮含量呈现先上升后下降，然后基本不变的情况，黄岗断面的氨氮含量整体呈现下降情况，虽然在2021年略有上升，但是上升幅度较小，而汤溪水库断面的氨氮含量基本没有变化，波动小，稳定在0.04 mg/L左右。在3个断面中，氨氮含量在2018年和2017年最高，其中三饶断面最高，氨氮含量达到了0.69 mg/L。由此可知，氨氮含量随着时间的变化和治理整体呈现降低的趋势。

3.1.2总磷、溶解氧、高锰酸盐指数和BOD5变化规律

记录黄冈河流域三饶断面、黄岗断面、汤溪水库断面2017—2021年的总磷、溶解氧、高锰酸盐指数及BOD5含量的年均值浓度变化趋势，统计结果见表1所示。

表1 主要断面主要污染物含量变化 mg/L

由表1数据可知，3个断面中的多数主要污染物在2018年出现了较大的波动，该值与前后数据差值大。汤溪水库断面中的总磷、高锰酸盐指数和BOD5含量在5年内变化小，溶解氧浓度由2017年的8.07 mg/L降低至2021年的7.07 mg/L。总磷含量在三饶断面、黄岗断面出现了较大的波动变化，但是在两个断面的变化趋势截然相反，其在黄岗断面成下降趋势，在三饶断面成呈现上升趋势，其他主要污染物含量变化较小。根据分析可知，该地区总磷污染最为严重，其他污染物次之，但是整体水质呈较为严重污染状态，需要急时治理。

3.2 Mann-Kendall法检验分析

3.2.1水质污染程度指数变化

结合上述论述，对3个断面的主要污染指标进行Mann-Kendall检测，置信区间为95%，当标准正态分布数值为±1.96时，此时为显著水平；当标准正态分布数值为±2.58时，此时为极显著水平。断面水质污染程度指数数据见表2所示，Mann-Kendall法污染程度指标统计变量曲线见图3。

表2 上中下游断面水质污染程度指数

图3 Mann-Kendall法污染程度指标统计变量曲线示意

图3中的黑色曲线为统计变量数值结果S，蓝色曲线为趋势变化曲线。从表2和图3中的数据可以看出，在三饶断面的水质污染程度指标标准正态分布数值在±1.96之内，多数指标呈现不显著的突变情况，而在汤溪水库断面和黄冈断面的高锰酸盐指数和氨氮指数的标准正态分布数值分别为-3.254、-2.265、-3.157和-2.953，该值均大于±2.58，并且超过显著水平线，表现出极显著变化，出现了突变的情况，其他指标未表现出显著变化。其中总磷指标与其他指标不同，在汤溪水库断面呈现下降趋势，但是在三饶断面又呈现了上升趋势，变化波动较大，说明总磷在下游的污染更严重，DO指标整体呈现下降趋势，其他指标呈现成整体上升趋势。

3.2.2重金属污染情况

进一步采用Mann-Kendall法对黄冈河流域内上中下游断面重金属污染情况进行分析，分析汛期(3—10月)与非汛期3个断面的重金属污染超标情况，结果见表3和图4所示。

表3 上中下游断面重金属污染超标情况

a 汛期

b 非汛期图4 Mann-Kendall法重金属污染超标统计变量曲线示意

图4中黑色曲线为统计曲线S，蓝色曲线为趋势曲线。由表3和图4中的数据可知，在汛期，3个断面的重金属污染超标程度排序为汤溪水库断面<黄岗断面<三饶断面。其中铁和锰呈现先升高后降低的趋势，在汤溪水库断面呈现显著水平，其中铁在黄岗断面也呈现显著水平，在该断面出现了突变。锌和铜变化幅度较小，并且没有呈现显著变化，未达到显著水平。非汛期时，仅铁波动较大，其呈现先升高后降低趋势，并且在汤溪水库断面和黄岗断面均呈现显著变化，其他重金属污染超标比例变化较小。由此说明汛期的重金属超标情况会明显比非汛期严重，其中最严重的重金属为铁和锰。

3.2.3粪大肠菌群指数变化情况

以该地区断面污染情况的年平均值为基础，进一步分析汛期与非汛期3个断面的粪大肠菌群指数变化情况，结果见表4所示。

表4 各断面粪大肠菌群指数变化情况MPN/L

图5中的黑色曲线为Mann-Kendall法统计结果S，蓝色曲线为趋势曲线。由表4和图5中的数据可知，在汛期，粪大肠菌群指数整体呈现先降低后增高的趋势，其在汤溪水库断面的数值最低，趋势超过了0.05显著水平线，呈现出了显著变化，并且黄岗断面的粪大肠菌群指数也呈现显著变化，但是显著性没有汤溪水库断面高，由此可知，粪大肠菌群指数在汤溪水库断面发生突变。在非汛期，粪大肠菌群指数也呈现先降低后上升的趋势，但是在黄岗断面上升幅度低，整体呈现下降趋势，但是在汤溪水库断面超过了显著水平线，达到了显著变化，粪大肠菌群指数降低幅度较大，发生突变。三饶断面的水污染最严重，且汛期的粪大肠菌群指数明显高于非汛期，需要在该断面实施针对性的改进措施。

图5 Mann-Kendall法粪大肠菌群指数统计变量曲线示意

4 黄冈河流域水质污染变化特点与趋势分析

1) 研究区域总磷污染最为严重，其他污染物次之，但是整体水质呈现较为严重污染状态，需要及时治理。

2) 在汤溪水库断面和黄岗断面的高锰酸盐指数和氨氮指数超过显著水平线，表现出极显著变化，其他指标未表现出显著变化。其中总磷指标与其他指标不同，在汤溪水库断面呈现下降趋势，但是在三饶断面又呈现了上升趋势，变化波动较大，说明总磷在下游的污染更严重，DO指标整体呈现下降趋势，其他指标呈现成整体上升趋势。

3) 在汛期，3个断面的重金属污染超标程度排序为汤溪水库断面<黄岗断面<三饶断面。其中铁和锰呈现先升高后降低的趋势，在汤溪水库断面呈现显著水平，其中铁在黄岗断面也呈现显著水平。非汛期时，仅铁波动较大，其呈现先升高后降低趋势，并且在汤溪水库断面和黄岗断面均呈现显著变化。由此说明汛期的重金属超标情况会明显比非汛期严重，其中最严重的重金属为铁和锰。

4) 在汛期，3个断面的粪大肠菌群指数均呈现出上升的变化趋势，并且在汤溪水库断面和黄岗断面呈现显著变化。在非汛期，粪大肠菌群指数呈现先降低后上升趋势，但在上升后，黄岗断面的粪大肠菌群指数仍较低，其未达到了显著变化。三饶断面的水污染最严重，且汛期的粪大肠菌群指数明显高于非汛期。

根据分析可知，该地区水质污染严重，并且该区域水质污染在未来一段期间污染程度还会进一步增加，水质也将逐渐恶化，因此，对其进行水处理具有一定的现实意义。

5 结语

通过本文论述研究，以黄冈河流域作为实验研究区域，采用Mann-Kendall法对其水质污染程度变化进行分析。结果表明：根据各项污染指标的变化情况来看，该区域水质污染较为严重；汛期的重金属超标情况和粪大肠菌群指数明显比非汛期严重，其中铁和锰污染最为严重。基于实验研究结果，在具体针对其开展水质治理时，可采取控制支流污染输入、降低农业面源污染、严格控制工厂企业污水排放等，以此促进黄冈河流域水质污染程度的降低，促进其可持续发展。