遼河干流水質綜合評價

李紫煜

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引 言

河水污染與治理為國內外水文水資源相關學者最為關注的研究課題，尤其是重大涉水工程和重要河流水質為當前研究的重要領域[1]。例如，Kay等從殺蟲劑、營養物質、溶解有機碳3個方面研究英國給水工業面臨的水源水質問題，提出農民耕作方法應以無害環境為基本前提，強調了一些管控措施在水源污染治理中的重要性；Voza等利用聚類分析、因子分析和主成分分析法揭示了多瑙河塞威亞段水質的時空變化特征，研究表明人類生活、生產活動與河流水質指標的時空變化密切相關；Fernandez等深入研究了墨西哥與美國共享河流的水質問題，研究發現在共同水道中廢水污染問題十分突出，開展水管理人員和相關政府的多邊合作，為提高國際河流水質和解決跨界水污染問題的有效方法。

近年來，頻繁出現的水荒問題逐漸引起我國學術界和各級政府的高度關注，錢易等對我國地表水分布不均和水資源匱乏的問題進行了詳細而深刻的論述，淡水僅占地球總水量的2.7%，而可被利用的淡水僅占淡水總量的0.001%，由此表明天然河流水非常寶貴。特別是城鎮化和經濟社會的快速發展，使得區域人口規模和密集程度迅速增大，農業、農業及生態等用水量急劇增加，水資源短缺問題為限制經濟發展和影響人們正常生活的關鍵因素。另外，個別江河水系水環境污染問題突出，從農業灌溉和農村生活污水排放到工業廢水與城市生活污水排放，均對地球水環境產生極為不利的影響。遼河流域屬于中國東北地區經濟發展和糧食生產的核心區域，未經嚴格科學處理的城市工業污水自行排放、隨意亂倒的垃圾和生活污水、農業過度使用的農藥與化肥、城鎮污水處理能力不足等，對地表水安全已構成嚴重的威脅。1984年頒布實施的水污染防治法在很大程度上推動了國家重要江河、湖泊以及遼河流域的水污染治理工作，遼河水域治理被科技部列為重大專項，大大加強了城市污水處理能力和工農業污染防治力度，并引起了社會各界的高度重視。

孟偉對遼河水環境治理的實施方案、目標任務、研究內容進行了闡述，為建設水污染治理防控體系奠定了重要基礎；孟偉等[3]對遼河流域按照尺度理論和生態學格局，利用GIS技術劃分為14個二級區和3個一級區，深入研究不同分區面臨的生態環境問題和生態系統特點，依據水生態環境管理技術建立較為系統、完善的理論體系；王西琴等[4]研究認為遼河干流為中度污染，2003年參與監測的所有斷面均為劣V類水質，其中COD為V類水質濃度3倍，濃度值達到118mg/L，提出加強水生態修復工程建設和實行入河污染物總量控制的建議；王高旭等[5]從河流斷流、水資源過度開發的角度，對復合生態需水及其基本構成進行深入分析；周丹卉等[6]研究發現遼河2005-2009年期間的氨氮達標率表現出波動變化特征，且整體處于較低水平；惠秀娟等[7]系統、科學的研究水系統的健康水平，結果表明水生態功能嚴重退化，提出對遼河水系大力推進水環境污染治理和水生態修復的建議；楊育紅等[8]通過對東北地區水污染相關研究成果的分析，認為1991到2008年為水環境研究的理論探索階段，今后應加強管理措施、數據統計和科學評價研究。總體而言，關于綜合評價遼河水質方面的研究還鮮有報道。

文章將加權分析法和模糊綜合評價法向結合，依據2009-2018年遼河干流兩個國控監測斷面的水質報告，在時空分布上揭示了干流水質的變化特征，根據評價結果提出有效的建議措施。

1 研究資料與方法

1.1 遼河流域概況

遼河流域南臨黃海、渤海，流經河北、內蒙古、吉林和遼寧四省，全長為1345km，年均徑流量128×108m3，主要有老哈河、少冷河、渾河、西拉木倫河、太子河、秀水河、饒陽河、柴河等，各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折。流域屬于溫帶大陸季風氣候，四季分明，冬冷夏熱，日照充足，年均氣溫8.0-12.6℃，年均降水量537.7-690.4mm，為中國東北地區重要的畜牧業基地、糧食生產基地和重工業基地。由于獨特的地理特征和環境氣候，降水呈明顯的區域性與季節性特征，不同時間尺度上的降水量存在較大的差異，每年的7-9月為降雨集中期且多以暴雨或強降雨[9-11]。在空間分布上，平原地區相對于高山地較低，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北地區風沙干旱嚴重且降水稀少。東遼河、西遼河匯集于福德店之后的河流即為遼河干流，主要經鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦后匯入渤海，長538km，占地1869.7km2。鐵嶺斷面含沙量較高，為3.6kg/m3。

