王 爽

(遼寧省遼陽(yáng)水文局,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)過程中,河流作為環(huán)境與資源載體直接關(guān)系著城市的生存發(fā)展[1]。隨著城市的快速擴(kuò)張及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,工業(yè)廢水和生活污水排放量急劇增多,加上環(huán)保設(shè)施建設(shè)滯后使得大量污染物入河,水體中磷(P)、氮(N)、化學(xué)需氧量(COD)等超標(biāo),水環(huán)境受到嚴(yán)重污染[2-3]。受生態(tài)水文過程與人類活動(dòng)的共同影響,河流地表水體呈現(xiàn)出時(shí)空異質(zhì)性。近年來,由于生產(chǎn)、生活方式的差異化,產(chǎn)生不同污染程度的廢水和不同類型的污水對(duì)太子河遼陽(yáng)段水體產(chǎn)生影響,水生態(tài)功能逐漸退化。因此,全面分析太子河遼陽(yáng)段水體污染時(shí)空變化特征,對(duì)保護(hù)太子河流域水質(zhì)安全、改善河流水體環(huán)境和了解水質(zhì)現(xiàn)狀具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

水質(zhì)評(píng)價(jià)是水體污染定量或定性分析的有效方法,這也是實(shí)現(xiàn)水污染防治及高效利用水資源的重要基礎(chǔ)。目前,比較常用的方法有主成分分析法、模糊數(shù)學(xué)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等[4-8]。針對(duì)單一方法存在的局限性,更多情況下是聯(lián)合使用兩種或以上方法,如楊榮金等綜合運(yùn)用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法、反距離加權(quán)法和主成分法評(píng)價(jià)分析了官?gòu)d水庫(kù)2010—2017年的水質(zhì)及其時(shí)空變化特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該水庫(kù)主要面臨著水體富營(yíng)養(yǎng)化的問題;沈洪鑫等對(duì)大汶河干流及主要支流水質(zhì)狀況利用因子分析法、內(nèi)梅羅和單因子污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果顯示大汶河流域水體受重金屬和有機(jī)物污染較重,總體達(dá)到Ⅴ類水質(zhì);曾鳳蓮等結(jié)合淮河干流1999—2019年斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用綜合污染指數(shù)法與單因子評(píng)價(jià)法探究河流水質(zhì)突變特征及關(guān)鍵污染因子變化趨勢(shì),結(jié)果表明淮河水體污染因子出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變,Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面所占比例逐漸增加[9-11]。

東北地區(qū)的降雨、徑流量和氣溫具有較明顯的季節(jié)性變化特征,河流水環(huán)境受影響因素多,為了更加直觀地揭示水污染季節(jié)性變化特征,研究選取2020年3月—2021年2月監(jiān)測(cè)分析太子河遼陽(yáng)段平、豐、枯3個(gè)水期的污染指標(biāo),采用改進(jìn)的水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法探究水污染時(shí)空變化特征及關(guān)鍵污染因子,為達(dá)到太子河遼陽(yáng)段景觀用水水質(zhì)功能要求、提升太子河干流水質(zhì)及鞏固流域治理成果提供技術(shù)支持。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

太子河有南北二源,兩支于南甸子鎮(zhèn)馬城子村匯合成太子河干流,經(jīng)本溪市進(jìn)入遼陽(yáng)市境內(nèi),全長(zhǎng)413km,其中遼陽(yáng)市境內(nèi)流程143km,面積約4000km2。境內(nèi)河流主要有柳壕河、北沙河和湯河,其中流程超過10km的有24條,大多為太子河支流。太子河水質(zhì)狀況深受沿河居民和各級(jí)政府的關(guān)注,特別是太子河遼陽(yáng)段下口子斷面作為流域水體的考核斷面,更是受到省市級(jí)政府的高度重視,其水環(huán)境狀況直接關(guān)系著廣大居民的安全健康。

1.2 水樣采集

根據(jù)河流水質(zhì)特點(diǎn)沿太子河遼陽(yáng)段開始布控采樣點(diǎn),共設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面8個(gè),其中遼陽(yáng)段5個(gè),柳壕河、湯河和北沙河支流各1個(gè),采樣點(diǎn)概況見表1。

