太子河遼陽段水質(zhì)時空分布特征研究及水質(zhì)評價

全占東

（遼寧省遼陽水文局，遼寧遼陽 111010）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)污水、養(yǎng)殖廢水和生活污水過度排放，導(dǎo)致河流系統(tǒng)的水質(zhì)惡化[1，2]。河流是最容易受到污染的水體之一，因?yàn)樗鼈冊谄鋸V闊的流域中承載著城市和工業(yè)廢物及農(nóng)田徑流[3]。東北地區(qū)是重要的工業(yè)中心之一，也是我國最重要的糧食產(chǎn)區(qū)[4，5]。工農(nóng)業(yè)排放產(chǎn)生的大量污染物造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，影響了東北地區(qū)水系的水質(zhì)[6，7]。太子河是遼河流域的主要河流之一，也是遼寧省的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。近年來，太子河流域水質(zhì)污染問題日趨突出。太子河經(jīng)重工業(yè)城市本溪市流入遼陽市境內(nèi)，水中本來就含有大量的無機(jī)鹽、有機(jī)物、重金屬等污染物，且太子河遼陽段又有許多煤炭開采業(yè)、金屬礦采選業(yè)、化工廠等重污染企業(yè)分布在沿岸，周邊還有大量居民居住，工農(nóng)業(yè)、生活污水直接進(jìn)入水體中。太子河作為遼陽市的母親河，其水環(huán)境的治理與保護(hù)對遼陽市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[8]。

準(zhǔn)確評估河流水質(zhì)污染程度、精準(zhǔn)掌握河流水質(zhì)分布特點(diǎn)是各流域水環(huán)境治理與管理的基礎(chǔ)工作，對當(dāng)?shù)厮h(huán)境安全保障、水資源科學(xué)管理等具有重要意義[9]。2015 年《水環(huán)境防治行動計(jì)劃》（簡稱“水十條”）的發(fā)布對水體環(huán)境提出了嚴(yán)格的要求，明確提出要以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)倒逼污染防治[10，11]。目前，常用的水質(zhì)評價方法主要有單因子評價法[12]、主成分分析法[13]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[14]、模糊綜合評價法[15]等。這些水質(zhì)評價方法對Ⅰ～Ⅴ類水的評價結(jié)果具有一定的科學(xué)合理性，但當(dāng)水體綜合水質(zhì)達(dá)到劣Ⅴ類時，這些評價方法就會出現(xiàn)偏于保守的結(jié)果。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法可以定性評價水質(zhì)級別，并判別單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)與綜合水質(zhì)結(jié)果是否滿足水環(huán)境功能區(qū)劃目標(biāo)[16]，其原理簡單、易于操作，在水質(zhì)調(diào)查和評價中得到了廣泛應(yīng)用。因此，本文根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)從時間和空間兩個維度科學(xué)客觀地選取影響太子河水質(zhì)的主要污染指標(biāo)，采用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對各個斷面的主要水質(zhì)指標(biāo)逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究太子河遼陽段水質(zhì)及其時空分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

太子河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，全長413 km，流域面積13 883 km2。太子河上游為典型的山區(qū)型河流，下游為平原區(qū)，上游河道比降較大，下游河道比降較低，流域平均比降為0.125%[17]。太子河遼陽段人口密集、植被覆蓋率低、地勢較緩，地貌以低山丘陵為主，土壤侵蝕嚴(yán)重[18]。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700 mm 左右。

1.2 水質(zhì)指標(biāo)的篩選

太子河遼陽段主要污染來源有工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水、畜禽養(yǎng)殖。2014—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。此次研究選取太子河遼陽段的窩水庫、湯河、管橋、遼陽、烏達(dá)哈堡、北沙河、小林子、唐馬寨等8 個斷面。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，發(fā)現(xiàn)各斷面主要污染物為8 項(xiàng)：溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、總磷（TP）、總氮（TN）、糞大腸菌群，其他指標(biāo)經(jīng)比較均低于檢出限，且遠(yuǎn)低于Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。此次評價選擇8 項(xiàng)檢出指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價。

1.3 研究方法

1.3.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

單因子水質(zhì)指數(shù)Pi由一位整數(shù)，小數(shù)點(diǎn)后兩位或三位有效數(shù)字組成，即Pi=X1.X2X3。其中，X1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2為監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間所處的位置，根據(jù)公式按四舍五入的原則計(jì)算確定；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果，視評價指標(biāo)的污染程度，X3為一位或兩位有效數(shù)字，具體計(jì)算參見文獻(xiàn)［19］。

