郭新亞，張興奇

南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023

汾河河津段主要污染物時(shí)間序列分析

郭新亞，張興奇

南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023

基于Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法和小波分析法，研究了汾河河津段2004—2013年高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量時(shí)間序列的變化趨勢和突變特性。結(jié)果表明：高錳酸鹽指數(shù)和氨氮含量有顯著下降趨勢，溶解氧含量有顯著上升趨勢。高錳酸鹽指數(shù)和氨氮含量在1、2月較大，8、9月較小；溶解氧含量在1、2月較大，6、7月較小。高錳酸鹽指數(shù)含量在2004—2009年差異較大；氨氮含量在2004—2013年差異均較大；溶解氧含量在2010—2013年差異較大。

高錳酸鹽指數(shù)；氨氮；溶解氧；小波分析

隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，越來越多的“三廢”排入河流，使得河流污染愈發(fā)嚴(yán)重。通過河流監(jiān)測系統(tǒng)可獲取河流水質(zhì)數(shù)據(jù)，用于防治和控制河流污染[1]。通過分析河流監(jiān)測長期數(shù)據(jù)，研究其時(shí)空分布特征，可為流域水環(huán)境管理者提供動(dòng)態(tài)信息[2]。

國內(nèi)分析水質(zhì)時(shí)間序列的方法主要利用統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)學(xué)模型，如王菊翠等[3]用統(tǒng)計(jì)方法分析了陜西段涇河水質(zhì)時(shí)空分布特征；孫國紅等[4]基于Box-Jenkins方法分析了黃河水質(zhì)時(shí)間序列并進(jìn)行了預(yù)測；李冬等[5]基于時(shí)間序列分析了黃水庫水質(zhì)漸變性特點(diǎn)。小波分析在水文學(xué)中的應(yīng)用主要集中在降水、徑流等的時(shí)間序列變化特性及預(yù)測預(yù)報(bào)分析上，用于分析河流污染物含量時(shí)間序列變化趨勢及突變特性的較少，張微微等[6]利用小波分析研究了密云水庫上游白河磷濃度的周期變化特征。本文基于Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法和小波分析法，研究了汾河河津段高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量時(shí)間序列的變化趨勢和突變特性，以期為分析汾河水環(huán)境的變化趨勢提供一定的參考，并對小波分析在河流污染物時(shí)間序列分析中的應(yīng)用提供一定的借鑒作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

汾河是山西省境內(nèi)最大的河流，黃河的第二大支流，全長713 km，流域面積39 721 km2。汾河發(fā)源于忻州市寧武縣管涔山，由北向南縱貫山西省境內(nèi)，在萬榮縣榮河鎮(zhèn)廟前村匯入黃河，如圖1所示。汾河運(yùn)城段全長145.2 km，是運(yùn)城市最大河流，河津大橋站是汾河在運(yùn)城市的一個(gè)國控?cái)嗝鎇7]，入黃河前的水沙控制站。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本文數(shù)據(jù)來源于環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心所提供的全國主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測周報(bào)，選取山西運(yùn)城河津大橋站點(diǎn)2004—2013年每周的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量數(shù)據(jù)，除去斷流及未測到的，高錳酸鹽指數(shù)數(shù)據(jù)累計(jì)443周，氨氮數(shù)據(jù)累計(jì)446周，溶解氧數(shù)據(jù)累計(jì)368周。

1.3 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，因變量可以不具有正態(tài)分布特征，適用于檢驗(yàn)水文變量的趨勢。假設(shè)有一長度為n的時(shí)間序列X1，X2，X3，…，Xn，定義統(tǒng)計(jì)量S：

當(dāng)Xi-Xj分別大于、等于、小于0時(shí)，sign(Xi-Xj)分別為1、0、-1；當(dāng)n>10時(shí)，定義統(tǒng)計(jì)量Z：

Z值的正負(fù)性表征變化趨勢的上升與下降，Z的絕對值大小表征趨勢變化的水平，當(dāng)顯著性水平通過了置信度為90%、95%、99%的檢驗(yàn)時(shí)對應(yīng)的Z值分別為1.28、1.64、2.32[8]。

1.4 小波分析

小波分析是在傅里葉變換基礎(chǔ)上引入窗口函數(shù)，且時(shí)間窗和頻率窗可改變的一種時(shí)頻局域分析法，具有時(shí)頻多分辨功能。小波分析的基本方法是小波變換，包括連續(xù)小波變換和離散小波變換，連續(xù)小波變換一般需離散化。離散小波變換是逐層對信號進(jìn)行分解，首先分解長度為M的數(shù)據(jù)序列，得到長度為M/2的低頻部分A1和高頻部分D1；然后對A1進(jìn)行分解，得到長度為M/4的低頻部分A2和高頻部分D2；一直分解下去，直到一個(gè)數(shù)目較小的低頻部分被保留下來[9-10]。本文選用具有良好時(shí)頻分析性能的Daubechies小波，Daubechies系中的小波基記為dbN，N為序號，且N=1，2，…，10。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物含量時(shí)間序列趨勢分析

