柳河流域阜新市彰武段水質(zhì)時(shí)空變化研究

夏志博

(阜新市彰武縣前福興地鎮(zhèn)水利站，遼寧 彰武 123224)

柳河屬于遼河中下游右側(cè)的多泥沙支流，主要流經(jīng)庫(kù)倫旗、阜新、彰武、新民等地區(qū)，于新民東城街道匯入遼河。從1980年柳河流域水質(zhì)就不斷惡化，流域內(nèi)不同區(qū)域間的天然水化學(xué)特征差異明顯，近期受水污染和人類活動(dòng)干擾發(fā)生明顯的改變，干流水質(zhì)斷面污染物年通量值差異顯著[1-4]。自2000年，大范圍實(shí)施了一系列水污染防治工程，在一定程度上改善了流域水環(huán)境。文章結(jié)合柳河彰武段2011-2020年各典型斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從時(shí)間與空間的角度科學(xué)探討了近期水環(huán)境變化趨勢(shì)，以期為客觀評(píng)價(jià)柳河流域多年來的水污染治理成效，以及未來水生態(tài)保護(hù)與決策提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

以柳河流域彰武段為研究區(qū)間，從上游到下游選擇的典型監(jiān)測(cè)斷面依次為六股道、木頭營(yíng)子、小河西屯、西二老、腰窩堡、丁家苗圃、前四家子7個(gè)站點(diǎn)，2011-2020年原始水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于柳河流域水資源保護(hù)局，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的限值作為水質(zhì)評(píng)價(jià)依據(jù)。文章從沿程、年際和年內(nèi)變化等多個(gè)角度系統(tǒng)探討了柳河流域彰武段水質(zhì)變化趨勢(shì)，重點(diǎn)討論了氨氮(NH4+-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等典型污染物變化特征。

2 水質(zhì)的時(shí)空序列變化

2.1 水質(zhì)的年內(nèi)變化趨勢(shì)

根據(jù)已獲取資料的時(shí)間分布以及柳河流域彰武段各站點(diǎn)的沿程分布，選擇3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(小河西屯、腰窩堡、前四家子)2013年和2019年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析年內(nèi)NH4+-N、CODMn等主要污染物質(zhì)變化趨勢(shì)，NH4+-N的質(zhì)量濃度年內(nèi)變化趨勢(shì)，見圖1；CODMn的質(zhì)量濃度年內(nèi)變化趨勢(shì)，見圖2。

由圖1可知，雖然2019年各監(jiān)測(cè)斷面的ρ(NH4+-N)與2013年存在一定差異，但兩者的年內(nèi)逐月變化規(guī)律表現(xiàn)出非常相似的特征，并且年內(nèi)ρ(NH4+-N)的變化趨勢(shì)也比較相似。ρ(NH4+-N)在1、2、3月份(枯水期)整體較高，ρ(NH4+-N)自3月份以后明顯下降，6-10月份(豐水期)達(dá)到年內(nèi)最低值，ρ(NH4+-N)從11月份后又逐漸上升。這是由于每年的4-10月柳河流域彰武段水溫超過了10℃，為水中微生物代謝與繁殖提供了有利環(huán)境，加速了生物降解水中NH4+-N的速度。

(a)2013年 (b)2019年

由圖2可知，2019年各監(jiān)測(cè)斷面的ρ(CODMn)較2013年有明顯下降，在不同年度和監(jiān)測(cè)斷面之間ρ(CODMn)的年內(nèi)逐月變化趨勢(shì)非常相似，每年的2月份有最大值，ρ(CODMn)在其他月份的變化差異不明顯，冬季的ρ(CODMn)要高于夏季。

2.2 水質(zhì)的年際變化趨勢(shì)

2011-2020年3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(小河西屯、腰窩堡、前四家子)的NH4+-N、CODMn質(zhì)量濃度年際時(shí)間序列，污染物質(zhì)量濃度年際變化趨勢(shì)，見圖3。

(a)CODMn (b)NH4+-N

由圖3可知，2011-2012年柳河流域彰武段ρ(CODMn)質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)，從2013-2016年又呈現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì)，隨后又呈現(xiàn)出上升、下降的變化趨勢(shì)；年際上NH4+-N與CODMn的質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本相似，但2017年NH4+-N的上升幅度明顯>CODMn?？傮w而言，從時(shí)間序列上柳河流域彰武段的NH4+-N、CODMn質(zhì)量濃度呈波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)，即2011-2020年水質(zhì)有一定的改善。

