陳欣佛，柴元冰，閔 敏

（青海省水文水資源勘測(cè)局，青海 西寧810000）

湟水是青海省境內(nèi)最大的黃河一級(jí)支流,其水污染防治不僅關(guān)系到沿湟流域人民群眾生產(chǎn)生活和身體健康及生命安全,而且關(guān)系到沿湟流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。青海省于2005年再次修改了《青海省湟水流域水污染防治條例》,進(jìn)一步加強(qiáng)湟水流域水污染防治,保護(hù)和改善湟水水質(zhì),保障人民群眾生產(chǎn)、生活用水安全,促進(jìn)水資源有效利用。近年來(lái),對(duì)湟水的研究集中于水資源開(kāi)發(fā)利用狀況、水環(huán)境綜合治理以及入河污染物對(duì)湟水流域水質(zhì)的影響［1-3］等。對(duì)湟水水質(zhì)時(shí)間序列變化趨勢(shì)的研究可以較好分析和判斷一段時(shí)間內(nèi)湟水流域水質(zhì)變化情況和水質(zhì)治理成效。目前,較為常用的水質(zhì)趨勢(shì)變化分析方法有回歸分析法、水質(zhì)GM趨勢(shì)模型和季節(jié)性肯德?tīng)枺↘endall)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型［4］,筆者選取應(yīng)用較為廣泛的非參數(shù)檢驗(yàn)肯德?tīng)枡z驗(yàn)數(shù)學(xué)模型分析湟水流域水質(zhì)變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

湟水發(fā)源于青海省海北藏族自治州海晏縣包呼圖河北部的洪呼日尼哈［5］,河源海拔4 395 m,處于青藏高原與黃土高原過(guò)渡地帶。湟水全長(zhǎng)374 km,其中青海省境內(nèi)336 km,流經(jīng)青海省9個(gè)縣（市),青海省境內(nèi)流域面積1.61萬(wàn)km2,占流域總面積的91%,流域水系發(fā)育,呈羽狀和樹(shù)枝狀,共有大小河流100余條,大部分為季節(jié)性河流。湟水流域多年平均水資源總量為51.69億m3,其中湟水干流水資源總量為22.14億m3,占湟水流域多年平均水資源總量的42.83%。流域平均降水量437.3 mm,降水時(shí)空分配不均,隨著海拔的升高,降水量呈明顯上升趨勢(shì)。流域內(nèi)不同地區(qū)多年平均水面蒸發(fā)量為800～1 000 mm。湟水流域從源頭至扎麻隆為上游河段,上游河段以縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)居多,人口較少；扎麻隆至小峽橋?yàn)橹杏魏佣?湟水在此河段流經(jīng)青海省省會(huì)西寧,中游河段附近城市集中,人口密集,是城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水及排污的主要河段；小峽橋以下為下游河段,主要流經(jīng)青海省第二大城市海東市,人口也較為集中,湟水是沿岸主要用水來(lái)源。湟水流域承載著青海省近60%的人口、52%的耕地和70%以上的工礦企業(yè)取用排水。

1.2 研究區(qū)污染物排放及污水處理設(shè)施情況

湟水是沿湟城鎮(zhèn)生產(chǎn)、生活用水的主要水體,也是流域工業(yè)廢水、生活污水以及農(nóng)村面源污染的受納水體。根據(jù)2008—2017年《青海省水資源公報(bào)》,湟水流域主要廢污水入河量總體呈現(xiàn)先上漲后下降趨勢(shì),見(jiàn)表1。

表1 廢污水排放量 萬(wàn)t

根據(jù)《湟水流域水環(huán)境綜合治理規(guī)劃》（2011—2015年)和《湟水流域水環(huán)境綜合治理規(guī)劃》（2016—2020年),湟水流域自2002年開(kāi)始逐步修建污水處理廠,2008年以來(lái),青海省在湟水流域先后建設(shè)了10余座生活污水處理廠,處理能力36.7萬(wàn)t/d,規(guī)模以上污水處理廠統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 規(guī)模以上污水處理廠統(tǒng)計(jì)