近10年汾河河津段高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和溶解氧含量變化趨勢如圖2所示。

從圖2可見，高錳酸鹽指數(shù)最大值出現(xiàn)在2005年第14周(3月28日至4月3日)，為320 mg/L，最小值出現(xiàn)在2013年第29周(7月15日至7月21日)，為3.7 mg/L，含量有下降趨勢，7 d線性下降幅度為0.301 mg/L；氨氮含量最大值出現(xiàn)在2011年第8周(2月14日至2月20日)，為60.7 mg/L，最小值出現(xiàn)在2013年第34周(8月19日至8月25日)，為0.2 mg/L，含量有下降趨勢，7 d線性下降幅度為0.018 mg/L；溶解氧含量最大值出現(xiàn)在2013年第52周(2月23日至2月29日)，為12.5 mg/L，最小值為0.01 mg/L，集中出現(xiàn)在2004、2008、2009年，含量有上升趨勢，7 d線性上升幅度為0.015 mg/L。

采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法得到高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧的Z值分別為-18.44、-7.04、13.51，三者均達(dá)到顯著水平，表明近10 年汾河河津段中高錳酸鹽指數(shù)和氨氮含量呈顯著下降趨勢，溶解氧含量呈顯著上升趨勢。

雖然高錳酸鹽指數(shù)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，水質(zhì)得到了一定的改善，但汾河河津段仍屬于重度污染，其中高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的只占6.5%、3.8%、36.7%，且集中分布在2012、2013年，其余的都屬于劣Ⅴ類。河津位于汾河下游，經(jīng)過中上游的過量開采和超標(biāo)排放污水，導(dǎo)致汾河進(jìn)入河津已屬于嚴(yán)重污染[11]，且河津大力發(fā)展重工業(yè)，忽視環(huán)境容量，河流已成為生活污水的排放區(qū)，使得汾河河津段的污染進(jìn)一步加重。2012—2013年高錳酸鹽指數(shù)均值較2004—2011年均值下降62.4 mg/L，達(dá)到Ⅳ、Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的次數(shù)增多，說明對生活廢水和工業(yè)廢水的治理有一定的成效。2012—2013年氨氮含量達(dá)到Ⅱ、Ⅴ類的次數(shù)增多，但平均仍為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的5.1倍，應(yīng)從點(diǎn)源和面源控制化肥等的使用。2012—2013年溶解氧含量達(dá)到Ⅲ類的增加6.3%，溶解氧可反映水體的自凈能力，保持水體自凈不僅需要控制污染物總量，還需要保持一定的流量。面對嚴(yán)峻的污染形勢，已取得的治污成果要進(jìn)一步鞏固，同時(shí)應(yīng)采取其他治污措施，加強(qiáng)治污效果。

小波分析中，對2004—2013年汾河河津段污染物含量的時(shí)間序列來說，低頻部分代表著近10年汾河河津段主要污染物的變化規(guī)律，隨著分解尺度的增加，高頻部分信息越來越少，低頻部分代表污染物含量時(shí)間序列的變化規(guī)律更加明顯。因此，選擇小波分解和重構(gòu)后低頻系數(shù)最高層可反映污染物含量時(shí)間序列的變化規(guī)律。

采用Daubechies小波，通過實(shí)驗(yàn)確定小波序號N及分解次數(shù)，以期能更好地反映污染物含量時(shí)間序列的變化規(guī)律。利用db6小波對2004—2013年高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量時(shí)間序列進(jìn)行4次小波分解，再使用第四層的低頻系數(shù)重構(gòu)來確定高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量時(shí)間序列變化規(guī)律

高錳酸鹽指數(shù)含量除在2006、2010、2011、2013年變幅較小外，其余年份變幅較大，年內(nèi)最大值與最小值平均相差134.78 mg/L。高錳酸鹽指數(shù)除2006、2012年外，每年均有先減小后增大的趨勢，1、2月較大(均值為72.90 mg/L)，8、9月較小(均值為58.10 mg/L)。2006、2012年高錳酸鹽指數(shù)有先增大后減少的趨勢，6、7月含量較大。

氨氮含量變化趨勢除2006、2012年與高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢不同外，其余年份較一致，1、2月含量較大(均值為22.98 mg/L)，8、9月含量較小(均值為10.67 mg/L)。2004—2009年氨氮含量最大、最小值變化無一定規(guī)律，2010—2013年氨氮含量最大值逐年減小。

