遼河流域遼寧段主要水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面近30a水質(zhì)變化特征分析

孔令堯

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

遼河干流全長(zhǎng)為1383km，流經(jīng)遼寧、吉林、內(nèi)蒙、河北等四省，在遼寧省境內(nèi)的面積為6.93萬(wàn)km2，是遼寧省境內(nèi)第一大河流[1]。遼河水環(huán)境對(duì)于遼河流經(jīng)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響十分明顯，早期由于工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，遼河水環(huán)境產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響，水質(zhì)逐年遞減，各類水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)較高[2]。2000年開(kāi)始，遼河加大流域水環(huán)境綜合治理的力度，流域水環(huán)境得到不同程度的改善，流域水質(zhì)得到好轉(zhuǎn)，水污染濃度有所下降[3]。近些年來(lái)，遼河干流水質(zhì)指標(biāo)濃度變化得到一定程度的研究[4-11]，但這些研究大都未能系統(tǒng)對(duì)遼河干流各主要控制斷面的水質(zhì)指標(biāo)濃度進(jìn)行分析，存在代表性不強(qiáng)的局限。為提高遼河干流水環(huán)境保護(hù)的力度，結(jié)合遼河干流13個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮、總磷和化學(xué)需氧量觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其近30a水質(zhì)變化特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)變量趨勢(shì)檢驗(yàn)應(yīng)用較好的Mann-Kendall方法[12-14]，對(duì)其各指標(biāo)變化特征進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)。研究成果對(duì)于遼河水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的科學(xué)制定具有重要參考價(jià)值。

1 研究資料及方法

1.1 水質(zhì)斷面概況

選取遼河流域13個(gè)主要控制斷面氨氮、總磷觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)遼河流域1990—2020年主要控制斷面水質(zhì)變化特征進(jìn)行分析，各站點(diǎn)名稱及水質(zhì)目標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 遼河流域主要水質(zhì)控制斷面

1.2 變化趨勢(shì)檢驗(yàn)方法

水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢(shì)采用Mann-Kendall方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，該方法主要通過(guò)對(duì)年和季節(jié)尺度水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特征統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)變量計(jì)算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—水質(zhì)指標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)系列趨勢(shì)檢驗(yàn)特征統(tǒng)計(jì)變量；xi—水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)系列正向樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)系列；xj—水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)系列反向樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)系列；σs—計(jì)算水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)系列的標(biāo)準(zhǔn)方差；sign—變量計(jì)算符號(hào)；n—水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)序列樣本總數(shù)；Z—不同檢驗(yàn)水平下的變量特征值，Z>0表示水質(zhì)指標(biāo)總體呈現(xiàn)遞增變化，反之則表示水質(zhì)指標(biāo)總體呈現(xiàn)遞減變化。99%置信檢驗(yàn)水平下|Z|高于2.32，95%置信檢驗(yàn)水平下|Z|在1.64～2.32之間，90%置信檢驗(yàn)水平下|Z|在1.28～1.64之間。

2 水質(zhì)變化特征分析

2.1 年尺度分析

結(jié)合遼河流域13個(gè)主要控制斷面氨氮、總磷觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同年代氨氮和總磷濃度均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 遼河流域遼寧段主要控制斷面不同年代氨氮和總磷濃度均值 單位：mg/L

在遼河流域遼寧段主要控制斷面不同年代氨氮和總磷濃度均值變化可看出，遼河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面不同年代氨氮和總磷濃度均值均在Ⅲ～Ⅳ類水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)內(nèi)，不同年代水質(zhì)濃度均值總體呈現(xiàn)遞減變化，但遞減幅度不高，2000—2010年由于遼河流域水環(huán)境綜合治理措施的不斷實(shí)施，使得氨氮和總磷總體呈現(xiàn)遞減變化，通過(guò)分析不同年代氨氮和總磷濃度均值遞減率，近30a遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度均值年遞減率分別為0.05和0.03mg/L·10a。

2.2 季節(jié)尺度分析

在遼河流域遼寧段年尺度分析的基礎(chǔ)上，對(duì)流域內(nèi)各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面汛期和非汛期氨氮和總磷濃度均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表3—4。

