多方法非参数评估揭示台北都会区淡水河流域水质趋势与突变点：化学水质改善与微生物风险上升（2010–2026）

《Frontiers in Ecology and Evolution》：Multi-method non-parametric assessment of river water-quality trends and change-points in the Danshui River basin, metropolitan Taipei (2010–2026)

　　

淡水河（Danshui River）流经台北都会区，二十年来不断扩大的污水下水道接管与河岸人工湿地（constructed wetlands）一直以河流污染治理为目标。研究人员利用环境部11个监测站（2010–2026）的1,921个连续月度样本记录，通过多方法非参数设计评估了六项实测水质变量及由其中四项计算得到的河川污染指数（River Pollution Index, RPI）的趋势与突变点，所用方法包括 Mann–Kendall 检验和季节性 Mann–Kendall 检验、方差校正的改进 Mann–Kendall 检验、Theil–Sen 斜率、Pettitt 与序列 Mann–Kendall 突变点检验、Innovative Trend Analysis（ITA），以及同步置换 Monte Carlo 场显著性（field significance）检验。悬浮固体（suspended solids, SS）、氨（ammonia）和五日生化需氧量（five-day biochemical oxygen demand, BOD₅）分别在11个站点中的9、8和6个站点下降，且均具有场显著性（Monte Carlo p ≤ 0.006）；在排除不完整的2026年记录后，早期（2010–2012）与晚期（2023–2025）子时段之间，流域平均河川污染指数由3.83降至3.20，重度污染样本比例由11.1%降至2.5%。这些下降在8个完整记录站点上持续存在，因此并非监测网络更替造成的假象。溶解氧（dissolved oxygen, DO）没有改善，即便水温显著上升（+0.15 °C yr^-1），因此氧条件只是在降低溶解度的增暖背景下维持不变。与此改善相对，大肠菌群（coliform group）在多数站点上升，其突变点分散于2013–2024年，而非形成单一阶跃；最大处理厂出水大肠菌群对数去除率（effluent-coliform log-removal）在2024年后崩溃，且河流大肠菌群与降雨无关联，指向消毒不足的点源出水（point-source effluent）。该流域的管理重点已从有机物和营养物控制转向微生物风险和消毒（disinfection）。

研究背景与问题：淡水河及其支流流经台北盆地这一高密度城市区域，长期受生活、工业与农业排放影响。全球范围内，大量废水仍未经处理进入环境，城市河流水质在干旱、热浪和长期增暖下常退化，粪便指示菌是即使处理较充分地区也常超标的组分。淡水河流域自2000年代以来以污水下水道接管、截流和河岸人工湿地推进修复；Cheng 等对同一流域1993–2010年的评估认为，随着接管扩大和湿地运行，水质已开始恢复。2010年后主要污水工程趋于成熟，恢复是否延续、停滞或反转，以及哪些污染物负担仍存在，成为需要长记录回答的问题。研究人员因此对2010–2026年记录开展多方法非参数评估，以判断趋势真实性、变化时间、污染物差异和场显著性。研究结论是：SS、氨和BOD₅在多数站点场显著下降，RPI在多数站点下降；DO无场显著改善；大肠菌群在多数站点上升，提示管理重点转向微生物风险和消毒。其意义在于以收敛的非参数设计和多重比较防护，区分真实流域信号与季节性、序列相关、网络更替和偶然显著。

关键技术方法（≤250字）：样本队列来自台湾环境部国家环境水质监测数据库，覆盖淡水河流域11个站点，月度记录自2010–2026年，去重后1,921个样本；其中8个站点具完整记录，另有2022年新增和退役站点，用于网络更替稳健性检验。辅助数据包括流域市政处理厂月度处理量（2016–2025）、Bali 厂进出水质含大肠菌群（2022–2026）和 Dihua 再生厂水质（2025–2026）、42个雨量站日降雨（2007–2026）及家庭接管与污水处理率统计。方法为 Mann–Kendall（MK）、季节性 Mann–Kendall（SMK）、改进 Mann–Kendall（mMK）、Theil–Sen 斜率、Pettitt 与序列 Mann–Kendall 突变点、Innovative Trend Analysis（ITA）、同步置换 Monte Carlo 场显著性、站点 bootstrap 和 Spearman 相关。

