遼河保護區(qū)水質(zhì)時空分布特征及其影響因素

李明月，錢鋒，李丹，段亮*

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所

2010年3月，遼寧省劃定遼河保護區(qū)，設(shè)立保護區(qū)管理局，成立國內(nèi)第一個以流域綜合管理與行政區(qū)域管理相結(jié)合的河流管理機構(gòu)，使遼河治理和保護工作由過去的多龍治水、分段管理、條塊分割向統(tǒng)籌規(guī)劃、集中治理、全面保護轉(zhuǎn)變[1-2]。保護區(qū)劃定前，遼河干、支流水體污染嚴(yán)重，由于水資源比較匱乏，流量季節(jié)性變化明顯，而過度的水資源開發(fā)加劇了水體污染，使河流水環(huán)境功能下降[3]。遼河保護區(qū)劃定以來，遼寧省先后采取了關(guān)停中小污染企業(yè)、退耕還河、自然封育以及恢復(fù)濕地等工程與管理措施[4]，極大地改善了遼河干流水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境。但遼河保護區(qū)的綜合治理是一項系統(tǒng)工程，具有長期性、復(fù)雜性和艱巨性，現(xiàn)仍存在較多生態(tài)環(huán)境問題亟待解決。如根據(jù)《水污染防治行動計劃》提出的考核目標(biāo)，遼河流域2020年優(yōu)良水質(zhì)(GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì))斷面比例總體應(yīng)達70%以上，但實際上2019年遼河流域優(yōu)良水質(zhì)斷面比例尚不足60%[5-6]。因此，有必要對水環(huán)境進行時空一體化研究，對水質(zhì)變化趨勢進行合理評價，為后續(xù)有針對性地制定水環(huán)境治理規(guī)劃和方案提供依據(jù)。筆者通過對遼河保護區(qū)劃定前后14年水環(huán)境的時空一體化研究，初步識別流域水質(zhì)及主要污染物時空分布特征，探討保護區(qū)模式下影響水質(zhì)的主要污染因子，以期為遼河保護區(qū)乃至遼河流域的水污染治理與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河保護區(qū)(121°41′E～123°55′30″E，40°47′N～43°02′N)始于東、西遼河交匯處的福德店，終于盤錦入?？冢婕拌F嶺、沈陽、鞍山、盤錦4個市及其所轄的13個縣(區(qū))，68個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、場)，286個村(圖1)，河長538 km，面積為1 869.2 km2。所屬氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為4～9 ℃，平均降水量為600～700 mm，且主要集中在6—9月；地貌類型以平原為主，地勢平坦，灘地開闊，河道迂回曲折；主要土壤類型為草甸土、潮土和沼澤土。遼河保護區(qū)生物多樣性較為豐富，2016—2017年共監(jiān)測到植物234種、兩棲動物2種、爬行動物3種、哺乳動物9種、昆蟲350種、魚類34種、鳥類不少于85種[7]。

圖1 遼河保護區(qū)范圍及監(jiān)測斷面分布示意Fig.1 Scope of Liaohe Conservation Area and distribution of monitoring sections

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

在綜合考慮遼河保護區(qū)水質(zhì)時空代表性及資料數(shù)據(jù)完整性的基礎(chǔ)上，選取遼河保護區(qū)福德店、三合屯以及珠爾山等8個斷面2006—2019年的水質(zhì)監(jiān)測月數(shù)據(jù)或年數(shù)據(jù)，研究保護區(qū)劃定前后(2006—2010年為劃定前，2011—2019年為劃定后)水質(zhì)及主要污染因子時空變化特征，并對其時空差異性進行分析與評價。其中，上游鐵嶺段涉及福德店、三合屯和珠爾山3個斷面；中游沈陽段涉及馬虎山、紅廟子2個斷面；下游鞍山、盤錦段涉及盤錦興安、曙光大橋及趙圈河3個斷面。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)由遼河凌河保護區(qū)管理局提供。

1.2.2評價與分析方法

化學(xué)需氧量(COD)和氨氮是我國河流水體重要的污染因子，已有對遼河水質(zhì)的評價結(jié)果也表明，影響遼河流域水質(zhì)的首要污染因子是COD和氨氮[8-10]。因此，選取水體COD和氨氮對遼河保護區(qū)干流水體主要污染物的時空變化進行分析及評價。