2.3 水質(zhì)的空間序列變化

采用2013年、2016年和2016年柳河流域彰武段水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析沿程N(yùn)H4+-N、CODMn兩種主要污染物的變化趨勢(shì)，柳河流域彰武段沿程水質(zhì)變化趨勢(shì)，見圖4。

(a)CODMn (b)NH4+-N

從圖4可以看出，各分析年度內(nèi)沿程CODMn的質(zhì)量濃度變化規(guī)律基本相似。木頭營(yíng)子監(jiān)測(cè)斷面的污染物濃度明顯高于上游六股道斷面，表明柳河流域彰武段水質(zhì)受上游六股河的影響較大。經(jīng)六股道斷面后，該河段水質(zhì)有所改善，但由于接納了沿途生活廢水及工業(yè)污水，西二老、丁家苗圃斷面的CODMn質(zhì)量濃度又明顯上升。CODMn質(zhì)量濃度沿程變化與NH4+-N存在一定差異，該河段氨氮濃度受上游六股河的影響程度相對(duì)較弱，但氨氮濃度經(jīng)過西二老、丁家苗圃斷面后均有一定幅度的上升，這是由于該監(jiān)測(cè)斷面接納了沿河城鎮(zhèn)生活污水，從而導(dǎo)致河流水質(zhì)的下降。由于腰窩堡水閘蓄水使得水域面積擴(kuò)大，河流凈化水體功能得以增強(qiáng)，在一定程度上改善了該河段水質(zhì)，而經(jīng)過丁家苗圃斷面后，因接納了沿河城鎮(zhèn)生活污水再次使得水質(zhì)變差。

另外，2013年除木頭營(yíng)子斷面外各監(jiān)測(cè)斷面的CODMn質(zhì)量濃度均達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，除小河西屯斷面外各監(jiān)測(cè)斷面的NH4+-N質(zhì)量濃度均達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，木頭營(yíng)子、腰窩堡斷面的NH4+-N質(zhì)量濃度甚至超過劣Ⅴ類水質(zhì)。2016年后，除木頭營(yíng)子外其他監(jiān)測(cè)斷面的CODMn質(zhì)量濃度均符合Ⅲ類水要求，除西二老外其他監(jiān)測(cè)斷面的NH4+-N質(zhì)量濃度均符合Ⅳ類水要求，由此表明柳河流域彰武段水體逐漸轉(zhuǎn)變成氨氮型污染。

3 柳河彰武段水質(zhì)演變趨勢(shì)評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

柳河流域彰武段水質(zhì)演變趨勢(shì)利用綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法——A值法進(jìn)行分析[5-6]，采用以下公式計(jì)算有機(jī)污染綜合指數(shù)，即：

(1)

式中：L為水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值，mg/L；C為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L。考慮到柳河流域治理目標(biāo)及地表水質(zhì)狀況，A值計(jì)算可參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)確定。將A值法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為水質(zhì)嚴(yán)重污染、中等污染、開始污染、水質(zhì)一般、水質(zhì)良好5個(gè)等級(jí)，所對(duì)應(yīng)的A值為>4、3-4、2-3、1-2、0-1。

3.2 綜合指數(shù)的空間序列變化

根據(jù)2011-2020年柳河流域彰武段典型斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用A值法計(jì)算確定柳河流域彰武段沿程水質(zhì)變化趨勢(shì)，沿程A值變化趨勢(shì)，見圖5。

圖5 沿程A值變化趨勢(shì)

由圖5可知，隨時(shí)間變化沿程不同監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)呈逐漸好轉(zhuǎn)的變化趨勢(shì)，即水污染狀況不斷減小。結(jié)合2013年的A值計(jì)算結(jié)果，除前四家子、小河西屯斷水質(zhì)處于中度和輕度污染外，柳河流域彰武段其他河段水質(zhì)達(dá)到嚴(yán)重污染程度，并以西二老河段的水污染最嚴(yán)重。2016年水污染程度較2013年明顯減輕，特別是西二老上游段水質(zhì)改善較明顯，水污染程度以輕微為主，西二老、丁家苗圃段水質(zhì)仍為中度污染。2019年后，柳河流域彰武段的水質(zhì)進(jìn)一步改善，僅有西二老、丁家苗圃段水質(zhì)為輕度污染?？傮w而言，柳河流域彰武段各年度水質(zhì)呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，并且下游段水質(zhì)要明顯劣于上游段。

