季節(jié)性kendall檢驗方法在水質(zhì)變化趨勢分析中的應(yīng)用

季節(jié)性kendall檢驗方法在水質(zhì)變化趨勢分析中的應(yīng)用

分析和評價水質(zhì)變化是水質(zhì)評價的重要組成部分。如何評估人類活動以及國家水污染控制措施對全國或地區(qū)性水質(zhì)的影響,一直是國家有關(guān)部門和公眾普遍關(guān)心的環(huán)境問題。目前,國內(nèi)廣泛應(yīng)用的方法是通過間接手段推斷河流水質(zhì)變化趨勢。這種方法是通過污染源調(diào)查,尤其是根據(jù)廢水排放量的變化情況,通過一個“彈性系數(shù)”來表征河流水質(zhì)的可能變化情況。這種方法工作量大,需要摸清整個河流水質(zhì)的很多因素,除了排污量的變化外,還有污水進(jìn)入河流過程的變化、各種污染防治措施的效果及影響等,這些因素對河流水質(zhì)有密切的影響。故單憑污水排放來推斷河流水質(zhì)變化是片面的,不夠準(zhǔn)確。相比于污染源調(diào)查,間接推斷水質(zhì)趨勢的分析方法,借助數(shù)理統(tǒng)計方法,結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)來研究河流水質(zhì)趨勢,則更直接、更具說服力。在水質(zhì)評價研究領(lǐng)域中,常見的趨勢分析方法有回歸分析法、時間序列分析法、水質(zhì)GM趨勢模型、平滑模型、非參數(shù)檢驗法———秩次相關(guān)檢驗法。季節(jié)性Kendall趨勢檢驗方法基于非參數(shù)檢驗法———秩次相關(guān)檢驗法中單調(diào)趨勢(Monotonictrend)的分析原理,只要求滿足誤差獨立性要求,是可以較好處理漏測與“未檢出”信息的方法之一,因此在水質(zhì)趨勢分析中成為應(yīng)用最多的方法之一。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)自20世紀(jì)70年代末就每5年進(jìn)行1次水質(zhì)趨勢分析,美國在全國或州的河流水質(zhì)趨勢評價中采用的方法多為季節(jié)性Kendall趨勢檢驗方法。1季節(jié)氣候測試方法介紹1.1季節(jié)和年份數(shù)據(jù)的統(tǒng)計顯著性趨勢檢驗季節(jié)性Kendall檢驗是Mann-Kendall檢驗的一種推廣,1982年由Hirsch等人提出,同年由Smith、Hirsch和Slack做了進(jìn)一步的修正,并指出:如果有12個時節(jié)的數(shù)據(jù),對于至少3年的全年數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)表仍適用。該檢驗方法的思路是利用多年收集的數(shù)據(jù),分別計算各季節(jié)的Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量S及方差Var(S),再把各季節(jié)的統(tǒng)計量相加,計算總統(tǒng)計量。如果季節(jié)數(shù)和年數(shù)足夠大,那么可以通過比較總統(tǒng)計與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)表來進(jìn)行統(tǒng)計顯著性趨勢檢驗。季節(jié)性Kendall檢驗的原理是將歷年相同月份(或季)的水質(zhì)資料進(jìn)行比較,如果后面的值(在年份上)高于前面的值記為“+”號,否則記作“-”號。如果加號個數(shù)比減號多,則可能為上升趨勢,反之則可能為下降趨勢。如果水質(zhì)資料不存在上升或下降趨勢,則正、負(fù)號的個數(shù)分別占50%。1.2月內(nèi)雙程序水文量統(tǒng)計方法對于季節(jié)性Kendall檢驗來說,零假設(shè)H0為隨機(jī)變量與時間獨立,假定全年12個月的水質(zhì)資料具有相同的概率分布。設(shè)n年P(guān)月的水質(zhì)觀測資料序列X為:式中,x11,…,xnp為水質(zhì)觀測月平均濃度值。