表1 河流采樣點(diǎn)概況

研究從2020年3月至2021年2月每月對(duì)所有監(jiān)測(cè)斷面采集1次樣品,采用事先凈化好的塑料并按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》采集距離水面0.5m處水樣,其中電導(dǎo)率、pH值、濁度及水溫等指標(biāo)利用YSI660 V2型多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。經(jīng)過濾處理后,向采集的每個(gè)水樣加入1mg/L的H2SO4酸化備用,測(cè)定CODMn、BOD、NH3-N和COD指標(biāo)。

1.3 評(píng)價(jià)方法

為了能夠定量定性評(píng)價(jià)河流水體,保證水體綜合水質(zhì)不會(huì)受個(gè)別較差指標(biāo)的干擾,研究選用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法合理評(píng)價(jià)河流水體污染情況,其表達(dá)式為:

IWQ=X1·X2X3X4

(1)

式中:IWQ為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù);X1、X2為水質(zhì)級(jí)別及其在該級(jí)別范圍內(nèi)的位置;X3、X4為劣于標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)個(gè)數(shù)以及污染程度,X4為水功能區(qū)類別與綜合水質(zhì)類別的比較結(jié)果,這是一個(gè)有效數(shù)字。綜合水質(zhì)指數(shù)X1、X2的計(jì)算是應(yīng)用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的關(guān)鍵,為更加直觀地反映水體現(xiàn)狀擬定了3種改進(jìn)方案,具體如下:

(2)

(3)

(4)

2 水質(zhì)變化特征

2.1 pH值變化

太子河遼陽(yáng)段各典型斷面水體pH值變化特征如圖1所示,結(jié)果表明一個(gè)水文年內(nèi)研究區(qū)域pH值處于6.56～8.14變化范圍,總體屬于中性水體。其中,枯水期pH值處于7.01～7.52的變化范圍,該時(shí)期屬于中性水體;豐水期pH值>7屬中性偏堿水體,青魚灣點(diǎn)位出現(xiàn)最高值8.14;平水期pH值處于6.51～6.92變化范圍,該時(shí)期屬于中性偏酸水體?？傮w而言,太子河遼陽(yáng)段水體可以為水生物生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境條件。

圖1 太子河遼陽(yáng)段水體pH值變化特征

對(duì)于不同水期期,平水期太子河遼陽(yáng)段pH值略低于豐水期與枯水期,并且豐水期監(jiān)測(cè)斷面pH值大部分最高,這是因?yàn)樨S水期直接與空氣接觸的表層溫度較高,水中CO2溶解度減小使得pH值升高;另外,浮游生物在豐水期具有強(qiáng)烈的光合作用,水中CO2被消耗致使pH值上升;上游水庫(kù)豐水期放水引起水流沖擊河底,加速水體解離速度和pH值的上升。從走向上,豐水期青魚灣、蛤蜊斷面pH值略高于其它斷面,枯水期未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性,這是因?yàn)榭菟谒|(zhì)差、污染中且水量少,水體流量以支流及排污口排放為主,使得不同監(jiān)測(cè)區(qū)段pH值未表現(xiàn)出明顯差異性。

2.2 電導(dǎo)率變化

離子濃度直接決定了電導(dǎo)率σ的大小,這是分析水化學(xué)特征的主要參數(shù)之一,如圖2所示。

圖2 太子河遼陽(yáng)段水體電導(dǎo)率變化特征

對(duì)于不同水期,枯水期太子河遼陽(yáng)段水體電導(dǎo)率最高,豐水期最低,平水期居中,一般電導(dǎo)率隨水量的減小而升高,枯水期明顯高于豐水期和平水期河流電導(dǎo)率。從走向上,枯水期葠窩水庫(kù)、朝光斷面略高于其它斷面的電導(dǎo)率,尤其是朝光斷面枯水期電導(dǎo)率出現(xiàn)峰值6.18mS/m,這是因?yàn)樵摂嗝嫔嫌畏植加信盼劭?其中的可溶性鹽類使得下游電導(dǎo)率增加。

