遼陽市太子河水體富營養(yǎng)化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水質(zhì)的影響

關(guān)艷慶

（遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111010）

0 引言

隨著我國人口的不斷增加和社會(huì)的快速發(fā)展，對水資源的需求也急速增長[1]，同時(shí)，由于水體自凈能力有限，很多工廠向地表排放未經(jīng)處理或不達(dá)標(biāo)的廢水，增加了水體許多負(fù)擔(dān)[2]，水體富營養(yǎng)化、酸化、有機(jī)污染等水資源問題受到廣泛關(guān)注。水環(huán)境問題是人類發(fā)展中需要面臨的一大難題[3]，極大地影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)[4]，并且人類的社會(huì)活動(dòng)也極大地影響著水環(huán)境[5-7]。分析水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢，不但可以反映水環(huán)境的治理成效，還可以根據(jù)現(xiàn)存的問題為水資源的保護(hù)和治理提供理論支撐[8]。

太子河經(jīng)重工業(yè)城市本溪市流入遼陽市境內(nèi)，水中含有大量的無機(jī)鹽、有機(jī)物、重金屬等污染物，遼陽段周邊還有大量居民居住，導(dǎo)致工農(nóng)業(yè)、生活污水直接進(jìn)入水體中。由于受到土壤的侵蝕，大量攜帶著氮、磷等元素的泥沙進(jìn)入太子河，使太子河存在水體富營養(yǎng)化、河岸周圍植被種類及數(shù)量減少、水質(zhì)達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)、河流水勢不穩(wěn)定、造成游蕩性河道等問題[9]。太子河是流經(jīng)遼陽、本溪等城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)命脈，其水質(zhì)問題對于城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很大影響[10]。下文通過分析遼陽市太子河水體富營養(yǎng)化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，揭示太子河水質(zhì)狀況與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)關(guān)系，保障遼陽市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，并降低水質(zhì)污染程度，同時(shí)也為社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水質(zhì)的良性發(fā)展提供新思路。

1 材料與方法

目前，國內(nèi)外學(xué)者在水體富營養(yǎng)化評價(jià)中使用較多的方法有綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析、生物多樣性指數(shù)法等。廖亮等[11]應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)分析方法對南湖水庫水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)；吳玉軍等[12]利用生物多樣性指數(shù)法對水庫除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行生態(tài)影響評價(jià)；楊朝霞等[13]采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法分析冰封期與非冰封期呼倫湖湖泊水體營養(yǎng)狀態(tài)的變化特征。本文利用太子河的區(qū)域概況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，對遼陽市太子河水體富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，分析造成水質(zhì)變化的影響因素，為研究區(qū)域水環(huán)境和富營養(yǎng)化的控制提供指導(dǎo)。

1.1 區(qū)域概況

太子河為遼河水系一大支流，總體呈東西走向貫穿遼寧省中部，主要流經(jīng)遼陽市、鞍山市、本溪市、撫順市，太子河全長413 km，流域面積13 883 km2。太子河窩水庫以上山脈綿延、地勢起伏較大、植被覆蓋情況較好，該河段占全流域的60%；窩水庫至遼陽段人口集中、植被覆蓋情況較差、地勢較平坦，地貌以低山丘陵為主，受土壤侵蝕較嚴(yán)重；遼陽以下河流彎曲、坡度較緩、水深較淺，地貌以平原為主，河道泄洪能力差，極易引起洪澇災(zāi)害[14]。隨著海拔的逐漸降低，人類活動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，土地利用率逐漸增高，大量工業(yè)用水和生活污水的產(chǎn)生量也大幅度增加，導(dǎo)致了太子河的污染，其主要污染物為氮、磷等[15]。

遼陽市位于太子河中游，境內(nèi)流程142.8 km，流域面積約4 000 km2，約占全市總面積的85%。太子河中游及其支流湯河、北沙河、柳壕河與窩水庫和湯河水庫構(gòu)成了遼陽地表水監(jiān)測體系。該研究區(qū)域主要為溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，干冷同季，年平均氣溫為7.5 ℃，年平均降水量在600～900 mm 范圍內(nèi)，降雨集中在6—9 月份，太子河的主要補(bǔ)給來源為降雨所形成的地表徑流。

1.2 區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況

1.2.1 人口狀況

近年來，遼寧省非常重視生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，逐步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使第二產(chǎn)業(yè)占比逐漸降低，部分勞動(dòng)人口逐漸向大城市流動(dòng)。2015—2020 年，遼陽市人口減少了6.5 萬。

1.2.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)

遼陽市作為國家、省商品糧基地和瘦肉型豬、淡水魚養(yǎng)殖基地，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。西部平原土質(zhì)肥沃，盛產(chǎn)水稻、玉米和淡水魚，享有“糧倉”之稱。東部山區(qū)林果茂盛，盛產(chǎn)山楂和南國梨。遼陽市工業(yè)門類眾多，其中，化纖工業(yè)是國家重點(diǎn)基地之一[16]。遼陽有全國最大的制藥機(jī)械廠和全國造紙機(jī)械、工業(yè)紙板生產(chǎn)基地，鐵合金廠是國家鐵合金行業(yè)的重點(diǎn)企業(yè)。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)獲取

