松花江干流水質(zhì)與主要城市取排水量徑流量的關(guān)系

范曉娜，苗 瑩，吳東芳，張繼民

（松遼流域水資源保護(hù)局，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 研究范圍

研究范圍是松花江三岔河口以下，包括松干及拉林河、螞蟻河、湯旺河、呼蘭河、倭肯河、牡丹江等重要支流。

2 數(shù)據(jù)來源與技術(shù)方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

收集2011年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取流域具有代表性水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面14個(gè)，其中松干7個(gè)，支流7個(gè)。松干斷面從上游到下游依次選取了水源地、水泥廠、通河、依蘭、佳木斯、富錦、同江。支流斷面包括拉林河五常、螞蟻河蓮花、湯旺河晨明、呼蘭河蘭西、牡丹江柴河大橋和牡丹江、倭肯河倭肯。取水量、排水量取自《松遼流域水資源公報(bào)》（2011年）。徑流量數(shù)據(jù)取自《黑龍江流域水文年鑒》（2011年）。

2.2 技術(shù)方法

運(yùn)用基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型對(duì)14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，該模型相對(duì)于綜合污染指數(shù)法等模型，可簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，避免評(píng)價(jià)過程的主觀性，能較好反映河流水質(zhì)總體特征。

零維河流完全水質(zhì)模型可以模擬污染水體經(jīng)過一段距離自然稀釋后的水質(zhì)狀況，并與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，分析人為排水對(duì)水質(zhì)的影響程度。

2.2.1 基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型

設(shè)有n個(gè)水體樣本，每個(gè)水體樣本共有p個(gè)觀測(cè)指標(biāo)，即構(gòu)成了一個(gè)n·p階的矩陣xn·p，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，利用水質(zhì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)步驟包括求解初始公共因子及因子荷載矩陣、因子旋轉(zhuǎn)、因子得分以及求指標(biāo)權(quán)重及綜合指標(biāo)值共4步。水質(zhì)模型見表達(dá)式（1）和（2）。

式中：wi為指標(biāo)權(quán)重；y為綜合指標(biāo)值；β為因子得分系數(shù)；e為方差貢獻(xiàn)率；zi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。

公式（1）和（2）構(gòu)成了基于因子分析的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型。y越大說明水體綜合污染程度越嚴(yán)重。利用綜合指標(biāo)值再結(jié)合相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可對(duì)評(píng)價(jià)水體進(jìn)行準(zhǔn)確的分級(jí)[2]。

2.2.2 零維河流完全水質(zhì)模型

利用零維河流完全水質(zhì)模型可以計(jì)算污染物排入水體后隨著距離加大自然稀釋的程度，將計(jì)算得出的污染物自然稀釋濃度與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，分析人為排水對(duì)水質(zhì)的影響。該模型包括污染物混合濃度方程（3）和污染物衰減方程（4）。

式中：Cp為污染物排放濃度，mg/L；Qp為廢水排放量，m3/s；Ck為河流中污染物濃度，mg/L；Qk為河流流量，m3/s。

式中：C0為初始濃度，mg/L；k為衰減系數(shù)；x為所求點(diǎn)距排污口距離；u為河流平均流速。

3 水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)指標(biāo)

以GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[3]，選擇反映流域水環(huán)境特征指標(biāo)的高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮(NH3-N)、總磷（TP）、氟化物（F-）作為水質(zhì)評(píng)價(jià)因子，具體選取14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上述6項(xiàng)污染指標(biāo)的汛期、非汛期、年平均值進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)及水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。

3.2 單因子評(píng)價(jià)

本文選取的14個(gè)斷面6項(xiàng)污染指標(biāo)2011年平均值見表1。

表1 監(jiān)測(cè)斷面主要污染指標(biāo)年平均值 mg/L

由表1可見，松干7個(gè)斷面6項(xiàng)污染指標(biāo)年平均值呈現(xiàn)從上游到下游逐漸增大，佳木斯、富錦、同江3個(gè)斷面化學(xué)需氧量相對(duì)較高。支流7個(gè)斷面6項(xiàng)污染指標(biāo)年平均值大于干流，倭肯各項(xiàng)污染指標(biāo)年平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他斷面。

依據(jù)GB3838-2002對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面2011年汛期、非汛期主要污染指標(biāo)進(jìn)行單因子等級(jí)評(píng)價(jià)，見表2。

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，總體上汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期。松干水質(zhì)從上游到下游逐漸變差，經(jīng)佳木斯后，化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)為Ⅳ類。支流中倭肯斷面汛期氨氮、化學(xué)需氧量為劣Ⅴ類，非汛期氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)為劣Ⅴ類。

3.3 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

運(yùn)用SPSS16.0軟件，對(duì)表1中14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面6項(xiàng)污染指標(biāo)年均值進(jìn)行因子分析，得到兩個(gè)主因子，兩者方差正交化旋轉(zhuǎn)后的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到95.73%，見表3。

將方差貢獻(xiàn)率及因子得分系數(shù)代入公式（1），得到每個(gè)污染指標(biāo)的權(quán)重，見表4。

表2 汛期 非汛期單因子等級(jí)評(píng)價(jià)

表3 旋轉(zhuǎn)后的主因子特征值與方差貢獻(xiàn)率

表4 各污染指標(biāo)的權(quán)重

將標(biāo)準(zhǔn)化后的GB3838-2002中的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化后的各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)分別帶入公式（2），得出水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值及綜合指標(biāo)值。將綜合指標(biāo)值與水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比較可得水質(zhì)級(jí)別，結(jié)果見表5和表6。

