遼河干流水質(zhì)時空變化規(guī)律探析

梁 爽

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

1 概 述

遼河干流自上游至下游沿程流經(jīng)鐵嶺市、沈陽市、盤錦市、阜新市和錦州市5個城市，共有廢水污染企業(yè)13家。從廢水污染企業(yè)分布來看，盤錦市分布廢水污染企業(yè)5家，為遼河干流段分布廢水污染企業(yè)最多的城市，鐵嶺市分布廢水污染企業(yè)3家，錦州市、阜新市分布廢水污染企業(yè)各2家，沈陽市在遼河干流分布廢水污染企業(yè)1家。從廢水污染成分來看，盤錦市廢水污染主要是石油化工行業(yè)污染，污染物質(zhì)以石油類污染物為主；鐵嶺段和阜新段主要是畜牧行業(yè)污染，污染物質(zhì)以磷為主；沈陽段和錦州段主要是造紙行業(yè)污染，污染物質(zhì)以木質(zhì)素、纖維素為主。

遼河流域中水利工程調(diào)控能力強(qiáng)，河道徑流特征受水庫調(diào)節(jié)影響明顯。遼河流域是我國北方工業(yè)化、城市化發(fā)展速度較快的地區(qū)，流域內(nèi)分布有多座快速發(fā)展的大中型城市，流域內(nèi)生產(chǎn)生活用水?dāng)D占農(nóng)業(yè)用水、國民經(jīng)濟(jì)用水?dāng)D占生態(tài)環(huán)境用水的現(xiàn)象比較突出。由于城市化工業(yè)化的發(fā)展不僅用水量大，且要求保障率高，其需水過程相對穩(wěn)定。這一用水特征和自然降雨徑流特性存在根本的差異，因此也決定了在遼河流域水利工程調(diào)節(jié)的不可替代性。通過這些水利工程的基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)揮其蓄豐補(bǔ)枯調(diào)節(jié)徑流的基本功能，才保障了遼河流域多年持續(xù)的社會經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展。

2 水環(huán)境功能狀況

遼河干流遼中斷面多年平均水資源利用率為17.59%，生態(tài)基流滿足程度良好。地下水埋深2-3m，在遼河口有雙臺河口重要濕地的敏感生態(tài)需水要求，其生態(tài)需水滿足程度中等。在流域尺度上，污染物入河排放量過高，水土流失嚴(yán)重。該區(qū)工業(yè)化程度較高，密集的工業(yè)生產(chǎn)使單位面積污染負(fù)荷較高。不合理的土地利用方式造成繞陽河和柳河上游地區(qū)水土流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重，泥沙進(jìn)入河床淤積，使柳河口以下部分河段已成為地上懸河。在河流廊道方面，縱向連通性受損，河流水體污染嚴(yán)重。水利工程分布密度較高，造成河流的縱向連通受阻，影響了魚類等季節(jié)性生物的洄游；生產(chǎn)生活不合理排污入河導(dǎo)致河流水質(zhì)狀況較差，局部河段水質(zhì)為劣Ⅴ類。在棲息地方面，天然湖泊、濕地大面積退化。該區(qū)擁有重要濕地雙臺河口濕地和臥龍湖濕地。河口濕地由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和油田的過度開采導(dǎo)致天然濕地面積被大量侵占；而降水量的減少、上游水利工程的興建和農(nóng)業(yè)開發(fā)擠占生態(tài)用水，使得濕地淡水減少，加之海平面上升、海水入侵等，打破了原有的水鹽平衡和水沙平衡，使得天然濕地面積嚴(yán)重退化，生物棲息地環(huán)境發(fā)生變化，生物多樣性減少。臥龍湖濕地受干旱、開采和環(huán)湖堤壩的影響，生態(tài)需水不足，湖泊面積萎縮嚴(yán)重，加上沿湖的幾萬畝灘涂被水田和水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)所侵占，使鳥類等生物失去了棲息的場所，生物多樣性受到威脅。

3 遼河干流水質(zhì)時空變化分析

3.1 季節(jié)性Kendall檢驗數(shù)學(xué)模型

零假設(shè)H0是與時間獨立的隨機(jī)變量,況且年各月水質(zhì)資料分布相同,設(shè)n年P(guān)月的水質(zhì)監(jiān)測資料序列X為

(1)

式中:x11x12…x1p為每月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值。

1)對于P月中的第i(i

歷年第i月水質(zhì)序列值相比較(后面與前面序列值之差)的正負(fù)號之和Si為

(2)

第i月差值數(shù)據(jù)組的個數(shù)mi為

(3)

式中:ni為第i月水質(zhì)序列中非漏測數(shù)值的個數(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的均值和方差分別為：

(4)

其中當(dāng)ni個非漏測值中有i個數(shù)相同時,方差var(Si)為

(5)

2)對于P月的總體情況

(6)