依據(jù)GB 3838—2002，采用單因子評價法對保護區(qū)2006—2019年8個斷面的COD與氨氮濃度的年均值進行評價，通過對比單項指標(biāo)測試值與水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)值，判斷水質(zhì)類別，分析主要污染因子、污染時段和污染區(qū)域[11-12]。采用箱線圖法分析主要污染因子的時間分布特征，該方法已在河流水質(zhì)評價中應(yīng)用，可清楚反映復(fù)雜、龐大監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，直觀描述各年份監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布特點[13-14]；應(yīng)用克里金插值法分析主要污染因子的空間分布特征，并用聚類分析對相似斷面進行歸類[15]，以實現(xiàn)評價結(jié)果的可視化表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 保護區(qū)劃定前后水質(zhì)時空分布特征

2006—2019年遼河保護區(qū)干流水質(zhì)年平均評價結(jié)果如表1所示。由表1可知，保護區(qū)劃定前5年(2006年—2010年)，干流各斷面水質(zhì)均為劣Ⅴ類。其中，2006—2008年，各斷面COD、氨氮均有不同程度的超標(biāo)；2009—2010年，各斷面均以氨氮超標(biāo)為主。2011—2015年，遼河保護區(qū)干流水污染趨勢基本得到遏制，消除了劣Ⅴ類水質(zhì)斷面，斷面水質(zhì)約有32.5%達到Ⅲ類，67.5%為Ⅳ類，主要超標(biāo)因子為COD和氨氮；2016—2019年，斷面水質(zhì)僅有17.24%達到Ⅲ類，79.31%達到Ⅳ類，其余則為Ⅴ類，主要超標(biāo)因子為COD?？梢姡Ｗo區(qū)劃定前，遼河保護區(qū)干流水質(zhì)污染嚴(yán)重，主要污染因子為COD和氨氮；遼河保護區(qū)劃定后，水質(zhì)改善明顯，之后略有波動，但總體趨于穩(wěn)定，基本維持在Ⅲ類～Ⅳ類水質(zhì)，水體由COD、氨氮復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變?yōu)橐訡OD為主的單一型污染。

從空間上分布來看，2006—2010年，遼河保護區(qū)干流上游各斷面水質(zhì)均為劣Ⅴ類；中游斷面水質(zhì)有30%為Ⅴ類，其余為劣Ⅴ類；下游斷面水質(zhì)有13.33%為Ⅴ類，其余為劣Ⅴ類，說明保護區(qū)劃定前中游水質(zhì)略優(yōu)于上、下游。2011—2015年，各斷面均出現(xiàn)了不同比例的優(yōu)良水質(zhì)，其中上游斷面水質(zhì)達到Ⅲ類的比例為26.67%，中游斷面為60.00%，下游斷面為26.67%，說明保護區(qū)水質(zhì)整體上得到了較大的改善，尤其是中游水質(zhì)明顯優(yōu)于上、下游。2016—2019年，各斷面水質(zhì)達到Ⅲ類的比例都略有下降，上游各斷面水質(zhì)均為Ⅳ類或Ⅴ類，沒有斷面水質(zhì)達到Ⅲ類；中、下游也有斷面水質(zhì)是Ⅳ類，但達到Ⅲ類的比例均為25.0%，說明中、下游水質(zhì)優(yōu)于上游。

表1 2006—2019年遼河保護區(qū)干流水質(zhì)評價結(jié)果

2.2 保護區(qū)劃定前后主要污染因子時空分布特征

2.2.1年際變化趨勢

圖2 遼河保護區(qū)干流各斷面水體污染因子年際變化趨勢Fig.2 Annual variation trend of pollutants concentration in each section of the main stream of Liaohe Conservation Area

圖3 遼河保護區(qū)干流不同時間段COD空間分布Fig.3 Spatial distribution of COD in different periods in Liaohe Conservation Area