溶解氧含量在2004—2009年較小，6年均值為0.76 mg/L，在2010—2013年較大，4年均值為3.59 mg/L。溶解氧含量在1、2月較大(均值為2.90 mg/L)，6、7月較小(均值為1.08 mg/L)。

汾河流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，降雨主要集中在7—9月，枯水期河流水量減小、流速減慢、水環(huán)境容量下降，所以高錳酸鹽指數(shù)和氨氮含量在枯水期1、2月較大，豐水期8、9月較小。2006、2012年高錳酸鹽指數(shù)含量在6、7月較大，說明這段時(shí)間內(nèi)人類活動(dòng)對河流水質(zhì)影響大。溶解氧量與水溫有關(guān)，水溫高時(shí)溶入的氧量降低，水溫低時(shí)溶入的氧量增多，所以溶解氧含量在水溫低的1、2月較大，水溫高的6、7月較小。

2.2 污染物含量時(shí)間序列突變特性分析

污染物含量時(shí)間序列中的突變部分能反映污染比較嚴(yán)重的情況，因此分析時(shí)間序列的突變部分具有重要的意義。小波分析中，對2004—2013年汾河污染物含量的時(shí)間序列來說，高頻部分可以反映污染物含量時(shí)間序列的突變部分。本文選用Daubechies小波，其中db1小波具有很好的正則性，即小波很有規(guī)律，可用于檢測污染物含量時(shí)間序列的突變特性。小波分解層數(shù)越多，包含的高頻部分越少，一般情況下，第一層和第二層的高頻系數(shù)中包含高頻成分，可清楚地反映出污染物含量時(shí)間序列的突變特性。

利用db1小波對2004—2013年高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量時(shí)間序列進(jìn)行2次小波分解，再使用第一層和第二層的高頻系數(shù)重構(gòu)來確定高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧含量的突變特性，如圖4～圖6所示。

圖4 高錳酸鹽指數(shù)含量時(shí)間序列突變特性圖

圖5 氨氮含量時(shí)間序列突變特性圖

圖6 溶解氧含量時(shí)間序列突變特性圖

高錳酸鹽指數(shù)突變位置與數(shù)值較大時(shí)的位置相同，說明高錳酸鹽指數(shù)增大一般是突變的。高錳酸鹽指數(shù)在2004—2009年差異較大，2010—2013年差異較小。從第一層和第二層系數(shù)中可看出有2個(gè)明顯突變，分別為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)，高錳酸鹽指數(shù)分別為320 mg/L和241 mg/L，分別超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的21、16倍，是近10年所有高錳酸鹽指數(shù)中最高的2次，均屬嚴(yán)重污染。

氨氮含量近10年來每年差異均較大，從第二層系數(shù)中可看出有一個(gè)明顯突變，位于2011年第8周(2月14日至2月20日)，質(zhì)量濃度為60.7 mg/L，超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的30倍。

溶解氧含量在2004—2009年差異較小，在2010—2013年差異較大。從第一層和第二層系數(shù)中可看出有4個(gè)突變點(diǎn)，分別為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)，溶解氧分別為4.67、9.01、9.56、9.53 mg/L，分別為V類標(biāo)準(zhǔn)的2.3、4.5、4.78、4.77倍。

通過觀察小波分解的高頻部分，可了解污染物的突變特性，這些突變部分的污染一般均較嚴(yán)重，與突變點(diǎn)左右部分的水質(zhì)相比，由于自然條件一般相差不大，說明這部分水質(zhì)的變化受人類的影響較大。

3 結(jié)論

1)汾河河津段中高錳酸鹽指數(shù)和氨氮含量在2004—2013年有顯著下降趨勢，溶解氧含量在2004—2013年有顯著上升趨勢。雖然水質(zhì)得到了一定的改善，但汾河河津段仍屬于重度污染。

2)高錳酸鹽指數(shù)和氨氮含量在1、2月較大，8、9月較小。溶解氧含量在1、2月較大，6、7月較小。2006、2012年高錳酸鹽指數(shù)在6、7月較大，說明這段時(shí)間內(nèi)人類活動(dòng)對河流水質(zhì)影響較大。

3)高錳酸鹽指數(shù)在2004—2009年差異較大，在2010—2013年差異較小；氨氮含量在2004—2013年差異均較大；溶解氧含量在2004—2009年差異較小，在2010—2013年差異較大。

4)小波分析法可用于研究水質(zhì)時(shí)間演化規(guī)律，用于分析水質(zhì)的趨勢變化和突變特性。

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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

郭新亞(1990-)，女，山西臨汾人，碩士。

張興奇

X824

A

1002-6002(2016)01- 0070- 05