表3 遼河流域遼寧段主要控制斷面不同年代汛期氨氮和總磷濃度均值 單位：mg/L

表4 遼河流域遼寧段主要控制斷面不同年代非汛期氨氮和總磷濃度均值 單位：mg/L

從遼河流域遼寧段汛期和非汛期氨氮和總磷濃度均值變化可看出，汛期用于河道內(nèi)水量相對(duì)較為充沛，使得不同年代各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度均值要低于非汛期各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的濃度均值，和年尺度變化具有相似性，汛期和非汛期各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度均值也總體呈現(xiàn)遞減變化，但遞減幅度要高于年尺度，汛期氨氮和總磷濃度均值在不同年代遞減幅度分別為0.06和0.05mg/L·10a，而非汛期其遞減幅度有所減小，氨氮和總磷濃度均值遞減幅度分別為0.057和0.048mg/L·10a，遞減幅度均要高于年尺度。

3 水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

3.1 年尺度分析

在年尺度和季節(jié)尺度遼河流域遼寧段主要控制監(jiān)測(cè)斷面總磷和氨氮濃度均值分析基礎(chǔ)上，采用Mann-Kendall方法對(duì)遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面不同年代氨氮和總磷濃度變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面總磷和氨氮年尺度濃度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果 單位：mg/L

從遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面總磷和氨氮年尺度濃度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果可看出，各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度均值總體呈現(xiàn)遞減變化，部分?jǐn)嗝娉尸F(xiàn)遞增變化，但總體趨勢(shì)檢驗(yàn)值為負(fù)值，表明遼河鐵嶺段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度逐步遞減，通過(guò)不同年代氨氮和總磷濃度均值變化趨勢(shì)檢驗(yàn)可看出，2000年以后遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度遞減趨勢(shì)檢驗(yàn)值變幅加大，表明其遞增趨勢(shì)的顯著性增強(qiáng)。

3.2 季節(jié)尺度分析

在遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面年尺度氨氮和總磷趨勢(shì)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)汛期和非汛期各監(jiān)測(cè)斷面總磷和氨氮進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6—7。

表6 遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面總磷和氨氮汛期尺度濃度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果 單位：mg/L

表7 遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面總磷和氨氮非汛期尺度濃度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果 單位：mg/L

從遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面汛期和非汛期氨氮和總磷濃度趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果可看出，其總體變化趨勢(shì)檢驗(yàn)值和年尺度具有一致性，均總體呈現(xiàn)遞減變化，但各年代遞減趨勢(shì)檢驗(yàn)值總體未能通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，部分?jǐn)嗝孚厔?shì)檢驗(yàn)值可通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)。從氨氮和總磷不同年代趨勢(shì)檢驗(yàn)值可看出，其遞減趨勢(shì)檢驗(yàn)值之間的差異程度較低，遼河鐵嶺段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷之間具有較好的相關(guān)性，通過(guò)分析汛期氨氮和總磷的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.65以上，非汛期相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.4以上。

4 水質(zhì)影響成因分析

結(jié)合參考文獻(xiàn)[15]的方法對(duì)遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面總氮和總磷影響成因的貢獻(xiàn)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表8—9。

表8 遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮影響成因分析結(jié)果 單位：%

表9 遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面總磷影響成因分析結(jié)果 單位：%

通過(guò)對(duì)遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度影響因子相對(duì)貢獻(xiàn)率分析結(jié)果可看出，對(duì)于氨氮和總磷而言，農(nóng)業(yè)和工業(yè)是其主要影響因子，其相對(duì)貢獻(xiàn)率累積值高于70%，居民生活污水影響相對(duì)貢獻(xiàn)率約為20%。各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷之間具有較好的相關(guān)性，因此其影響主因也具有一致性。遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度總體受農(nóng)業(yè)面源污染影響較大，其次為工業(yè)廢水影響，人類生活污水影響程度較低。尤其是2000年以后，加大了對(duì)遼河流域沿線灌區(qū)農(nóng)業(yè)化肥使用量管控和工業(yè)污水排放力度的整治，使得其各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷濃度逐年呈現(xiàn)遞減變化。

5 結(jié)論

(1)農(nóng)業(yè)面源污染是遼河流域遼寧段水質(zhì)變化影響的主因，尤其是氨氮影響相對(duì)貢獻(xiàn)率高于40%，其次是工業(yè)廢水影響，其對(duì)總磷的影響要高于氨氮濃度的影響，建議進(jìn)一步加大對(duì)遼河流域沿線農(nóng)業(yè)耕種區(qū)面源污染的管控。

(2)遼河流域遼寧段各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面氨氮和總磷之間具有較好的相關(guān)性，其變化趨勢(shì)總體具有一致性，汛期氨氮和總磷的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.65以上，非汛期相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.4以上。

(3)通過(guò)建立氨氮和總磷與各影響因子之間的回歸方程，結(jié)合區(qū)域規(guī)劃數(shù)據(jù)，對(duì)水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)是后續(xù)主要研究的重點(diǎn)。