太子河主要污染來源有工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水、畜禽養(yǎng)殖，此次研究選取斷面為窩水庫、湯河、管橋、遼陽、烏達(dá)哈堡、北沙河、小林子、唐馬寨。按照GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的24 項(xiàng)基本指標(biāo)進(jìn)行篩選并進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的主要污染物有高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、總氮（TN）。2015—2020 年水質(zhì)逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)由遼寧省遼陽市水文局提供，人口和地區(qū)生產(chǎn)總值等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于遼陽市統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

根據(jù)富營養(yǎng)化的特性，選擇水生生物必需的Chl-a，TN，TP，SD，CODMn等指標(biāo)作為遼陽市太子河水體富營養(yǎng)化評價(jià)的基本因子。采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法公式：

式中：TLI（∑）為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI（j）代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m為評價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

以Chl-a 作為基本參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化Wj計(jì)算式為：

式中：rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a 的相關(guān)系數(shù)（見表1）。

表1 中國湖泊部分參數(shù)與Chl-a 的相關(guān)關(guān)系rij 及值

表1 中國湖泊部分參數(shù)與Chl-a 的相關(guān)關(guān)系rij 及值

rij rij 2因子Chl-a TP TN SD CODMn 1 1 0.84 0.82-0.83 0.83 0.705 6 0.672 4 0.688 9 0.688 9

各參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：Chl-a 單位為 mg/m3；SD 單位為 m；其他指標(biāo)單位均為mg/L。

此外，為了更好地反映水體的富營養(yǎng)狀況，采用數(shù)字對其營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級并對水質(zhì)進(jìn)行定性評價(jià)分級（見表2），指數(shù)值越大，其營養(yǎng)程度越高，水質(zhì)越差[17]。

表2 湖泊（水庫）營養(yǎng)狀態(tài)分級及水質(zhì)定性評價(jià)

2 研究結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)變化特征

遼陽市太子河主要污染物指標(biāo)年際變化情況見圖 1。2015—2020 年，研究區(qū)域 CODMn，BOD5，NH3-N，TN，TP 的平均濃度變化范圍分別在2.25～6.92，1.13～6.21，0.079～5.570，2.43～10.07，0.023～0.599 mg/L，污染濃度超標(biāo)最嚴(yán)重的是TN，其次是NH3-N 和TP。NH3-N，TN，TP 是河道內(nèi)藻類生長的主要營養(yǎng)來源，而且NH3-N 還可以反映河道水體的毒性與耗氧程度，CODMn可以反映河道水體中的有機(jī)物含量，更能表現(xiàn)出水體的污染程度[18]。

圖1 遼陽市太子河主要污染指標(biāo)年際變化情況

太子河在遼陽境內(nèi)的主要支流有24 條，其中較大的支流有7 條，多流經(jīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)村落，普遍存在農(nóng)村生活污水、化肥農(nóng)藥直排、污水處理廠不達(dá)標(biāo)排放、管網(wǎng)建設(shè)不完善等現(xiàn)象[19]。研究發(fā)現(xiàn)：上游水質(zhì)較好，中下游水質(zhì)較差。匯入支流水質(zhì)較差是影響太子河干流水質(zhì)的主要原因，北沙河入太子河河口水質(zhì)狀況最差，是由于北沙河附近有大量工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水流入河中；其次是唐馬寨，其上游有工廠排污口，還有污水處理廠，導(dǎo)致此斷面水質(zhì)較差。因?yàn)楦C水庫的水相對豐富，對污染物存在一定的稀釋作用，且上游植被較多，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水相對較少，窩水庫的水質(zhì)狀況最好。

2.2 富營養(yǎng)狀態(tài)的變化

根據(jù)2015—2020年遼陽市太子河水體CODMn、TP 和TN 的監(jiān)測值計(jì)算出流域各斷面的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，分析2015—2020 年遼陽市太子河富營養(yǎng)化變化趨勢，如圖2 所示。由圖2 可以看出，窩水庫與湯河水庫斷面的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化范圍分別是43.2～52.9 和45.1～55.9，始終保持在輕度富營養(yǎng)以內(nèi)，屬于輕度污染；管橋、遼陽、烏達(dá)哈堡、小林子與唐馬寨斷面的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化范圍分別是 54.9～65.9，51.3～67.9，49.7～64.0，52.4～64.7，56.3～65.6，為中度富營養(yǎng)，都屬于中度污染；北沙河斷面的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化范圍是68.6～77.3，為重度富營養(yǎng)，屬于重度污染?？傮w來看，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的變化基本上是逐年降低的。