遼河保護區(qū)干流各斷面水體污染因子年際變化趨勢如圖2所示。由圖2(a)可知，2006—2008年，遼河保護區(qū)干流水體COD較高，各斷面數(shù)值波動范圍較大，但均超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(40 mgL)，最高值為2006年的三合屯斷面(119.89 mgL)；2009—2010年，水體COD明顯降低，表明水體有機污染程度有緩解趨勢。2011—2015年，水體COD持續(xù)降低，尤其是2013年各斷面數(shù)值相近且均未超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；2016—2019年，各斷面COD略有波動，呈微弱上升趨勢，在2018年達較高值，之后有所降低。遼河保護區(qū)干流COD的年際變化趨勢與水質(zhì)類別變化基本吻合，14年間整體呈現(xiàn)先降低，之后有所波動的趨勢，目前總體穩(wěn)定在Ⅳ類水質(zhì)。

由圖2(b)可知，氨氮濃度的變化趨勢與COD基本一致，表現(xiàn)為先降低，而后略微波動，目前總體趨于穩(wěn)定。2006—2010年，水體氨氮濃度普遍較高，基本為劣Ⅴ類水質(zhì)，最高值為2006年的三合屯斷面(6.57 mgL)。2011—2015年，氨氮濃度快速降至2 mgL以下，并一直維持平穩(wěn)降低趨勢；2016—2019年，多數(shù)斷面的氨氮濃度基本維持在1.5 mgL以下，2018年略有波動，稍高于保護區(qū)劃定后其他年份的氨氮濃度。

2.2.2空間變化趨勢

遼河保護區(qū)干流不同時間段COD空間分布如圖3所示。由圖3可知，2006—2010年，上游的三合屯、珠爾山斷面以及下游的盤錦興安、曙光大橋斷面COD均較高，而保護區(qū)入境的福德店斷面、中游斷面及出境趙圈河斷面的COD普遍較低。2011—2015年，中游的紅廟子、馬虎山斷面COD最低，其次為珠爾山、盤錦興安斷面，而三合屯、福德店、曙光大橋及趙圈河斷面濃度較高。2016—2019年，水體COD的空間分布與保護區(qū)劃定前基本一致，但整體低于保護區(qū)劃定前?？傮w來看，無論是保護區(qū)劃定前還是劃定后，從上游至下游COD均呈先升高后降低再升高的變化趨勢，中游有機污染程度低于上、下游。

遼河保護區(qū)干流不同時間段氨氮濃度空間分布如圖4所示。由圖4可知，氨氮濃度在空間分布上與COD略有區(qū)別，但整體一致。2006—2010年，上游的三合屯斷面、下游的曙光大橋斷面氨氮濃度較高，其次為入境的福德店斷面、出境的趙圈河斷面，濃度較低的為中間4個斷面，但所有斷面的氨氮濃度都在2 mgL以上。2011—2015年，水體氨氮濃度整體較2006—2010年降低，皆未超過1.50 mgL，但空間分布上依舊是中游濃度低于上、下游；2016—2019年，氨氮濃度的空間分布與2006—2010年、2011—2015年的空間分布基本一致，上游的三合屯、珠爾山斷面，下游的曙光大橋及趙圈河斷面氨氮濃度較高，其次為入境的福德店斷面及下游的盤錦興安斷面，濃度最低的為中游的2個斷面?？梢?，無論是保護區(qū)劃定前還是劃定后，從上游至下游氨氮濃度均呈先升高后降低再升高的變化趨勢，中游污染程度低于上、下游。

圖4 遼河保護區(qū)干流不同時間段氨氮濃度空間分布Fig.4 Spatial distribution of ammonia nitrogen concentrations in different periods in Liaohe Conservation Area

對2006—2019年各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)COD與氨氮進行聚類分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知，各監(jiān)測斷面COD空間分布趨勢與其分類基本一致：馬虎山和紅廟、盤錦興安和曙光大橋兩兩距離最為接近，分別合并成一類；珠爾山與馬虎山、紅廟子連成一類，趙圈橋與盤錦興安、曙光大橋連成一類；然后是2個大類合并成一類與三合屯斷面相連。由圖5(b)可知，各監(jiān)測斷面氨氮濃度的空間分布趨勢與其分類也基本一致：馬虎山和紅廟子、珠爾山和趙圈橋、盤錦興安和曙光大橋兩兩距離最為接近，分別合并成一類；馬虎山、紅廟子與珠爾山、趙圈橋二者連成一類；4個斷面(馬虎山、紅廟子、珠爾山、趙圈橋)形成的大類與2個斷面(盤錦興安、曙光大橋)合并成一類并與三合屯斷面相連。