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及站點(diǎn)篩選

分析所用數(shù)據(jù)均來(lái)自青海省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心。為準(zhǔn)確分析湟水流域水質(zhì)變化趨勢(shì),選取人口分布眾多,工業(yè)、農(nóng)業(yè)較為集中的湟水干流水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為分析站點(diǎn),經(jīng)篩選,選用12個(gè)湟水干流重要水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2008—2017年連續(xù)10 a實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)湟水流域歷年主要污染物情況,選用高錳酸鹽指數(shù)（CODMn)、氨氮（NH3-N)、總磷（TP)和六價(jià)鉻（Cr6+)為分析項(xiàng)目。水質(zhì)站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 湟水流域水質(zhì)站點(diǎn)分布

2.2 數(shù)據(jù)處理及方法

肯德?tīng)枺↘endall)檢驗(yàn)法可以計(jì)算時(shí)間序列的變化趨勢(shì),是序列研究中常用的方法之一。對(duì)于長(zhǎng)度為N的時(shí)間序列｛Xi｜i＝1,2,…,N｝,統(tǒng)計(jì)假設(shè)H0：未經(jīng)調(diào)整修正的數(shù)據(jù)序列｛Xi｝是一個(gè)由N個(gè)元素組成的獨(dú)立的具有相同分布的隨機(jī)變量。設(shè)n年p月的月水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料序列X為

式中：x11～xnp為月水質(zhì)濃度監(jiān)測(cè)值。

第i月歷年水質(zhì)序列不同年份相比較的差值之和Si為

式中：ni為第i月水質(zhì)序列中非漏測(cè)值個(gè)數(shù)。

在零假設(shè)下隨機(jī)序列Si（i＝1,2,…,p)近似服從正態(tài)分布,則Si的均值E（Si)＝0；方差δ2i＝Var（Si)＝ni（ni-1)（2ni+5)／18。 當(dāng)ni個(gè)非漏測(cè)值中有t個(gè)數(shù)相同時(shí)1)（2t+5)］／18。

對(duì)于p個(gè)月的總體情況,令

式中：mi為第i月可以用作比較的差值數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)；m為用作比較的差值數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)。

在趨勢(shì)檢驗(yàn)中,肯德?tīng)枡z驗(yàn) t＝S／m,如果｜Z｜≤Zα／2（Zα／2為 α／2 水平下的 Z 檢驗(yàn)),則接受假設(shè)。 這里 FN（Za／2)＝ α／2,FN 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù),即

從而求出信度α,α為趨勢(shì)的顯著水平,計(jì)算公式為

取顯著性水平α為0.10和0.01,即當(dāng)α≤0.01時(shí),說(shuō)明檢驗(yàn)具有高度顯著性水平；當(dāng)0.01＜α≤0.10時(shí),說(shuō)明檢驗(yàn)是顯著的。α計(jì)算結(jié)果滿足上述兩條件情況下,t為正時(shí)說(shuō)明具有顯著上升趨勢(shì),t為負(fù)時(shí)說(shuō)明具有顯著下降趨勢(shì),t為0時(shí)無(wú)變化趨勢(shì)。

3 水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

3.1 非流量調(diào)節(jié)濃度變化趨勢(shì)Kendall檢驗(yàn)

根據(jù)2008—2017年監(jiān)測(cè)資料繪制受污染物影響較大的測(cè)站污染物濃度變化過(guò)程,見(jiàn)圖2。通過(guò)水體內(nèi)污染物濃度的變化檢驗(yàn)水質(zhì)變化趨勢(shì),由肯德?tīng)枡z驗(yàn)法計(jì)算得出污染物濃度變化率統(tǒng)計(jì)量Z值,以Z值表示趨勢(shì)的變化情況,以α表示顯著性趨勢(shì),見(jiàn)表3。