圖2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年際變化情況

由于本溪市位于遼陽市上游，是以鋼鐵、化學(xué)工業(yè)為主的綜合性工業(yè)城市，也是遼陽市的主要工業(yè)污染源。太子河是遼寧省重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，遼陽市農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)，不合理的施用化肥會(huì)造成水體污染，其中氮肥的吸收能力較差，大量的氮、磷元素隨著農(nóng)田排水或雨水進(jìn)入河流，造成水體富營養(yǎng)化，使水環(huán)境遭到破壞。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，太子河流域受人類活動(dòng)的影響和破壞，流域產(chǎn)生不同程度的水土流失，造成泥沙攜帶著大量氮、磷等元素隨地表徑流進(jìn)入河流，使水體富營養(yǎng)化問題更嚴(yán)重。

2.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與水質(zhì)的相關(guān)性

2015—2020 年，太子河遼陽段人口密度逐年減小，由 2015 年 377.97 人/km2減小到 2020 年 364.25人/km2，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在人口不斷減少的情況下，人均 GDP 由 3.9 萬元增長到 4.86 萬元，見圖 3。

圖3 2015—2020 年遼陽市人均GDP 和人口數(shù)量變化趨勢

2015—2020 年遼陽市第一、二、三產(chǎn)總產(chǎn)值變化見圖4。由圖4 可以看出，遼陽市將以產(chǎn)業(yè)融合為主線，補(bǔ)齊農(nóng)業(yè)農(nóng)村短板，新興產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)為主、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)為輔的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[20]。

圖4 2015—2020 年遼陽市第一二三產(chǎn)總產(chǎn)值變化圖

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展不可避免地造成城市生活污水增加、化肥農(nóng)藥排放量增大、工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物排放量也逐漸增加，太子河流域的水環(huán)境狀況也成為了政府關(guān)注的焦點(diǎn)，因此，通過對太子河遼陽段人口密度、人均GDP、以及第一、二、三產(chǎn)業(yè)與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析，揭示社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對遼陽市太子河水環(huán)境的影響。選取CODMn，BOD5，NH3-N，TP 和 TN 作為主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行研究，分析其與遼陽市社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的相關(guān)性，見表3。

由表 3 可見，2015—2020 年，CODMn與人口密度、人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)在α=0.05 水平上顯著相關(guān)（α為顯著性水平，通常取 0.05 或 0.01，即當(dāng)接受原假設(shè)時(shí)，其正確的可能性為95%或99%；BOD5與人口密度在α=0.05 水平上顯著相關(guān)，且與人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)在α=0.01 水平上顯著相關(guān)；NH3-N 與人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)在α=0.05 水平上顯著相關(guān)，且與人口密度、第一產(chǎn)業(yè)在α=0.01水平上顯著相關(guān)；TP 與第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)在α=0.05 水平上顯著相關(guān)，且與人口密度、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)在α=0.01 水平上顯著相關(guān)；TN 與人口密度、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)在α=0.01 水平上顯著相關(guān)。由此可見，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水質(zhì)情況有密切關(guān)系，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們也更加注意發(fā)展所帶來的環(huán)境問題，并對環(huán)境問題提出相應(yīng)的改善措施。此次研究發(fā)現(xiàn)：2015—2020 年遼陽市人均GDP 與水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，也就是說在這個(gè)時(shí)間段里，社會(huì)經(jīng)濟(jì)在提高的同時(shí)，污染物含量也在逐漸降低，說明遼陽市在水環(huán)境方面已經(jīng)找到了較好的應(yīng)對措施。

表3 遼陽市太子河水質(zhì)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的相關(guān)性分析

3 結(jié)語

1）遼陽市太子河上游水質(zhì)較好，中下游水質(zhì)較差，北沙河入河口污染狀況較為嚴(yán)重，主要污染物為氮磷類物質(zhì)。太子河有許多支流匯入，也存在較嚴(yán)重的面源污染，如家禽散養(yǎng)、生活垃圾和污廢水亂排放及近河耕作等。因河流自凈能力有限，不可能將所有污染物凈化，部分會(huì)被水體中的底泥吸附住，當(dāng)河流流速增大時(shí)，底泥中的污染物質(zhì)還會(huì)被沖刷出來，因此，控制污染源的排放是首要任務(wù)，還應(yīng)該植樹造林、加強(qiáng)河岸的修建來阻止土壤受到侵蝕。

2）2020 年太子河整體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為53.04，屬于輕度富營養(yǎng)。2015—2020 年，太子河整體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在53.04～63.69 之間，總體呈下降趨勢，但唐馬寨和北沙河斷面仍處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)和重度富營養(yǎng)狀態(tài)。因此，接下來治理太子河應(yīng)從這兩個(gè)重點(diǎn)斷面入手。

3）氮磷類水質(zhì)指標(biāo)主要受第一產(chǎn)業(yè)活動(dòng)影響，高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量這類有機(jī)水質(zhì)指標(biāo)主要受人類社會(huì)活動(dòng)和第三產(chǎn)業(yè)活動(dòng)影響。2015—2020年，遼陽市太子河水質(zhì)指標(biāo)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，說明經(jīng)濟(jì)與水環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，暫時(shí)形成了良性循環(huán)，同時(shí)，也說明遼陽市對太子河的治理取得了顯著成效，但治理的效果亟待鞏固，生態(tài)環(huán)境仍然較為脆弱，治理保護(hù)任重道遠(yuǎn)。