選擇遼河干流2009-2018年兩個國家監控斷面和國家環境監控數據庫作為本研究工作的數據來源，當年數據為每年徑流量與水量近似相等的第22周監測數據，地表水環境質量指標標準。國家最新地表水質量標準，見表1。

表1 國家最新地表水質量標準 mg/L

1.2 研究方法

模糊綜合評價法是將定性問題依據評價對象與評價因子之間的隸屬關系轉化為定量計算，通過加權平均處理分析綜合評價結果的數學方法。該方法的運算流程為：根據評價對象的具體情況建立因子集，結合評價標準構造評語集V=V1,V2,…,Vm，經分析處理構造隸屬函數，并對模糊關系矩陣R利用隸屬函數進行計算，確定的權屬分配模數矢量即為各因素的評價權向量A=(a1,a2,…,an)；待評價對象的綜合評價結果通過模糊關系矩陣R和權矢量A的合成運算確定，其計算式為B=A×R=(B1，B2，…，Bj)，隸屬度等級利用加權平均法確定，評價等級的秩用j表示，j=1,2,3,…,m。待評價對象相對位置的計算公式為：

(1)

式中：k為用于控制較大的Bj值的待定系數，一般取1或2；Bj為隸屬于j等級的程度。

將河流水質按照地表水質量標準劃分為5個等級，從而構造評價集為V，即：V=[Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ]，然后將水質評價因子劃分為不同等級，從而確定相應的隸屬函數。采用偏大型分布構造DO評價指標的隸屬函數，即：

(2)

采用半梯形偏小型分布構造COD和NH3-N指標的隸屬函數，即數值越小則水質評價越優。設相鄰的兩個分級標準為vj、vj+1，且vj+1>vj，則利用下式確定vj、vj+1級的隸屬函數，即：

(3)

(4)

按照權重越大、污染越大的原則確定評價指標權重的大小，對于DO越大則水質越優型的權重，其計算式為：

(5)

針對COD和NH3-N指標值越小則水質越優型的權重，計算公式為：

(6)

為滿足模糊復合運算條件需要歸一化處理各評價因子的權重值，即：

(7)

2 結果分析

2.1 水質評價結果

根據國家環境保護數據部中心提供的遼河干流2009-2018年盤錦興安、鐵嶺朱爾山兩個國控斷面的水體酸堿度pH值、氨氮NH3-N排放量、化學需氧量COD及溶解氧DO的逐年監測數據，通過分析發現，研究期間水體的pH值能夠達到標準要求，而NH3-N、COD、DO含量不符合水環境質量標準，所以水質評價因子選取為H3-N、COD、DO指標，2009-2018年興安斷面和朱爾山斷面的評價因子監測值。遼河干流典型監測斷面各評價因子值，見表2；然后按照文中模糊綜合法實現流程和計算原理進行綜合評價評價。

表2 遼河干流典型監測斷面各評價因子值 mg/L

根據表2水質監測結果，朱爾山斷面DO濃度最大值為2016年的11.51mg/L，2009-2018年DO濃度值呈波動型上升趨勢，由最初的5.71mg/L波動增大至10.12mg/L。從DO濃度值變化特征可基本認為，遼河干流朱爾山斷面水質向好的方向轉變，相對于Ⅰ類水質DO濃度值≥7.5mg/L的標準，2010、2012、2016、2018年均優于Ⅰ類水質，而2017年DO指標監測值失效。盤錦興安斷面的DO濃度最大值為2018年的9.17mg/L，水質優于Ⅰ類標準，研究期間兩監測斷面的DO濃度值變化特征基本相同，朱爾山斷面水質略優于興安斷面。通過分析3個水質指標濃度值可知，朱爾山斷面2016年COD、DO指標監測值為7.78、11.51mg/L，均優于Ⅰ類水質，而NH3-N濃度值介于Ⅲ類-Ⅱ類水之間，可見要系統、全面的評判朱爾山斷面2016年水質等級及其是否為最優年份，必須利用模糊綜合法科學評價其水質狀況。

將模糊關系矩陣R利用公式(2)計算，以朱爾山斷面2009年監測數據為例，采用公式(2)和DO監測結果確定不同評價等級的隸屬度為：u1=0、u2=0.73、u3=0.73、u4=0、u5=0。2009年其他兩個指標在該斷面處的隸屬度利用公式(3)、(4)計算確定，由此可構造該斷面的模糊矩陣R2008。同理，確定研究期間其他年份以及興安斷面的模糊關系矩陣R，遼河干流典型斷面的模糊關系矩陣，見表3。