表5 水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表6 各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)綜合指標(biāo)值及評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用基于因子定權(quán)分析的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果基本上與實(shí)測(cè)水質(zhì)情況相吻合。松干上游斷面水質(zhì)優(yōu)于下游，支流中五常、蓮花斷面水質(zhì)較好，水質(zhì)級(jí)別為Ⅱ級(jí)，倭肯斷面水質(zhì)最差，水質(zhì)級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

4 基于零維河流水質(zhì)模型的水質(zhì)模擬

以氨氮為例，計(jì)算理論上衰減度與實(shí)測(cè)值差別。選取二水源和牡丹江監(jiān)測(cè)斷面，其汛期、非汛期及全年氨氮實(shí)測(cè)濃度見表7。

表7 氨氮實(shí)測(cè)濃度 g/L

為計(jì)算二水源和牡丹江斷面氨氮隨河水流動(dòng)一段距離后的稀釋程度，松干選取了位于哈爾濱市上游的二水源斷面及其下游的水泥廠斷面，斷面間距18.5 km，沒有支流匯入，該江段平均流速為0.4 m/s,衰減系數(shù)選取0.255；支流牡丹江選取牡丹江市上游牡丹江斷面及其下游的柴河大橋斷面，斷面間距76.9 km，沒有支流匯入，該江段平均流速為0.27 m/s，衰減系數(shù)選取0.22。經(jīng)過污染物衰減模型計(jì)算后，得到了水泥廠和柴河大橋汛期、非汛期及全年氨氮濃度計(jì)算值，與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果見表8。

表8 氨氮監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比 mg/L

表8中監(jiān)測(cè)值遠(yuǎn)大于計(jì)算值，一般是計(jì)算值的2倍到4倍，最大的可達(dá)5倍多。計(jì)算區(qū)間沒有支流匯入，但區(qū)間分別流經(jīng)哈爾濱市、牡丹江市兩個(gè)城市。由此可見，污染物在河流中的濃度并非完全自然衰減，而在很大程度上受到工業(yè)廢水和生活污水排放的影響[4]。所以，河水中污染物濃度值是自然與人為活動(dòng)共同作用結(jié)果，研究江段人為排水對(duì)水質(zhì)造成的影響占主要因素。

5 取水量 排水量 徑流量對(duì)河流水質(zhì)影響

選取流域內(nèi)特大城市哈爾濱市、大型城市牡丹江市，分析2個(gè)城市的取水量、排水量、徑流量對(duì)河流水質(zhì)的影響。哈爾濱市、牡丹江市2011年取水量、排水量、徑流量及所占比例見表9。

哈爾濱市是黑龍江省省會(huì)，其工業(yè)取水、城市生活用水及廢污水排放量巨大，但由于哈爾濱市位于松干上游，河水徑流量較大，為324.8億m3，取水量占徑流量18.71%，排水量?jī)H占徑流量8.30%，河流自凈能力強(qiáng)，故該河段水質(zhì)很好，無論是汛期還是非汛期水質(zhì)均是Ⅲ類。

表9 兩城市取水量 排水量 徑流量對(duì)比 106 m3/a

牡丹江市是黑龍江省重要的工業(yè)城市，2011年其生產(chǎn)總值是哈爾濱市的1/5，取、排水量分別占哈爾濱市取、排水量的23%、31%，但是牡丹江市江段水質(zhì)較松干哈爾濱市江段水質(zhì)差，柴河大橋斷面水質(zhì)全年是Ⅳ類，水質(zhì)綜合指標(biāo)值為Ⅳ級(jí)。牡丹江水文監(jiān)測(cè)斷面年徑流量相對(duì)小，但取、排水量占徑流量比例高，分別為47.11%、27.31%。河流徑流量小，取水量大，自凈能力下降，同時(shí)又有大量污水排入，致使江水流過牡丹江市后水質(zhì)由Ⅲ類下降到Ⅳ類。

6 結(jié)語

1）松干上游水質(zhì)較好，流經(jīng)哈爾濱市后，雖然接納了大量城市污水，因徑流量大，江水自凈能力較強(qiáng)，水質(zhì)仍為Ⅲ類，但在流經(jīng)佳木斯后，隨著幾個(gè)中型城市污水不斷匯入，松干下游水質(zhì)下降到Ⅳ類。支流螞蟻河水質(zhì)較好，全年為Ⅲ類，但其他支流徑流量小，排污量大，水質(zhì)都很差，大部分為Ⅳ類水質(zhì)，倭肯河水質(zhì)最差，劣Ⅴ類。

2）研究范圍內(nèi)各城市取水量和排水量呈正比關(guān)系，排水量對(duì)江水水質(zhì)影響在一定程度上受徑流量的控制[4]。從哈爾濱市、牡丹江市取排水量與徑流量關(guān)系分析可知，人為生活與工業(yè)污水排放對(duì)江水水質(zhì)影響較大。相對(duì)于干流而言，支流徑流量小，水環(huán)境容量小，排水對(duì)河流水質(zhì)影響極大。

3）保護(hù)松花江干流水環(huán)境十分重要，為流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水資源保障，更具有重要的國際意義。為此，松遼流域應(yīng)深入實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度，確保流域水環(huán)境的良性循環(huán)。

［1］毛民治.松花江志［M］.長(zhǎng)春：吉林人民出版社，2000.

［2］李文生，許士國.基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（3）：444-446.

［3］GB3838-2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］湯潔.第二松花水質(zhì)與主要城市取排水量、徑流關(guān)系研究［J］.水文，2010，30（6）：65-69.