令第i月歷年水質(zhì)系列相比較(后面的數(shù)值與前面的數(shù)值之差)的正負(fù)號之和Si為:由此得到,第i月內(nèi)作比較的差值數(shù)據(jù)組個數(shù)mi為:式中,ni為第i月內(nèi)水質(zhì)系列中非漏測值個數(shù)。在零假設(shè)下,隨機(jī)序列Si(i=1,2,…,p)近似地服從正態(tài)分布,則Si的均值和方差分別如下:均值E(Si)=0;方差σ2=Var(Si)=ni(ni-1)(2ni+5)/18。當(dāng)ni個非漏測值中有t個數(shù)相同時,則σ2為:1.3趨勢的檢驗2天津市主要水生功能區(qū)的水質(zhì)變化2.1水功能區(qū)評價的季節(jié)平均濃度水質(zhì)變化趨勢分析時,季節(jié)性Kendall檢驗方法對檢驗對象的具體要求是:檢驗?zāi)陻?shù)一般為5~12年,這里選取2000~2009年天津市水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù);必須保證檢測期內(nèi)歷年月數(shù)(季節(jié))的劃分一致;檢驗期內(nèi)(5~12年)水質(zhì)監(jiān)測站每年監(jiān)測次數(shù)不應(yīng)低于4次;評價時段內(nèi)選擇的評價斷面應(yīng)相同或相近;具有水質(zhì)檢驗項目的季節(jié)平均濃度值。經(jīng)資料分析,天津市水質(zhì)資料符合以上條件要求的水功能區(qū)共有11個,分別是于橋水庫、引灤明渠、爾王莊水庫保護(hù)區(qū),薊運河緩沖區(qū),海河、子牙河飲用、工業(yè)、景觀用水區(qū),子牙河飲用、農(nóng)業(yè)用水區(qū),薊運河、北運河工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū),北運河農(nóng)業(yè)用水區(qū),潮白新河漁業(yè)用水區(qū)。河流類水功能區(qū)參數(shù)包括高錳酸鹽指數(shù)和氨氮;湖庫類水功能區(qū)參數(shù)包括高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮。2.2水功能區(qū)水質(zhì)指標(biāo)單站單項水質(zhì)項目水質(zhì)變化趨勢分析采用季節(jié)性Kendall檢驗方法,用水質(zhì)變化趨勢分析軟件PWQTrend進(jìn)行分析計算。由表1可知,高錳酸鹽指數(shù)評價分析結(jié)果中,有4個水功能區(qū)呈高度顯著下降趨勢,1個水功能區(qū)呈顯著下降趨勢,1個水功能區(qū)呈顯著上升趨勢,5個水功能區(qū)呈無變化趨勢;氨氮濃度評價分析結(jié)果中,有5個呈高度顯著下降趨勢,其他6個水功能區(qū)個無變化趨勢;2個水庫型水功能區(qū)的總氮和總磷濃度無變化趨勢。從高錳酸鹽指數(shù)和氨氮兩項水質(zhì)指標(biāo)來看,于橋水庫保護(hù)區(qū),引灤明渠保護(hù)區(qū),爾王莊水庫保護(hù)區(qū),薊運河工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū),北運河工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū),北運河農(nóng)業(yè)用水區(qū),潮白新河漁業(yè)用水區(qū)的水質(zhì)是趨向好轉(zhuǎn)的;而海河飲用、工業(yè)、景觀用水區(qū),子牙河飲用、農(nóng)業(yè)用水區(qū)水質(zhì)沒有明顯變化趨勢;僅有子牙河飲用、工業(yè)、景觀用水區(qū)的水質(zhì)狀況有所惡化。3天津市子牙河水功能區(qū)管理的未來研究結(jié)果表明,天津市主要供水水源地及飲用水源區(qū)水質(zhì)保持良好并有所好轉(zhuǎn),大部分農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水區(qū)水質(zhì)有顯著好轉(zhuǎn)趨勢,這與天津市政府近10年來高度重