太子河流域水質(zhì)時(shí)空演變及污染源探析

康 建

(遼寧德遠(yuǎn)項(xiàng)目管理有限公司，遼寧 葫蘆島 125300)

太子河流域是遼河流域一條主要支流，該流域上游為山區(qū)，位于遼寧東部，該區(qū)域植被較為豐富，水環(huán)境較好，中下游流經(jīng)遼陽(yáng)、本溪和鞍山等地，水質(zhì)情況與上游有很大不同，受到工業(yè)污染和生活廢水的嚴(yán)重影響。作為城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)命脈，太子河流域?qū)υ摰貐^(qū)的可持續(xù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。盡管近年來(lái)過(guò)流流域在水質(zhì)特征研究取得了一些成果，大多集中在水質(zhì)監(jiān)測(cè)的1個(gè)或幾個(gè)河段上，數(shù)據(jù)序列相對(duì)較短，目前幾乎沒(méi)有對(duì)整個(gè)流域的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。本文根據(jù)2002—2021年8條國(guó)家監(jiān)測(cè)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)河段的5類水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了太子河流域水質(zhì)的空間和時(shí)間趨勢(shì)，并提出流域的污染預(yù)防措施。

1 研究原理

本文選取太子河流域8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面(小姐廟、小河口、唐馬寨、小林子、遼陽(yáng)、二道溝、本溪、老官砬子)的2002—2021年連續(xù)水質(zhì)采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。選擇了5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)來(lái)代表太子河流域的水質(zhì)趨勢(shì)：氨氮、高錳酸鉀指數(shù)、揮發(fā)酚、化學(xué)需氧量和生化需氧量[1]。水質(zhì)影響因素主要計(jì)算每個(gè)污染因素的貢獻(xiàn)，使用多元回歸方程，結(jié)合其主要污染源的主成分分析和每個(gè)因素的主成分值來(lái)量化主要影響因素對(duì)太子河流域的8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)指標(biāo)分別進(jìn)行了評(píng)估，分析各斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，并根據(jù)單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)得分情況，選擇最劣作為評(píng)價(jià)水質(zhì)總分，采用M-K非線性對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，將一系列的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)作為統(tǒng)計(jì)變量S的樣本序列：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—檢驗(yàn)水質(zhì)指標(biāo)樣本系列的顯著性的統(tǒng)計(jì)變量；xi和xj—同一樣本集的兩個(gè)樣本數(shù)據(jù)系列；α—標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)方差；sign—估計(jì)變量，n—總樣本系列，Z—檢驗(yàn)因變量，如果，Z大于0，則水質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)、否則，就呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，如果，當(dāng)Z的絕對(duì)值大于2.32，顯著性置信水平為99%，Z的絕對(duì)值在1.64—2.32之間，其顯著性置信水平為95%，Z的絕對(duì)值在1.28—1.64之間，顯著性置信水平為90%。

2 水質(zhì)時(shí)間特征

2.1 水質(zhì)斷面達(dá)標(biāo)率

在8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，使用地表水環(huán)境質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)進(jìn)行評(píng)估，其達(dá)標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表1。

表1 太子河流域水質(zhì)年達(dá)標(biāo)率統(tǒng)計(jì)

通過(guò)分析每個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的參考值并基于單個(gè)指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果，2002—2012年，該流域大多數(shù)水質(zhì)僅在1個(gè)階段達(dá)到三級(jí)或以上，有部分年份未達(dá)標(biāo)，使水質(zhì)達(dá)標(biāo)率相對(duì)較低。相比之下，2013年，8個(gè)水質(zhì)階段中有2個(gè)達(dá)到了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，到2021年，有5個(gè)階段達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)，流域的水環(huán)境有了較大改善。

2.2 水質(zhì)斷面中的各項(xiàng)指標(biāo)