圖2 污染物濃度變化過(guò)程

根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（SL 395—2007)中水質(zhì)變化趨勢(shì)分析方法,運(yùn)用肯德?tīng)査|(zhì)趨勢(shì)分析得出趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果,見(jiàn)表4。研究年份湟水干流CODMn、NH3-N、TP、Cr6+各站點(diǎn)有趨勢(shì)變化的居多,無(wú)明顯趨勢(shì)變化的較少,說(shuō)明水質(zhì)存在動(dòng)態(tài)變化。從空間分布上看,湟水上游的海晏和石崖莊CODMn、NH3-N、Cr6+無(wú)明顯變化趨勢(shì)；中游Cr6+除小峽橋?yàn)樯仙厔?shì)外其他站點(diǎn)無(wú)明顯變化趨勢(shì)；湟水下游平安橋至民和NH3-N呈上升趨勢(shì),TP除平安橋呈下降趨勢(shì)外其他站點(diǎn)無(wú)明顯變化趨勢(shì),Cr6+除民和無(wú)明顯變化趨勢(shì)外其他站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)。

表3 水質(zhì)變化趨勢(shì)肯德?tīng)枡z驗(yàn)分析統(tǒng)計(jì)量

表4 2008—2017年湟水水質(zhì)變化趨勢(shì)分析結(jié)果

湟水上游以縣城、村鎮(zhèn)為主,且人口較少,工業(yè)活動(dòng)較少［6］,水質(zhì)沒(méi)有顯著變化趨勢(shì)。近年來(lái)青海省城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,生活污水排放量從2008年的4 900萬(wàn)t/a增加到2017年5 570萬(wàn)t/a,廢污水排放量總體增加,進(jìn)入河流的CODMn、NH3-N增多,濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),加之中游河段經(jīng)過(guò)省會(huì)城市西寧和湟水支流甘河溝在扎麻隆下游匯入,湟水中下游NH3-N的輸入量明顯增加,呈高度顯著上升趨勢(shì)。Cr6+主要來(lái)源于工業(yè)污染物的排放,呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的小峽橋?yàn)殇宜鲗幣盼劭刂茀^(qū)代表站點(diǎn),該區(qū)域?yàn)樾陆ń?jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)下游,開(kāi)發(fā)區(qū)以工業(yè)為主,致使該段Cr6+濃度有所上升?？偭字饕獊?lái)源于生活污水排放及農(nóng)業(yè)化肥的施用。2008—2017年湟水流域通過(guò)水土保持重點(diǎn)工程共治理水土流失面積877.04 km2,大大降低了農(nóng)耕化肥入河量。研究期間湟水流域污水處理廠逐年建設(shè)并運(yùn)行,主城區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了污水“全收集,全處理”,工業(yè)廢水企業(yè)深度治理率從2010年的30%提高到2017年的94%,中水回用也從2010年的0處理量增加到2017年的11萬(wàn)t/d的處理量。由于污水收集率的提高和工業(yè)廢水的綜合治理,因此排入水體的TP及Cr6+濃度降低,加之綜合治理過(guò)程中,位于湟水流域下游的一些生產(chǎn)能力低、污染嚴(yán)重的小型工廠被逐步關(guān)閉,下游Cr6+濃度呈下降趨勢(shì)。

3.2 污染物輸送率變化趨勢(shì)

通過(guò)污染物輸送率通量（濃度×同步流量)變化趨勢(shì)分析,可以對(duì)污染物總量的增減進(jìn)行判斷。根據(jù)流量資料,對(duì)西寧和樂(lè)都站點(diǎn)進(jìn)行污染物輸送率趨勢(shì)分析,得到污染物變化率的計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表5。由表5可以看出,西寧CODMn和樂(lè)都NH3-N的污染物總量增加,西寧TP和樂(lè)都Cr6+污染物總量減少,西寧NH3-N、Cr6+和樂(lè)都的CODMn、TP污染物總量沒(méi)有明顯變化趨勢(shì),這與水質(zhì)變化趨勢(shì)一致。