1）水質(zhì)優(yōu)于Ⅴ類水上限值時，GB 3838-2002中只有DO 濃度隨水質(zhì)等級的增大而減少，所以水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)非溶解氧指標(biāo)X2和溶解氧指標(biāo)X2（DO）按下式計(jì)算：

式中：ρi為第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測質(zhì)量濃度，ρik下≤ρi≤ρik上；ρik上，ρik下為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)第k類水區(qū)間質(zhì)量濃度的上、下限值，k=X1；ρDO為溶解氧實(shí)測質(zhì)量濃度；ρDO，k上，ρDO，k下為DO在第k類水區(qū)間質(zhì)量濃度的上、下限值。

2）當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)劣于或等于Ⅴ類水時，水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)按下式來確定：

式中：ρi5上為第i項(xiàng)指標(biāo)Ⅴ類水質(zhì)量濃度上限值；ρDO，5下為溶解氧Ⅴ類水質(zhì)量濃度下限值。

1.3.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)由整數(shù)位和三位或四位小數(shù)位組成[20]，即WQI=X1.X2X3X4。其中，X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間所處的位置；X3為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果，視綜合水質(zhì)的污染程度，X4為一位或兩位有效數(shù)字，X1～X4具體計(jì)算參見文獻(xiàn)［20］。綜合水質(zhì)類別評判標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 水質(zhì)類別評價標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 主要污染指標(biāo)的時間分布特征

水質(zhì)指標(biāo)的年均值并不能完全反映水質(zhì)的實(shí)際情況，非汛期主要污染指標(biāo)濃度均大于汛期，所以將太子河遼陽段按汛期與非汛期劃分來進(jìn)行此次研究。DO 值越大表示水質(zhì)越好，其他污染指標(biāo)則是隨著數(shù)值的增大，水質(zhì)越差，這主要是由于非汛期降雨量較少，對沿岸工業(yè)點(diǎn)源、農(nóng)田、畜禽養(yǎng)殖和城市生活污水中污染物的稀釋作用降低所導(dǎo)致的[21]，說明降雨形成的徑流可以推動污染物的遷移并稀釋污染物的濃度[22]。汛期的DO 顯著低于非汛期，可能是由于汛期氣溫較非汛期高，氣壓較低，且動植物消耗較大，水中營養(yǎng)鹽增加，從而導(dǎo)致汛期DO 濃度較低。非汛期COD 濃度高于汛期，但是總體來看COD 的值基本上都處于Ⅰ類水。BOD5在汛期含量相對較低，整體含量都在Ⅲ類水以內(nèi)。氨氮的濃度較高，汛期濃度可達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但非汛期濃度已經(jīng)超過了Ⅴ類水。非汛期TN 和TP 濃度明顯高于汛期，且TN 濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，這可能是由于非汛期降雨較少，河流流速較低，河道內(nèi)水生生物大量衰亡[23]。糞大腸菌群在汛期要略高于非汛期，可能是由于汛期溫度較高，水產(chǎn)動物代謝能力較強(qiáng)，排泄物較多。

從時間上來看，2014—2020 年DO 含量逐年升高，也表明DO 值越來越好；COD 含量2014—2017年逐年升高，2017—2020 年逐年降低；高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、氨氮和TP 濃度值逐年降低；糞大腸菌群濃度值則逐年升高；TN 含量在2014—2016 年逐漸升高，2016—2020 年逐漸降低?？傮w來看，2014—2020 年太子河遼陽段水質(zhì)情況在逐漸變好，說明近些年政府很重視水體污染方面的問題，治理的也比較有成效。

2.2 主要污染指標(biāo)的空間分布特征

從空間上來看，污染物濃度超標(biāo)最嚴(yán)重的指標(biāo)是TN（均值超過了Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)），且高濃度斷面主要分布于北沙河，窩水庫到北沙河段TN 濃度逐漸升高，北沙河下游逐漸降低；其次是氨氮，窩水庫到烏達(dá)哈堡段含量較低，北沙河到唐馬寨段情況較差。各斷面DO、高錳酸鹽指數(shù)、COD和BOD5的濃度均能滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。TP 濃度沿太子河先升高再降低，在管橋到北沙河入太子河河口段濃度較高。各斷面的糞大腸菌群也能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求。