在5個(gè)選定的太子河流域的水質(zhì)參數(shù)(如銨氮、生化需求量、化學(xué)需氧量、高錳酸鉀指數(shù)和揮發(fā)性酚類)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合M-K非線性顯著性檢驗(yàn)方法，對(duì)各斷面水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)進(jìn)行分析[2-3]，結(jié)果見表2—6。

表2 太子河流域氨氮濃度變化趨勢(shì)

表3 太子河流域生化需氧量濃度變化趨勢(shì)

表4 太子河流域化學(xué)需氧量濃度變化趨勢(shì)

表5 太子河流域高錳酸鉀指數(shù)濃度變化趨勢(shì)

表6 太子河流域揮發(fā)酚變化趨勢(shì)

由8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面和5個(gè)水質(zhì)指標(biāo)分析可知，在小姐廟、小河口兩個(gè)水質(zhì)斷面中，各種水質(zhì)參數(shù)都明顯降低，兩者都達(dá)到了90%以上的檢驗(yàn)顯著性水平，證實(shí)了各種水質(zhì)參數(shù)濃度降低。在唐馬寨斷面，除化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)外，其他指標(biāo)均無(wú)明顯變化，這主要與工業(yè)污染的影響有關(guān)。小林子斷面的水質(zhì)顯示化學(xué)需氧量和揮發(fā)性酚類物質(zhì)明顯增加和減少，但高錳酸鉀除外，這主要是由于工業(yè)污染所造成的，氨氮在小林子斷面出現(xiàn)下降，表明城市污染的影響非常弱。在遼陽(yáng)斷面，BOD出現(xiàn)明顯下降，揮發(fā)酚也逐漸下降。而其他參數(shù)都保持穩(wěn)定，主要是由于居民污染。在二焦斷面，氨氮和揮發(fā)酚呈明顯上升，然而，其他參數(shù)顯示出明顯的下降趨勢(shì)，銨氮的顯著增加主要是由于受到城市污染的影響，化學(xué)需氧量、生化需氧量和高錳酸鉀指數(shù)顯著下降。分別超過(guò)15%和80%。在本溪斷面，由于居民生活環(huán)境的污染，氨氮和生化耗氧量率發(fā)生了明顯變化，其他指標(biāo)無(wú)顯著變化[4]，老官砬子段由于其位于流域上游，水質(zhì)無(wú)顯著變化。

2.3 水質(zhì)空間變化

根據(jù)水質(zhì)的變化特征，結(jié)合8個(gè)選定的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，各斷面水質(zhì)濃度多年均值見表7。

表7 太子河流域水質(zhì)多年平均濃度

從表7可以看出，流域水質(zhì)從上游到下游整個(gè)范圍內(nèi)都有一定的變化和減小，城市水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分別為遼陽(yáng)和本溪，各種水質(zhì)指標(biāo)的濃度相對(duì)較高，上游斷面的水質(zhì)濃度相對(duì)較低，主要是由于植被和農(nóng)業(yè)的地表水源污染相對(duì)較少。而老官砬子斷面主要是由于城市工業(yè)和居民污染，其水質(zhì)濃度比較較低。

3 污染源解析

3.1 污染源識(shí)別

根據(jù)8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定該流域的污染源，并對(duì)水質(zhì)變量之間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，主要是在COM和Bartlett域，見表8。對(duì)COM樣本的主成分分析，相應(yīng)的擬合度大于0.7，相關(guān)檢驗(yàn)水平P小于0.05，從而滿足水質(zhì)相關(guān)規(guī)范要求，8個(gè)斷面水質(zhì)變量之間的相關(guān)性良好[5]，顯示為正態(tài)分布，分析結(jié)果合理。

