李中艷

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

?

季節(jié)性 Kendall檢驗(yàn)方法在阜新地區(qū)某水庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)分析中的應(yīng)用

李中艷

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

阜新市是遼寧省西部的用水大市，阜新市水資源的不合理利用和水污染情況是造成該地區(qū)水資源缺乏和用水極度緊張等問(wèn)題的主要原因，研究地區(qū)水資源水質(zhì)趨勢(shì)對(duì)地區(qū)的水質(zhì)變化和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。通過(guò)引用季節(jié)性 Kendall 檢驗(yàn)方法對(duì)阜新市彰武水庫(kù)、東白城子水庫(kù)進(jìn)行水質(zhì)趨勢(shì)檢驗(yàn)，對(duì)化學(xué)需氧量、pH、溶解氧和高錳酸鹽指數(shù)等13個(gè)控制指標(biāo)進(jìn)行分析，確定各水庫(kù)的主要影響指標(biāo)，分析表明：彰武水庫(kù)、東白城子水庫(kù)未來(lái)水質(zhì)變化趨勢(shì)不大，屬于輕度污染，劃分為Ⅱ類(lèi)水質(zhì)，為阜新地區(qū)水資源利用和制定處理措施提供指導(dǎo)和借鑒。

Kendall 檢驗(yàn)方法；水質(zhì)變化；趨勢(shì)分析；阜新地區(qū)

阜新市是遼寧省西部的用水大市，是沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要城市之一。但其可供水量極為有限，人口、工業(yè)、耕地等分布集中，對(duì)水資源的利用和開(kāi)發(fā)要求較高，并逐漸成為沈陽(yáng)市水資源緊缺的重點(diǎn)區(qū)域[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)工程建設(shè)的迅猛發(fā)展，阜新市內(nèi)彰武水庫(kù)、東白城子水庫(kù)等流域出現(xiàn)水資源急劇緊張以及水質(zhì)污染超標(biāo)等嚴(yán)重問(wèn)題，對(duì)阜新市市區(qū)的生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。阜新地區(qū)水庫(kù)水質(zhì)的質(zhì)量高低直接影響到本地區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量及其流域兩岸的居民生活等[2]。因此，針對(duì)阜新地區(qū)的水質(zhì)情況展開(kāi)庫(kù)區(qū)水質(zhì)趨勢(shì)分析，展開(kāi)水質(zhì)情況的預(yù)防和治理，對(duì)地區(qū)水環(huán)境的保護(hù)和管理具有重要意義。

1 阜新地區(qū)水資源分布

阜新市地處遼寧西部，屬于半干旱地區(qū)，水資源人均占有量507 m3，約占到全國(guó)人均量(2 160 m3)的1/4；從世界范圍看，人居占有量不足世界人均量的1/14。在農(nóng)業(yè)方面，由于阜新地區(qū)面積廣闊，畝均占有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于各級(jí)均有水平。此外，該地區(qū)降雨量自南向北遞減，空間分布不均。地表水資源主要分布在大凌河、繞陽(yáng)河等水域，分布西北多、東南少[3]；地下水資源分布中，彰武縣分布有70%以上的水資源。

阜新地區(qū)河川徑流主要通過(guò)大氣降雨補(bǔ)給。但是，隨著本地區(qū)氣候差異性較大，加之經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工、農(nóng)業(yè)等用水量的增多，水資源污染等導(dǎo)致河川徑流和地下水量急劇減少。截止到2015年，全市水資源量?jī)H為多年平均量的37%[4]。全市日最多缺水4.3×104m3，給工、農(nóng)業(yè)帶來(lái)了巨大的損失和浪費(fèi)，地區(qū)缺水問(wèn)題已嚴(yán)重限制城市的快速發(fā)展步伐。

2 季節(jié)性 Kendall 檢驗(yàn)方法原理

我國(guó)目前已經(jīng)展開(kāi)對(duì)水質(zhì)趨勢(shì)的深入研究，其分析方法主要包括：圖解法、時(shí)間序列分析法(分析長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)，建立模型，模擬水質(zhì)成分)、非參數(shù)檢驗(yàn)方法和回歸分析法等監(jiān)測(cè)方法。本文通過(guò)引入季節(jié)性 Kendall 檢驗(yàn)方法，對(duì)阜新市水資源水質(zhì)情況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，能夠?yàn)樵摰貐^(qū)水資源的科學(xué)利用和開(kāi)發(fā)提供參考。該方法是1982 年由 Hirsch 提出，并由 Smith 和Van Belle 等進(jìn)行了合理化修正，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)在不受水質(zhì)資料的非正態(tài)性、流量相關(guān)、季節(jié)性變化等的影響下進(jìn)行正確監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)[5]。該方法的研究檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 檢驗(yàn)分析流程圖