圖5 2006—2019年遼河保護區(qū)干流 各監(jiān)測斷面污染因子聚類分析Fig.5 Cluster analysis of water quality indexes of monitoring sections of main stream in Liaohe Conservation Area from 2006 to 2019

2.3 保護區(qū)水質(zhì)時空變化原因分析

時間上，保護區(qū)劃定前，遼河流域由于長期高強度開發(fā)導(dǎo)致水體污染嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，水資源嚴(yán)重不足，水資源承載力面臨著很大的壓力。2010年遼河保護區(qū)劃定后，遼寧省啟動了改善水質(zhì)、水污染防治以及以恢復(fù)和保護為主的退耕封育等“三大戰(zhàn)役”，實施了關(guān)停整治、污水處理廠建設(shè)、生態(tài)治理“三大工程”，通過水污染治理帶動了城市布局結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整；建立了服務(wù)于總量減排、生態(tài)保護、風(fēng)險預(yù)警的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，形成了動態(tài)智能的遼河流域水環(huán)境安全監(jiān)控與監(jiān)測體系[16]。遼河干流成功消除了水體重污染問題，河流水質(zhì)基本穩(wěn)定在Ⅲ類～Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)環(huán)境持續(xù)正向演替。2016—2019年水質(zhì)有所波動，如2018年COD與氨氮濃度同比分別上升15.2%和63.2%，其原因為東遼河、招蘇臺河、亮溝子河等多條支流入河口斷面都出現(xiàn)了劣Ⅴ類水質(zhì)，支流水質(zhì)惡化是導(dǎo)致該時段水質(zhì)有所波動的主要原因[17]?？臻g上，遼河保護區(qū)的污染源主要集中在上游和下游。根據(jù)齊星宇[18]對遼河上游污染負荷的估算，流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖和種植業(yè)污染物的排放量占比較大，導(dǎo)致招蘇臺河、亮子河、馬仲河等支流水質(zhì)嚴(yán)重惡化，進而影響到遼河保護區(qū)干流上游斷面水質(zhì)。保護區(qū)中游面源污染也比較突出，曹小磊等[19]的研究表明中游主要面源污染源為農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖，且在面源污染相對嚴(yán)重的地區(qū)，河道污染物量與地表徑流量呈正相關(guān)。保護區(qū)下游大部分位于盤錦，下游污染與上游污染輸入相關(guān)。張立新[20]通過開展遼河下游段水質(zhì)有機污染物組分定性分析，發(fā)現(xiàn)遼河污染一定程度上源于上游城市排放的大量生活污水和少量工業(yè)廢水，進入盤錦市后又接納了盤錦市排放的90%以上的工業(yè)廢水和生活污水，導(dǎo)致曙光大橋斷面污染嚴(yán)重；李延?xùn)|[21]的分析也表明，目前遼河的工業(yè)污染主要集中在鞍山市臺安縣和盤錦市，工業(yè)排放污染物濃度高、數(shù)量大，對遼河干、支流水質(zhì)影響明顯。因此，遼河保護區(qū)下游水質(zhì)污染主要原因為生活污水和工業(yè)廢水的排放。

3 結(jié)論

(1)遼河保護區(qū)劃定后遼河干流污染狀況得到有效緩解，水體COD與氨氮濃度下降，水質(zhì)大幅好轉(zhuǎn)。隨著治理的深入，水質(zhì)改善速度變緩，雖在2018年有所波動，但整體趨于穩(wěn)定，基本維持在Ⅲ類～Ⅳ類水質(zhì)。

(2)遼河保護區(qū)上游的鐵嶺段水質(zhì)最差，中游的沈陽段略好，下游的鞍山、盤錦段較差，主要污染物COD與氨氮濃度從上游至下游均呈現(xiàn)先升高后降低再升高的變化趨勢。

(3)遼河保護區(qū)“三大工程”“三大戰(zhàn)役”中水污染治理及水環(huán)境管理措施的有效實施削減了大量污染物，是保護區(qū)劃定后水質(zhì)改善的重要因素；保護區(qū)上游鐵嶺段的農(nóng)業(yè)面源污染以及下游盤錦段生活污水、工業(yè)廢水的排放是造成遼河保護區(qū)水質(zhì)及主要污染物空間差異的重要原因。