遼河流域遼寧段主要水質監測斷面近30a水質變化特征分析

孔令堯

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

遼河干流全長為1383km，流經遼寧、吉林、內蒙、河北等四省，在遼寧省境內的面積為6.93萬km2，是遼寧省境內第一大河流[1]。遼河水環境對于遼河流經城市社會經濟發展影響十分明顯，早期由于工業和農業的快速發展，遼河水環境產生了較為嚴重的影響，水質逐年遞減，各類水質指標超標較高[2]。2000年開始，遼河加大流域水環境綜合治理的力度，流域水環境得到不同程度的改善，流域水質得到好轉，水污染濃度有所下降[3]。近些年來，遼河干流水質指標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對遼河干流各主要控制斷面的水質指標濃度進行分析，存在代表性不強的局限。為提高遼河干流水環境保護的力度，結合遼河干流13個水質監測斷面氨氮、總磷和化學需氧量觀測數據，對其近30a水質變化特征進行系統分析，并結合國內變量趨勢檢驗應用較好的Mann-Kendall方法[12-14]，對其各指標變化特征進行趨勢檢驗。研究成果對于遼河水環境保護規劃的科學制定具有重要參考價值。

1 研究資料及方法

1.1 水質斷面概況

選取遼河流域13個主要控制斷面氨氮、總磷觀測數據，對遼河流域1990—2020年主要控制斷面水質變化特征進行分析，各站點名稱及水質目標見表1。

表1 遼河流域主要水質控制斷面

1.2 變化趨勢檢驗方法

水質指標變化趨勢采用Mann-Kendall方法進行顯著性檢驗，該方法主要通過對年和季節尺度水質指標數據系列進行特征統計，其統計變量計算方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—水質指標觀測數據系列趨勢檢驗特征統計變量；xi—水質指標數據系列正向樣本統計數據系列；xj—水質指標數據系列反向樣本統計數據系列；σs—計算水質指標數據數據系列的標準方差；sign—變量計算符號；n—水質指標統計數據序列樣本總數；Z—不同檢驗水平下的變量特征值，Z>0表示水質指標總體呈現遞增變化，反之則表示水質指標總體呈現遞減變化。99%置信檢驗水平下|Z|高于2.32，95%置信檢驗水平下|Z|在1.64～2.32之間，90%置信檢驗水平下|Z|在1.28～1.64之間。

2 水質變化特征分析

2.1 年尺度分析

結合遼河流域13個主要控制斷面氨氮、總磷觀測數據，對不同年代氨氮和總磷濃度均值進行統計分析，結果見表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，遼河流域水質監測斷面不同年代氨氮和總磷濃度均值均在Ⅲ～Ⅳ類水質保護目標內，不同年代水質濃度均值總體呈現遞減變化，但遞減幅度不高，2000—2010年由于遼河流域水環境綜合治理措施的不斷實施，使得氨氮和總磷總體呈現遞減變化，通過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監測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 季節尺度分析

在遼河流域遼寧段年尺度分析的基礎上，對流域內各水質監測斷面汛期和非汛期氨氮和總磷濃度均值進行統計分析，結果見表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，汛期用于河道內水量相對較為充沛，使得不同年代各水質監測斷面氨氮和總磷濃度均值要低于非汛期各水質監測斷面的濃度均值，和年尺度變化具有相似性，汛期和非汛期各水質監測斷面氨氮和總磷濃度均值也總體呈現遞減變化，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 水質變化趨勢分析

3.1 年尺度分析

在年尺度和季節尺度遼河流域遼寧段主要控制監測斷面總磷和氨氮濃度均值分析基礎上，采用Mann-Kendall方法對遼河流域遼寧段各水質監測斷面不同年代氨氮和總磷濃度變化趨勢進行檢驗，檢驗結果見表5。

表5 遼河流域遼寧段各水質監測斷面總磷和氨氮年尺度濃度變化趨勢檢驗結果 單位：mg/L

從遼河流域遼寧段各水質監測斷面總磷和氨氮年尺度濃度變化趨勢檢驗結果可看出，各水質監測斷面氨氮和總磷濃度均值總體呈現遞減變化，部分斷面呈現遞增變化，但總體趨勢檢驗值為負值，表明遼河鐵嶺段各水質監測斷面氨氮和總磷濃度逐步遞減，通過不同年代氨氮和總磷濃度均值變化趨勢檢驗可看出，2000年以后遼河流域遼寧段各水質監測斷面氨氮和總磷濃度遞減趨勢檢驗值變幅加大，表明其遞增趨勢的顯著性增強。

3.2 季節尺度分析

在遼河流域遼寧段各水質監測斷面年尺度氨氮和總磷趨勢檢驗的基礎上，對汛期和非汛期各監測斷面總磷和氨氮進行趨勢檢驗，檢驗結果見表6—7。

表6 遼河流域遼寧段各水質監測斷面總磷和氨氮汛期尺度濃度變化趨勢檢驗結果 單位：mg/L

表7 遼河流域遼寧段各水質監測斷面總磷和氨氮非汛期尺度濃度變化趨勢檢驗結果 單位：mg/L

從遼河流域遼寧段各水質監測斷面汛期和非汛期氨氮和總磷濃度趨勢檢驗結果可看出，其總體變化趨勢檢驗值和年尺度具有一致性，均總體呈現遞減變化，但各年代遞減趨勢檢驗值總體未能通過90%的顯著性檢驗，部分斷面趨勢檢驗值可通過90%的顯著性檢驗。從氨氮和總磷不同年代趨勢檢驗值可看出，其遞減趨勢檢驗值之間的差異程度較低，遼河鐵嶺段各水質監測斷面氨氮和總磷之間具有較好的相關性，通過分析汛期氨氮和總磷的相關系數可達到0.65以上，非汛期相關系數可達到0.4以上。

4 水質影響成因分析

結合參考文獻[15]的方法對遼河流域遼寧段各水質監測斷面總氮和總磷影響成因的貢獻率進行統計，結果見表8—9。

表8 遼河流域遼寧段各水質監測斷面氨氮影響成因分析結果 單位：%

表9 遼河流域遼寧段各水質監測斷面總磷影響成因分析結果 單位：%

通過對遼河流域遼寧段各水質監測斷面氨氮和總磷濃度影響因子相對貢獻率分析結果可看出，對于氨氮和總磷而言，農業和工業是其主要影響因子，其相對貢獻率累積值高于70%，居民生活污水影響相對貢獻率約為20%。各水質監測斷面氨氮和總磷之間具有較好的相關性，因此其影響主因也具有一致性。遼河流域遼寧段各水質監測斷面氨氮和總磷濃度總體受農業面源污染影響較大，其次為工業廢水影響，人類生活污水影響程度較低。尤其是2000年以后，加大了對遼河流域沿線灌區農業化肥使用量管控和工業污水排放力度的整治，使得其各水質監測斷面氨氮和總磷濃度逐年呈現遞減變化。

5 結論

(1)農業面源污染是遼河流域遼寧段水質變化影響的主因，尤其是氨氮影響相對貢獻率高于40%，其次是工業廢水影響，其對總磷的影響要高于氨氮濃度的影響，建議進一步加大對遼河流域沿線農業耕種區面源污染的管控。

(2)遼河流域遼寧段各水質監測斷面氨氮和總磷之間具有較好的相關性，其變化趨勢總體具有一致性，汛期氨氮和總磷的相關系數可達到0.65以上，非汛期相關系數可達到0.4以上。

(3)通過建立氨氮和總磷與各影響因子之間的回歸方程，結合區域規劃數據，對水質濃度變化趨勢預測是后續主要研究的重點。