2.3 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類水為太子河水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo),采用CODMn、BOD、NH3-N和COD四個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)太子河遼陽(yáng)段水環(huán)境狀況,3種方案平、豐、枯水期水體綜合水質(zhì)指數(shù)X1·X2和單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 平、豐、枯水期太子河遼陽(yáng)店水質(zhì)評(píng)價(jià)

從表1可以看出,太子河遼陽(yáng)段和監(jiān)測(cè)斷面綜合水質(zhì)指數(shù)最小的方案一,這是因?yàn)橛?jì)算結(jié)果沒有考慮水環(huán)境質(zhì)量受超標(biāo)因子的影響,各因子賦予的權(quán)重相同;由于方案二對(duì)超標(biāo)因子賦予的權(quán)重過高使得綜合水質(zhì)指數(shù)偏大;方案三充分考慮了水環(huán)境受超標(biāo)因子的影響作用,能夠更加真實(shí)地反映河流水質(zhì)實(shí)際情況,故選用方案三評(píng)價(jià)太子河遼陽(yáng)段綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。

平、豐、枯3個(gè)水期太子河遼陽(yáng)段單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2,枯水期8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的NH3-N、COD指標(biāo)總體達(dá)到Ⅳ類水要求,部分?jǐn)嗝娴腂OD也達(dá)到Ⅳ類水要求,僅CODMn符合目標(biāo)水功能區(qū)要求;豐水期8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的CODMn、BOD及NH3-N均符合Ⅲ水要求,說明該時(shí)段太子河遼陽(yáng)段水環(huán)境良好;平水期8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面COD指標(biāo)總體符合Ⅳ類水要求,CODMn及BOD均符合Ⅲ類水要求,NH3-N水質(zhì)污染指標(biāo)具有較大差異性。

通過計(jì)算平均值可知,NH3-N和COD是主要超標(biāo)因子,3個(gè)水期中COD水質(zhì)污染指標(biāo)均未達(dá)到目標(biāo)水功能區(qū)Ⅲ類要求,如圖3所示。

2.4 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

太子河遼陽(yáng)段綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)IWQ按照方案三進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)于不同水期,枯水期太子河遼陽(yáng)段IWQ出現(xiàn)最大值,說明該時(shí)段河流水質(zhì)較差,X1·X2處于3.7～4.3變化范圍,其中葠窩水庫(kù)斷面有最大值,青魚灣、蛤蜊斷面有最小值,參與評(píng)價(jià)的8個(gè)斷面全部達(dá)Ⅳ類水要求;其次是平水期,X1·X2處于3.4～3.9變化范圍,與枯水期相比具有較小差異,說明點(diǎn)源污染是該區(qū)域主要污染源;豐水期太子河遼陽(yáng)段污染較輕,X1·X2處于2.8～3.7變化范圍,只有隔壁斷面沒有達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)要求。結(jié)合表1種定性分析結(jié)果,太子河遼陽(yáng)段枯水期總體處于輕度污染水平,豐水期和平水期水質(zhì)良好。

3 結(jié) 論

1)一個(gè)水文年內(nèi)太子河遼陽(yáng)段水體pH值處于6.56～8.14變化范圍,總體屬于中性水體,可以為水生物生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境條件。枯水期太子河遼陽(yáng)段水體電導(dǎo)率最高,豐水期最低,平水期居中,沿河道走向電導(dǎo)率未表現(xiàn)出明顯變化特征。

2)NH3-N和COD是影響太子河遼陽(yáng)段水質(zhì)的主要指標(biāo),CODMn及BOD指標(biāo)總體能夠達(dá)到目標(biāo)水功能區(qū)要求。豐水期和平水期太子河遼陽(yáng)段大部分監(jiān)測(cè)斷面均能夠符合水功能區(qū)要求,枯水期水質(zhì)未達(dá)標(biāo);水污染程度沿太子河遼陽(yáng)段河道走向具有一定規(guī)律性,上游段總體小于下游段綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。