3 季節(jié)性 Kendall 檢驗(yàn)法的數(shù)學(xué)模型

為了對(duì)阜新地區(qū)水質(zhì)情況進(jìn)行趨勢(shì)分析，建立數(shù)學(xué)模型。假設(shè)H0為隨機(jī)變量與時(shí)間獨(dú)立，檢測(cè)年份所有數(shù)據(jù)均保持相同概率分布[6]，則第n年第P月的水質(zhì)數(shù)據(jù)列X可表示為：

式中：x11，……xnp,為第n年第P月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)值。

3.1 對(duì)于第i月(i≤P)的情況

第月歷年水質(zhì)序列值差值的正負(fù)號(hào)之和表示為：

通過(guò)以上可知，第i月內(nèi)差值數(shù)據(jù)組預(yù)計(jì)算個(gè)數(shù)mi表示為：

式中：ni為第i月內(nèi)水質(zhì)數(shù)據(jù)列中非漏測(cè)值個(gè)數(shù)。

當(dāng)滿(mǎn)足ni個(gè)非漏測(cè)值中存在t個(gè)數(shù)相同時(shí)，則上述方差表示為：

3.2 對(duì)于P月的總體情況

在假設(shè)條件下，則P個(gè)月S的均值表示為：

當(dāng)n年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中存在t個(gè)數(shù)相同條件下，則：

即：當(dāng)n≥10 時(shí)，S也服從正態(tài)分布[8]。標(biāo)準(zhǔn)方差Z為：

3.3 趨勢(shì)檢驗(yàn)

α值可表示為：

當(dāng)α計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足上述兩條件下，

4 Kendall秩相關(guān)系數(shù)法結(jié)果分析

水質(zhì)趨勢(shì)的判斷一般較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理較為繁瑣。一般情況下，季節(jié)性Kendall法通過(guò)選取5～12 年序列長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，以避免因選取序列長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短影響水質(zhì)趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

阜新市彰武水庫(kù)和東白城子水庫(kù)工程項(xiàng)目選取2011—2015 年60 個(gè)月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)確定趨勢(shì)分析參數(shù)，重點(diǎn)選取了數(shù)據(jù)可靠、性能穩(wěn)定、代表性強(qiáng)的 13 項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，即：pH、化學(xué)需氧量、溶解氧、硫酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、五日生化需氧量、硝酸鹽氮、氨氮、鐵、錳、銅、鋅等(順序不代表重要程度)。阜新水庫(kù)彰武、東白城子水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)趨勢(shì)分析見(jiàn)表1、表2所示。

4.1 彰武水庫(kù)斷面水質(zhì)趨勢(shì)分析

化學(xué)需氧量呈高度顯著上升趨勢(shì)，pH參數(shù)無(wú)明顯變化，溶解氧參數(shù)、氨氮參數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)與五日生化需氧量呈顯著上升趨勢(shì)，硫酸鹽參數(shù)、硝酸鹽氮參數(shù)、錳參數(shù)和鋅參數(shù)無(wú)明顯變化趨勢(shì)，氯化物參數(shù)無(wú)明顯升降趨勢(shì)，總鐵參數(shù)和銅參數(shù)為顯著下降趨勢(shì)。因此，彰武水庫(kù)未來(lái)水質(zhì)變化趨勢(shì)不大，屬輕度污染，按照指標(biāo)參數(shù)情況劃分為Ⅱ類(lèi)水質(zhì)。

4.2 東白城子水庫(kù)斷面趨勢(shì)分析

化學(xué)需氧量參數(shù)無(wú)明顯變化趨勢(shì)，pH參數(shù)、溶解氧參數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽參數(shù)、五日生化需氧量參數(shù)、氯化物參數(shù)、錳參數(shù)、鋅參數(shù)無(wú)明顯變化趨勢(shì)，氨氮參數(shù)為高度顯著上升趨勢(shì)，硝酸鹽氮參數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)，總鐵參數(shù)和銅參數(shù)為高度顯著下降趨勢(shì)。因此，東白城子水庫(kù)未來(lái)水質(zhì)變化趨勢(shì)不大，屬輕度污染，按照指標(biāo)參數(shù)情況劃分為Ⅱ類(lèi)水質(zhì)。