研究结果：
3.1 水质状况与分布：通过早期与晚期子时段及全记录统计，研究人员得出BOD₅、SS、NH₃-N和RPI中位数下降，大肠菌群上升，DO未改善并在记录内呈U形，约2019–2020年降至低位后恢复。
3.2 单调趋势：MK、SMK和mMK表明SS、NH₃-N、BOD₅下降，RPI在10/11站下降；DO仅2站上升，COD混合。
3.3 趋势幅度与 ITA：Theil–Sen 给出流域中位斜率，SS和RPI下降幅度显著；ITA显示NH₃-N高值样本下降更多，符合集中污水被去除而非单纯稀释。
3.4 突变点分析：Pettitt 和序列MK将DO、BOD₅、NH₃-N和RPI的共同变化定于约2021年，SS较早为2015年，COD和大肠菌群突变点分散。
3.5 RPI 空间格局：空间图显示2021年后RPI下降最明显在基隆河；重度污染样本比例由11.1%降至2.5%，未污染比例由20.4%升至25.9%，流域均值RPI由3.83降至3.20。
3.6 微生物反向趋势：大肠菌群在全网络7/11站和完整记录站5/8站显著上升，站点突变点分散于2013–2024年，不宜用单一Theil–Sen斜率描述。
3.7 场显著性（Monte Carlo）：同步置换Monte Carlo显示RPI、SS、NH₃-N、BOD₅下降和大肠菌群上升具有场显著性；DO的2个显著站落入随机期望，无场显著趋势；COD边缘且方向混合。
3.8 对站点更替的稳健性：在8个完整记录站重算后，氨、SS、RPI、BOD₅和大肠菌群结果与全网络一致，结论不依赖2022年网络变化。
3.9 驱动因素的辅助证据：水温显著上升（+0.15 °C yr^-1，p=0.015），DO未相应上升；河流大肠菌群与月降雨无关联（ρ=?0.01，p=0.89）；Bali 厂处理量约1.3×10⁶ m³ d^-1，2024年后出水大肠菌群对数去除率由约4.0降至约1.5，而出水几何均值大肠菌群升至约10⁵–10⁶ CFU (100 mL)^-1；Dihua 再生厂消毒后维持约5×10² CFU (100 mL)^-1。

讨论部分总结：研究认为2010–2026年化学水质改善延续，SS、氨和BOD₅下降在普通、季节、改进MK、ITA和Monte Carlo场显著性间一致，但这是方法稳健性而非因果证明。DO未获场显著改善，RPI下降可由BOD₅、SS、NH₃-N下降拉动，水温上升使氧溶解度下降，DO仅维持。多个化学变量约2020–2021年共同突变，可能与接管阈值或2020–2022活动减少有关，但观测数据不能定因。氨和BOD₅下降与家庭接管、雨水管和泵站截污相符；COD反映可生物降解组分先被去除而难降解残留上升；基隆河SS下降与2005年上游洪水导流、污水固形物截留和台风气候有关；DO受增暖、低流、有限硝化和沉积物耗氧影响；大肠菌群上升更符合消毒不足点源而非降雨漫流或鸟类主导。方法上，普通、季节、改进MK与ITA、突变点和场显著性构成收敛且控制多重性的设计；局限包括网络变更、月采样混叠短事件、大肠菌群方法/承包商变化和2026年不完整。与Cheng 等1993–2010年评估相比，氨和BOD₅继续改善，DO从改善转为无场显著趋势，SS由升高反转为下降，大肠菌群由下降反转为上升，管理议程转向微生物风险和消毒。

结论翻译：在连续的2010–2026年记录中，淡水河流域化学水质呈广泛且空间一致的改善。SS、氨和BOD₅在具场显著性的多数站点下降，分别为11站中的9、8和6站（Monte Carlo p ≤ 0.006），综合RPI在11站中的10站下降。排除不完整且仅覆盖旱季的2026年后，早期（2010–2012）与晚期（2023–2025）之间，流域平均RPI由3.83降至3.20，重度污染样本比例由11.1%降至2.5%，基隆河年均RPI由3.81降至3.00；这些下降在8个完整记录站上同样强，故不依赖记录中期网络变化。DO无场显著趋势且未改善，在水温显著升高（+0.15 °C yr^-1）下仅维持，抵抗氧饱和度上限下降。Pettitt和序列MK将共同变化定于约2020–2021年，ITA显示氨最高样本下降最多。逐变量看，趋势对应可识别驱动：家庭污水接管去除经雨水管和泵站入河的污水，影响氨和BOD₅；2005年上游洪水导流和原污水固形物截留影响基隆河SS；增暖、低流氧状况抵消负荷下降；处理流程去除有机物和营养物，但无消毒则不去除粪便细菌。一个变量反向：大肠菌群在多数站上升，突变点分散于2013–2024年，标志粪便污染为流域未解问题。最大处理厂出水记录显示2024年后消毒崩溃，且河流大肠菌群无降雨关联，指向持续、消毒不足的点源排放，而非漫流或纯分析假象。数据为观测性，研究人员报告为关联；微生物趋势标记仍需关闭的路径。方法学上，普通、季节、改进MK与ITA、突变点检测和Monte Carlo场显著性一致，说明收敛且多重性防护的设计适用于城市河流噪声记录。对流域管理，结果重设议程：有机物和营养物治理已基本获胜并保持，粪便微生物污染成为约束；最直接杠杆是主要市政排放消毒，并常规核对细菌监测记录与实验室方法和承包商变化，以避免真实环境信号与分析方法变化混淆。