總體來看，上游水質(zhì)較好，中下游水質(zhì)較差，匯入支流的水質(zhì)較差是影像太子河干流水質(zhì)的主要原因。太子河干流較大的支流有7 條，多流經(jīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)村落，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)象比比皆是[24]，河流水量小且沿河污染物排入量大，造成支流水質(zhì)較差[25]。其中，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，導(dǎo)致北沙河入太子河河口水質(zhì)狀況最差；其次，唐馬寨的上游有工廠排污口及污水處理廠，導(dǎo)致此斷面水質(zhì)較差。因?yàn)楦C水庫的水資源相對于其他斷面要更豐富，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，因此，窩水庫的水質(zhì)狀況最好。

2.3 水質(zhì)評價與分析

根據(jù)計(jì)算得到的各斷面水質(zhì)綜合標(biāo)識指數(shù)，研究河段綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)在汛期與非汛期基本都達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。此次研究采用的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于區(qū)域水環(huán)境功能目標(biāo)的指標(biāo)有氨氮和TN，表明太子河綜合水質(zhì)較好，但北沙河斷面綜合水質(zhì)較差。劣于Ⅴ類水的指標(biāo)為TN，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)平均能達(dá)到7.8，遠(yuǎn)超Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，明顯反映出太子河TN 含量嚴(yán)重超標(biāo)。

在時間分布上，汛期的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)要略小于非汛期，所以非汛期水質(zhì)整體較汛期稍差。從太子河遼陽段綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)時空變化特征圖（圖1）可以清晰看出各斷面水質(zhì)情況，在空間分布上，北沙河斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)最高，可以明顯看出該斷面水質(zhì)最差，而窩水庫斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)最低。

圖1 太子河遼陽段綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)時空變化特征

為進(jìn)一步明確污染指標(biāo)與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，分別對各污染指標(biāo)與水質(zhì)進(jìn)行了通徑分析。太子河遼陽段水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)見表2，影響水質(zhì)主要因子的通徑分析見表3。利用SPSS 進(jìn)行通徑分析時，排除了變量COD。由表2 可知，DO 與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，其他因子與水質(zhì)呈正相關(guān)。由于各個因子直接與間接作用的共同貢獻(xiàn)，對水質(zhì)的影響按相關(guān)系數(shù)依次為氨氮＞高錳酸鹽指數(shù)＞TP＞BOD5＞DO＞糞大腸菌群＞TN。由表3 可知，按直接通徑系數(shù)與決策系數(shù)排序依次為氨氮＞高錳酸鹽指數(shù)＞TP＞BOD5＞TN＞糞大腸菌群＞DO，說明氨氮對水質(zhì)的相關(guān)性最大，直接作用最強(qiáng)，也是主要決策變量，它主要通過高錳酸鹽指數(shù)與TP 間接影響，是影響水質(zhì)的主要路徑。

表2 太子河遼陽段水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

表3 主要污染指標(biāo)對水質(zhì)的通徑分析

3 結(jié)論

1）研究區(qū)域2014—2020 年太子河水質(zhì)可以達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，整體水質(zhì)情況較好。此次研究的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于區(qū)域水環(huán)境功能目標(biāo)的指標(biāo)有氨氮、TN，其中TN 濃度嚴(yán)重超標(biāo)，甚至超過了Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來講，太子河遼陽段水質(zhì)狀況逐年變好。

2）太子河遼陽段水環(huán)境呈弱堿性，由于汛期降水較多，導(dǎo)致河流流速加快，污染物遷移速度也變大，且水量增加會稀釋污染物，所以汛期水質(zhì)情況要好于非汛期?？臻g上來看，上游水質(zhì)最好，下游次之，中游最差，尤其北沙河入河口最為嚴(yán)重，汛期和非汛期水質(zhì)分別為Ⅳ類和Ⅴ類水，超過了水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。太子河遼陽段主要為點(diǎn)源和面源污染的綜合作用，污染源主要是生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)及畜牧養(yǎng)殖業(yè)污水，從而導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)營養(yǎng)鹽較高。

3）利用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)評價，發(fā)現(xiàn)太子河遼陽段的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)在汛期與非汛期分別為3.330，3.861，均達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，綜合水質(zhì)較好，只有TN 和氨氮指標(biāo)超過河段水功能目標(biāo)。

4）通徑分析發(fā)現(xiàn)，研究的主要污染指標(biāo)中只有DO 與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，氨氮對研究區(qū)域的水質(zhì)直接影響最大，而且主要依靠高錳酸鹽指數(shù)與TN的間接影響，這也是影響水質(zhì)的主要途徑。