3.3 綜合指數(shù)的時(shí)間序列變化

2011-2020年柳河流域彰武段A值年際變化趨勢(shì)，年際A值變化趨勢(shì)，見圖6，發(fā)現(xiàn)研究期間柳河流域彰武段水質(zhì)明顯改善。各監(jiān)測(cè)斷面A值自2011年之后逐漸減小，這表明在改善柳河流域水質(zhì)方面2016年的“柳河變清”行動(dòng)和2010年底的“零點(diǎn)行動(dòng)”發(fā)揮了顯著成效，大大降低了入河污染物量。2017年，因再次發(fā)生大范圍的污染事件導(dǎo)致各監(jiān)測(cè)斷面A值有所升高，而后又快速下降，及時(shí)實(shí)施的水污染治理工程使得流域水質(zhì)又逐漸改善。

圖6 年際A值變化趨勢(shì)

根據(jù)年際變化趨勢(shì)可知，近年來柳河流域彰武段水質(zhì)不斷改善，但流域內(nèi)降水徑流具有顯著的季節(jié)性變化特征，所以水質(zhì)的季節(jié)性變化也比較明顯，這點(diǎn)可從2018-2020年柳河流域彰武段水質(zhì)逐月總平均A值變化趨勢(shì)看出。2018-2020年有機(jī)污染綜合指數(shù)，見圖7。

圖7 2018-2020年有機(jī)污染綜合指數(shù)

從圖7可以看出，柳河流域彰武段水質(zhì)豐水期較好，各年度以“一般”污染為主；每年的12月-次年3月水質(zhì)以嚴(yán)重或中等污染為主，較其他月份此期間水質(zhì)較差；每年2-5月徑流量無明顯差異，即水體稀釋污染物的作用相差不大，但計(jì)算得到的A值明顯減小。這是由于每年2-5月氣溫回暖使得水溫逐漸升高，水生生物量和植物種群密度快速增大，水生植被的光合作用促使植物體不斷吸收生命活動(dòng)所需的大量營(yíng)養(yǎng)鹽，沉積物及水體中有機(jī)物逐漸減少，水生植物精華水質(zhì)和改善水環(huán)境的生態(tài)功能明顯增強(qiáng)；同樣，12月之后水溫逐漸下降，水生植物生長(zhǎng)停滯進(jìn)入越冬休眠期，而無法越冬的植株種群則死亡、腐敗分解，加大營(yíng)養(yǎng)鹽類、有機(jī)碎屑向水體的轉(zhuǎn)移強(qiáng)度，并使得水質(zhì)不斷變差[7-8]。在建設(shè)堤防、大壩等防洪工程時(shí)，應(yīng)創(chuàng)造適于水生動(dòng)植物生長(zhǎng)的環(huán)境與空間，充分利用其水質(zhì)凈化功能，有效改善水體環(huán)境[9]。

3.4 綜合指數(shù)的組成結(jié)構(gòu)分析

污染物指標(biāo)對(duì)A值的貢獻(xiàn)率，見表1。由表1可知，氨氮是柳河流域彰武段水質(zhì)超標(biāo)最嚴(yán)重的污染物。

表1 污染物指標(biāo)對(duì)A值的貢獻(xiàn)率

總體上柳河流域上游的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，在沿河各城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中第一產(chǎn)業(yè)的比重較大，農(nóng)業(yè)用水占總用水量之比>60%。水體環(huán)境質(zhì)量受農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染影響較大，如遼河流域化肥施用量從1990s中期的600kg/hm2快速增長(zhǎng)到2010s末的900kg/hm2，氮肥的有效利用率僅有30-40%，隨降雨徑流、滲漏當(dāng)季過量施用的氮肥排入河流溝渠，從而使得河流氨氮污染問題更加突出。可見，隨著城鎮(zhèn)和工業(yè)點(diǎn)源污染治理的持續(xù)推進(jìn)，對(duì)于柳河流域水體而言農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染對(duì)水污染的貢獻(xiàn)率逐漸增加[10-14]。

4 結(jié) 論

1)年際變化上，柳河流域彰武段NH4+-N與CODMn的質(zhì)量濃度呈不斷下降的變化趨勢(shì)，即該河段水質(zhì)有所改善，表明自2005年開始實(shí)施的全流域水污染治理工程逐漸發(fā)揮成效。此外，枯水期(11-4月)與豐水期(6-9月)水質(zhì)具有明顯差異，枯水期河段水質(zhì)以嚴(yán)重或中等污染為主。

2)有機(jī)污染綜合指數(shù)評(píng)價(jià)以及柳河流域彰武段沿程水質(zhì)變化分析表明，該河段水質(zhì)整體有所改善，下游水質(zhì)劣于上游段，主要污染物輸入和重點(diǎn)污染區(qū)域?yàn)槲鞫隙?、丁家苗圃段，柳河流域彰武段水體逐漸轉(zhuǎn)變成氨氮型污染。