式中：Sh和Si(h≠i)都是獨立的隨機(jī)變量,即Si=f(Xh),其中Xi為i月歷年的水質(zhì)序列,Xh為h月歷年的水質(zhì)序列,且Xi∩Xh=φ;由于Xi是i月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),Xh是h月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),而且水質(zhì)數(shù)據(jù)序列X中的元素是獨立的,因此,協(xié)方差cov(Si,Sh),故：

(7)

其中,當(dāng)n年水質(zhì)序列中有i個數(shù)相同時,方差var(S)為

(8)

而當(dāng),n>10時,S同時也服從正態(tài)分布,且標(biāo)準(zhǔn)差Z為:

(9)

3 趨勢檢驗

季節(jié)性Kendall檢驗法就是將歷年相同月(季度)間的水質(zhì)監(jiān)測資料進(jìn)行相應(yīng)地比較,避免了季節(jié)性的影響,但考慮到遼河干流降雨年際間的變化,本次分析按汛期和非汛期進(jìn)行處理,使得水質(zhì)變化趨勢分析更為合理。

3.2 時間變化趨勢分析

由于水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的隨機(jī)性特別強(qiáng)，長系列的數(shù)據(jù)將會將當(dāng)前的趨勢隱藏，使用短系列的數(shù)據(jù)往往又不能確定趨勢[1]，因此數(shù)據(jù)的系列一般選取5-8年。為確保趨勢分析的可靠性，在此收集了遼河干流由上游至下游福德店、三合屯、朱爾山、馬虎山、紅廟子、盤錦興安、曙光大橋、趙圈河8個斷面2013-2018年的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并選擇了COD、氨氮2個指標(biāo)進(jìn)行分析。應(yīng)用上述構(gòu)建的模型分別將遼河干流8個斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入季節(jié)性Kendall檢驗法中進(jìn)行計算，結(jié)果見表1、表2。

表1 2013-2018年遼河干流水質(zhì)變化趨勢分析結(jié)果(COD)

表2 2013-2018年遼河干流水質(zhì)變化趨勢分析結(jié)果(氨氮)

由表1可以看出，在多年COD趨勢檢驗中，遼河干流的水質(zhì)總體呈現(xiàn)良好趨勢，8個評價斷面中，COD濃度無明顯升降趨勢的斷面占37.5%，呈下降趨勢的占37.5%，呈上升趨勢的占25%。

由表2得出，在多年氨氮趨勢檢驗中，遼河干流的水質(zhì)總體也呈現(xiàn)出良好的趨勢，8個評價斷面中，除了3個斷面氨氮濃度無明顯升降趨勢的外，5個斷面呈下降趨勢，占總體的62.5%，其中三合屯、朱爾山、盤錦興安、曙光大橋4個斷面更呈高度顯著下降的趨勢。

并根據(jù)2016-2018年遼河干流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ，各斷面COD和氨氮平均值逐月變化情況見圖1和圖2。通過COD和氨氮濃度逐月變化圖可見：①整體而言，COD的峰值多出現(xiàn)在3月或5月，除了三合屯斷面5月份COD濃度超Ⅳ類外，各斷面COD逐月濃度均優(yōu)于或接近Ⅳ類水質(zhì)控制值；②氨氮的峰值多出現(xiàn)在3-4月份，三合屯和馬虎山兩個斷面4月份的氨氮濃度超Ⅳ類，其他斷面均達(dá)Ⅳ類水質(zhì)控制值，氨氮逐月濃度整體表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢[2]，5-10月份水質(zhì)優(yōu)于其他月份。

圖1 遼河干流COD濃度逐月變化圖

圖2 遼河干流氨氮濃度逐月變化圖

3.3 空間變化趨勢分析

遼河干流2016-2018年水質(zhì)年平均值沿程變化圖3和圖4。從圖中可以看出：①COD濃度的極大值在2016年、2018年均出現(xiàn)在三合屯斷面，2017年出現(xiàn)在福德店斷面。②整體水質(zhì)良好，8個斷面的COD濃度均達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)。③COD濃度沿程大體呈現(xiàn)下降趨勢。④氨氮濃度歷年的極大值均出現(xiàn)在曙光大橋，2016-2018年分別達(dá)到了0.96 mg/L、0.86 mg/L、0.90 mg/L。8個斷面的氨氮濃度均達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)。

圖3 遼河干流COD濃度沿程變化圖

圖4 遼河干流氨氮濃度沿程變化圖

4 結(jié) 語

通過上述分析可知，遼河干流水質(zhì)基本達(dá)到Ⅳ類，河流水質(zhì)有所改善，水生態(tài)將得到顯著恢復(fù)。遼河干流徑流量主要來源于遼寧省境內(nèi)的區(qū)間產(chǎn)流，由于遼寧省近年來用水基本保持穩(wěn)定，且區(qū)間大型水庫多位于支流、調(diào)節(jié)能力有限，流域的水文情勢的年際和年內(nèi)變化主要受上游境外來流的影響[10]。