表1 彰武站2011～2015年水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

表2 東白城子站2011～2015年水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

5 結(jié)語(yǔ)

阜新市水資源在區(qū)域上分布不均，區(qū)域資源性缺水表現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)重。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)阜新市內(nèi)的彰武水庫(kù)、東白城子水庫(kù)等水資源污染及其利用情況產(chǎn)生不利影響，對(duì)本市的生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生阻礙作用。本文通過(guò)引用季節(jié)性 Kendall 檢驗(yàn)方法對(duì)彰武水庫(kù)、東白城子水庫(kù)進(jìn)行水質(zhì)趨勢(shì)檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)確定的化學(xué)需氧量、PH、溶解氧和高錳酸鹽指數(shù)等13個(gè)控制指標(biāo)進(jìn)行分析，分析了彰武水庫(kù)、東白城子水庫(kù)等水質(zhì)主要影響指標(biāo)，確定了兩個(gè)水庫(kù)水質(zhì)為Ⅱ類(lèi)水質(zhì)，對(duì)阜新地區(qū)各水庫(kù)水資源利用和治理措施具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1]程曼曼.季節(jié)性肯達(dá)爾檢驗(yàn)法在南灣水庫(kù)水質(zhì)趨勢(shì)分析中的應(yīng)用[J]. 河南水利與南水北調(diào).2012(16): 57-58.

[2]馮健，等.基于Kendall法的三門(mén)峽水庫(kù)水質(zhì)趨勢(shì)分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電.2015(03): 68-70+75.

[3]韓靜.汾河水庫(kù)水質(zhì)趨勢(shì)分析[J].山西水利科技.2009(01): 92-93+96.

[4]胡國(guó)華, 唐忠旺,肖翔群.季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)及其在三門(mén)峽水庫(kù)水質(zhì)趨勢(shì)分析中的應(yīng)用[J].地理與地理信息科學(xué).2004(03): 86-88.

[5]朱佳佳. 九龍江流域水環(huán)境狀況及治理對(duì)策初探[J].水利技術(shù)監(jiān)督.2009,(04):27-29.

[6]孫松.季節(jié)性Kendall檢驗(yàn)法在黃壇水庫(kù)水質(zhì)趨勢(shì)分析中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境研究與監(jiān)測(cè).2011(02): 53-55+28.

[7]董婷婷.遼寧省市際以上界河信息調(diào)查與成果分析[J].中國(guó)水能及電氣化.2016,05:30-32.

[8]王海芝.石質(zhì)山區(qū)坡改梯工程設(shè)計(jì)實(shí)施中的問(wèn)題與思考[J].水利建設(shè)與管理.2014, (12):30-32.

[9]徐飛.沈陽(yáng)地區(qū)水資源短缺原因分析及對(duì)策研究[J].水資源開(kāi)發(fā)與管理.2015(01)：24-26.

[10]郭福厚，梁鳳國(guó).遼寧省濕地資源保護(hù)的對(duì)策分析[J].水土保持應(yīng)用技術(shù).2006，(01)：33-34.

Application of Seasonal Kendall Test Method in Analysis of Water Quality Change Trend of a Reservoir in Fuxin Area

LI Zhong-yan

(Tieling Hydrology Bureau, Liaoning Province; Tieling 112000，Liaoning)

Fuxin City is the water use market in western Liaoning Province. The irrational use of water resources and water pollution in Fuxin City is the main reason for the lack of water resources and extreme water stress in the area. The study of regional water quality trend Water quality changes and regional economic development are essential. By means of seasonal seasonal Kendall test, the water quality trend test of Zhangwu reservoir and Dongbaichengzi reservoir in Fuxin city was carried out. The control indexes such as chemical oxygen demand, PH, dissolved oxygen and permanganate index were analyzed to determine the reservoir The main impact indicators. The analysis shows that the future water quality of Changwu Reservoir and Dongbai Chengzi Reservoir is not changed, and it is classified as class Ⅱ water quality, which can provide guidance and reference for water resources utilization and development measures in Fuxin area.

Kendall test method; water quality change; trend analysis; Fuxin area

2017-02-14

李中艷(1967-)，女，遼寧鐵嶺人，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源勘測(cè)與管理工作。

X824

A

1004-1184(2017)03-0072-03