表8 太子河流域各水質(zhì)主成分分析

分析表明，3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為70.79%，其中氨氮和化學(xué)需氧量在主成分1中有強(qiáng)烈的正載荷，方差貢獻(xiàn)率為41.52%。該流域流經(jīng)遼陽(yáng)、本溪和鞍山3座城市，城市污水使河水中的有機(jī)物積累，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，因此，城市污水排放是第一主成分因子，氣象因自是第二個(gè)主要成分，氣候條件對(duì)Ph值有較安定的影響，對(duì)方差貢獻(xiàn)率為12.74%，所以氣象因素被確定為第二主成分因子，揮發(fā)性酚類物質(zhì)是工業(yè)生產(chǎn)中水污染的主要來(lái)源，對(duì)方差的貢獻(xiàn)為16.51%。

3.2 污染貢獻(xiàn)率

在主成分分析的基礎(chǔ)上，利用絕對(duì)主成分構(gòu)建多元回歸方程，分析各主成分對(duì)污染的貢獻(xiàn)率[6-8]，見表9。

表9 主要污染指標(biāo)貢獻(xiàn)率

對(duì)太子河流域主要污染物的貢獻(xiàn)度進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，氨氮對(duì)第一主成分的貢獻(xiàn)率分別為75.19%，化學(xué)需氧量對(duì)第一主成分的貢獻(xiàn)率為82.64%。第二主成分第三主成分的pH和揮發(fā)酚的貢獻(xiàn)率分別為81.51%和83.59%。

4 污染控制措施

4.1 加強(qiáng)對(duì)點(diǎn)源排放的控制

切實(shí)調(diào)整企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制污水排放，制定了激勵(lì)和懲罰措施[9-10]，改革了農(nóng)業(yè)灌溉方法，加強(qiáng)水質(zhì)保護(hù)力度，強(qiáng)化水資源管理，大力改善流域的水土環(huán)境，完善優(yōu)化水資源保護(hù)措施。

4.2 提高自動(dòng)監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)厮|(zhì)的能力

切實(shí)提高監(jiān)測(cè)能力和水平，實(shí)施監(jiān)測(cè)站點(diǎn)優(yōu)化調(diào)整，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性和及時(shí)性，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力[11-12]。

4.3 協(xié)調(diào)該地區(qū)的產(chǎn)業(yè)布局

加快和優(yōu)化工業(yè)環(huán)保措施的調(diào)整，減輕企業(yè)的污染負(fù)擔(dān)，廣泛推廣高耗水作業(yè)的新技術(shù)，以提高用水效率。

4.4 繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)工作

加大生態(tài)系統(tǒng)工程的規(guī)劃和建設(shè)力度，降低當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)污染負(fù)荷，切實(shí)加強(qiáng)太子河流域的源頭保護(hù)，科學(xué)、準(zhǔn)確地管理農(nóng)業(yè)面源、工業(yè)和城市點(diǎn)源的排放，加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)工程的推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

氨氮和化學(xué)需氧量是太子河流域的主要污染物，其主要來(lái)源居民生活點(diǎn)源排放，遼陽(yáng)和本溪段的氨氮和化學(xué)需氧量濃度特別高，是由城市地區(qū)的點(diǎn)源排放造成的。建議加強(qiáng)對(duì)氨氮和COD的控制力度，將其作為流域水質(zhì)的指標(biāo)，同時(shí)在枯季增加流域水量，加大控制這些污染物的排放。建議調(diào)整流域內(nèi)化工企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快工業(yè)環(huán)保措施的優(yōu)化和調(diào)整，降低其污染負(fù)荷，在耗水量較大的企業(yè)中推廣使用新技術(shù)，提高用水效率。促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的調(diào)整，提高灌溉能力，促進(jìn)流域內(nèi)生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文主要分析了太子河的水質(zhì)指標(biāo)的年度趨勢(shì)。后期應(yīng)該考慮太子河流域的水質(zhì)趨勢(shì)與洪水期間和洪水過(guò)后的水量變化情況，為制定太子河流域在不同來(lái)水條件下的水環(huán)境保護(hù)措施提供依據(jù)。