表5 污染物輸送率變化趨勢(shì)分析

3.3 流量調(diào)節(jié)肯德?tīng)枡z驗(yàn)

河流水質(zhì)受流域內(nèi)土壤、植被、降雨、徑流及人類活動(dòng)等影響,但河流水質(zhì)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素是河道污水的排放和徑流的變化［7］。根據(jù)流量和濃度的關(guān)系可以判斷污染物來(lái)源,因此采用流量和水質(zhì)綜合分析水質(zhì)變化趨勢(shì)。通過(guò)流量調(diào)節(jié)可對(duì)污染物濃度進(jìn)行校準(zhǔn),并能夠體現(xiàn)流量對(duì)水質(zhì)的影響程度,進(jìn)而通過(guò)流量與污染物濃度的殘差分析污染物與流量的相關(guān)性。選用西寧和樂(lè)都2個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)水質(zhì)變化趨勢(shì)分析。根據(jù)肯德?tīng)枡z驗(yàn)原理,應(yīng)用回歸分析方法,選擇復(fù)相關(guān)系數(shù)最大的公式進(jìn)行計(jì)算,CODMn流量修正公式為

NH3-N、TP和Cr6+流量修正公式為

式中：C為濃度；Q為流量；a、b、c為回歸常數(shù)。

首先根據(jù)流量校準(zhǔn)方程計(jì)算流量校準(zhǔn)濃度（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6),然后進(jìn)行流量校準(zhǔn)的季節(jié)性肯德?tīng)枡z驗(yàn)。通過(guò)殘差分析完成流量調(diào)節(jié)的肯德?tīng)枡z驗(yàn),流量與污染物濃度的相關(guān)性分析可以間接判斷污染物是點(diǎn)源污染還是非點(diǎn)源污染。流量校準(zhǔn)的季節(jié)性肯德?tīng)枡z驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可以看出,經(jīng)流量校準(zhǔn)后西寧CODMn和Cr6+呈上升趨勢(shì),NH3-N和TP無(wú)明顯變化趨勢(shì),樂(lè)都TP和Cr6+呈下降趨勢(shì),CODMn和NH3-N無(wú)明顯變化趨勢(shì),從流量調(diào)節(jié)水質(zhì)變化趨勢(shì)分析結(jié)果可以看出,西寧CODMn主要來(lái)自非點(diǎn)源污染,樂(lè)都TP主要來(lái)自點(diǎn)源污染。

表6 流量校準(zhǔn)濃度

表7 流量調(diào)節(jié)水質(zhì)濃度肯德?tīng)枡z驗(yàn)

4 討 論

湟水流域水質(zhì)2008—2017年總體呈由劣轉(zhuǎn)優(yōu)的趨勢(shì),從時(shí)間分布看水質(zhì)項(xiàng)目濃度變化呈現(xiàn)出前期增長(zhǎng)快,中期增長(zhǎng)緩慢,后期下降的總體形勢(shì),氨氮污染最為嚴(yán)重。從空間分布來(lái)看,呈現(xiàn)出上游水質(zhì)變化小,中下游水質(zhì)變化顯著的特征,流域水質(zhì)空間分布整體變化趨勢(shì)與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水環(huán)境治理情況相吻合。湟水流域開(kāi)展的污染物綜合治理對(duì)水體水質(zhì)的好轉(zhuǎn)起到重要作用,但流域內(nèi)水環(huán)境容量小,地表徑流污染物濃度高,面源污染嚴(yán)重,集中式污水處理設(shè)施運(yùn)行效率低等問(wèn)題仍比較突出,需加強(qiáng)流域內(nèi)水土流失綜合治理以防止非點(diǎn)源污染對(duì)水體的危害,并落實(shí)好企業(yè)排污達(dá)標(biāo)建設(shè)工作,控制排污入河量。