表3 遼河干流典型斷面的模糊關系矩陣

續表3 遼河干流典型斷面的模糊關系矩陣

對3個評價指標在研究期間的監測值權重利用歸一化計算公式(5)-(7)進行處理，水質評價因子的歸一化權重值，見表4。

從表4可知，2009-2018年期間溶解氧監測值在兩個斷面中所占權重比較大，氨氮、化學需氧量、溶解氧3個指標在鐵嶺朱爾山斷面2009年的監測值所占權重依次為0.27、0.22、0.51；3個指標的監測值權重在盤錦興安斷面依次為0.30、0.22、0.48。溶解氧的權重在鐵嶺朱爾山斷面、盤錦興安斷面處<0.33的分別有4a、1a。總體而言，10a期間兩個斷面的溶解氧權重呈波動變化趨勢且整體較大，化學需氧量權重在兩個斷面處較為平穩，而氨氮、溶解氧權重值之間存在明顯的負相關性，仍需要進一步量化計算各指標變化對水質評價結果的影響作用。

表4 水質評價因子的歸一化權重值

對盤進興安斷面和朱爾山斷面的水質狀況利用模糊評價矢量公式B=A×R計算確定。遼河干流典型斷面2009-2018年水質評價結果，見表5。

表5 遼河干流典型斷面2009-2018年水質評價結果

從表5可以看出，2009-2018年期間Ⅰ類水質占比在兩個斷面處均表現出逐漸增大的趨勢，朱爾山斷面、興安斷面的Ⅰ類水質占比分別有之前的0.31、0.22增大至0.87、0.38，個別年份出現波動但整體仍以增大為主，通過加權平均處理對各斷面10年水質排序。

采用加權平均處理法對研究期間兩個斷面的水質模糊評價結果進行計算，文中k值取1，從而獲取2009-2018年期間的B*值。為了更加直觀的反映10年期間兩個監測斷面的水質變化特征，將加權平均處理結果繪制成圖。遼河干流水質評價結果，見圖1。

(a)朱爾山斷面

(b)興安斷面圖1 遼河干流水質評價結果

根據圖1(a)可以看出，Ⅰ類-Ⅳ類水質標準為朱爾山斷面的水質變化區間，該斷面水環境在2012年以后整體為Ⅰ-Ⅱ類水質標準，2018年該斷面水質達到最好；從圖1(b)可知，Ⅰ類-Ⅲ類水質標準為興安斷面水質的變化區間，該斷面水環境在2014年以后整體為Ⅰ-Ⅲ類水質，2018年該斷面水質達到最好；在空間分布上，該評價結果符合遼河干流下游水質劣于上游的變化特征。

2.2 結果分析

根據不同年份各評價因子的權重可知，遼河干流水質受化學需氧量指標的影響較小，而溶解氧對該河流水質的影響較為突出，溶解氧權重在興安斷面、朱爾山斷面處分別為58%和71%。溶解氧評價指標在興安斷面、朱爾山斷面處的最大值分別為9.17、11.51mg/L，所以從溶解氧的角度可認為朱爾山斷面處水質較好；水體的自凈能力與溶解氧含量密切相關，河流水體的自凈能力隨著該指標監測值的增大而增大。植物的殘體、動物的實體、生活污水以及工業廢水中的有機物等為影響水體溶解氧濃度的主要因素，在氧化過程中這些有機物需要消耗大量的氧氣，若無法及時補充水體中的氧將快速降低溶解氧濃度，從而導致水生動植物因氧氣不足窒息死亡，許多厭氧菌快速繁殖并導致水質進一步惡化。

3 結 論

1)根據水質狀況時空分布特征，在2012、2014年后兩個國控斷面的水環境標準基本處于Ⅰ類-Ⅱ類水質之間，朱爾山斷面的水環境質量較優。

2)控制面源和點源污染為提高溶解氧含量、保持水體質量的有效措施。達標排放城鎮生活污水，嚴格控制農藥化肥施用量，最大限度的降低農村和農業面源污染。另外，為盡可能的降低生活廢水污染物的排放要轉變人們的消費模式和觀念。

3)加快污水處理技術相關研究，特別是一些特殊行業廢水和高濃度有機廢水的科技攻關研究，盡可能的實現水資源循環利用和污水達標排放。

4)整體來看，遼河干流水體環境經10a的綜合治理得到明顯改善。研究發現，溶解氧含量偏低為造成遼河干流水質下降的關鍵因素，尤其是有機污染物、氨氮的超標排放，從水質變化趨勢可知，通過科學管理可顯著提升水質狀況。