夏春龍

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113005)

渾河是撫順市的母親河，發(fā)源于撫順市清原縣灣甸子鎮(zhèn)滾馬嶺，流經(jīng)撫順、沈陽等遼寧中部城市群。渾河撫順市區(qū)段自東向西從大伙房水庫壩下至沈撫交界處的高坎大橋，全長約38km，平均比降0.85%。撫順市所轄4市區(qū)分布在渾河兩岸，有多條支流在此區(qū)間內(nèi)匯入。撫順市城區(qū)依河而建，與渾河的共生關(guān)系十分明顯，遼寧省“撫順渾河城區(qū)”水利風景區(qū)位于該區(qū)段內(nèi)。渾河流域水資源開發(fā)利用程度高，部分河段水質(zhì)污染較重，特別是下游城市段[1]。目前，沿河有多個生活污水直排口和污水處理廠排污口，直接或間接排入渾河水體。本文以渾河市區(qū)段撫順水文站斷面2004—2017年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果為樣本，運用季節(jié)性Kendall檢驗分析水質(zhì)變化趨勢、污染物來源及河水流量對水質(zhì)的影響程度，對保護渾河市區(qū)水質(zhì)、加強水資源管理具有重要參考作用。

1 實驗部分

1.1 代表斷面

選取渾河撫順市區(qū)段控制斷面撫順水文站，水文、水質(zhì)資料較全，斷面代表性強。選用2004—2017年該站水質(zhì)逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)及同步水文資料。

1.2 評價指標

根據(jù)該河段水文特征，結(jié)合撫順水文站水質(zhì)特點，選擇pH、氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)、砷化物、揮發(fā)酚、銅、鉛、氟化物、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽氮12項為評價指標，各指標依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》進行采集、保存和檢測。

1.3 方法介紹

水質(zhì)變化趨勢主要是為了了解和判斷水中污染物隨時間和空間的變化[2]。統(tǒng)計學家Kendall提出了一種非參數(shù)檢驗法-Kendall檢驗，該法原理[3]是將歷年相同月的水質(zhì)監(jiān)測資料進行比較，時間上靠后的數(shù)值高于前面值的，記“+”，反之記“-”，根據(jù)“+”、“-”個數(shù)多少進行比較，判斷有無變化趨勢(上升、下降或無趨勢)。當n≥10時，該隨機序列近似服從正態(tài)分布，Kendall檢驗定義的統(tǒng)計量為τ，取趨勢檢驗的顯著水平α為0.1和0.01。當α≤0.01，檢驗具有高度顯著性水平；當0.01<α≤0.1，檢驗具有顯著水平。當α計算結(jié)果符合上述2種情況時，τ>0，呈上升趨勢；τ<0，呈下降趨勢；τ=0，無趨勢[4]。該檢驗法的優(yōu)點是不受水質(zhì)資料的非正態(tài)性、季節(jié)性、河水流量的周期變化以及漏測值和未檢出值的影響[5]。

此外，通過對流量校正后的水質(zhì)濃度進行檢驗，可判斷變化趨勢是由流量因素造成，還是由污染因素引起，同時可間接判斷是點源污染還是面源污染[6]。流量校正方程有以下7種：

f(Q)=a+bQ

(1)

f(Q)=a+blnQ

(2)

f(Q)=a+b/Q

(3)

lnf(Q)=a+blnQ

(4)

f(Q)=a+bQ+cQ2

(5)

f(Q)=a+b/(1+βQ)

(6)

lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2

(7)

式中，Q—河流流量；a、b、c—回歸常數(shù)；β—調(diào)節(jié)系數(shù)。

根據(jù)濃度和流量數(shù)據(jù)，計算各方程中的回歸常數(shù)及相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)最高的就是所需流量校驗方程。

趨勢分析過程采用PWQTrend水質(zhì)趨勢檢驗軟件進行計算，有5種趨勢分析結(jié)果，即高度顯著下降、顯著下降、無明顯趨勢、顯著上升和高度顯著上升。

2 結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)評價結(jié)果

各水質(zhì)監(jiān)測指標采用年均值濃度，并按照GB 3838—2002進行評價。2004—2017年渾河撫順市區(qū)段單因子水質(zhì)評價狀況見表1。pH、砷化物、鉛、氟化物的年均值濃度符合Ⅰ類標準；銅2007年年均值濃度符合Ⅱ類標準，其余年份均為Ⅰ類標準；揮發(fā)酚2004—2008年年均值符合Ⅴ類標準，2010年符合Ⅳ類標準，2015年符合Ⅲ類標準；高錳酸鹽指數(shù)年均值符合Ⅲ-Ⅳ類標準；COD除2013年為Ⅴ類標準外，其余年份穩(wěn)定在Ⅲ-Ⅳ類標準；氨氮年均值基本穩(wěn)定在Ⅳ-Ⅴ類標準，最差為劣Ⅴ類，出現(xiàn)在2008年。

表1 2004—2017年選定因子的水質(zhì)評價結(jié)果

歷年水質(zhì)指標的評價，不能明顯反應水質(zhì)的變化情況，因此有必要進一步對各指標濃度進行趨勢分析。

2.2 指標濃度趨勢結(jié)果

2004—2017年渾河撫順市區(qū)段控制斷面撫順水文站水質(zhì)指標濃度變化趨勢檢驗結(jié)果見表2。結(jié)果表明，呈下降趨勢的有5項指標，其中pH、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)濃度呈顯著下降趨勢，氟化物、揮發(fā)酚濃度呈高度顯著下降趨勢；1項指標有上升趨勢，即硝酸鹽氮濃度呈高度顯著上升趨勢；6項指標無變化趨勢，即COD、氯化物、硫酸鹽、砷、銅、鉛無明顯升降趨勢。

表2 水質(zhì)指標濃度變化趨勢檢驗結(jié)果

2.3 流量校正后濃度趨勢結(jié)果

經(jīng)軟件計算，pH、氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)、氯化物、硝酸鹽氮、揮發(fā)酚、銅流量校正方程為：

lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2

(8)

硫酸鹽流量校正方程為：

f(Q)=a+b/(1+βQ)

(9)

氟化物流量校正方程為：

f(Q)=a+b/Q

(10)

砷化物和鉛流量校正方程為：

f(Q)=a+bQ+cQ2

(11)

對流量校正后的指標濃度進行趨勢檢驗，結(jié)果見表3。與校正前濃度變化趨勢結(jié)果一致的有10項指標，pH、高錳酸鹽指數(shù)濃度呈顯著下降趨勢，氟化物、揮發(fā)酚濃度呈高度顯著下降趨勢，硝酸鹽氮濃度呈高度顯著上升趨勢，COD、氯化物、硫酸鹽、砷、鉛無明顯升降趨勢。氨氮流量校正后濃度無明顯升降趨勢，與校正前不一致；銅流量校正后濃度呈高度顯著下降趨勢，與校正前也不一致。

表3 流量校正后指標濃度變化趨勢檢驗結(jié)果

2.4 不同水期濃度變化趨勢結(jié)果

豐水期為6—9月，枯水期為1—5月，10—12月。不同水期指標濃度變化趨勢Kendall檢驗結(jié)果見表4。豐水期高度顯著下降和顯著下降的指標有氨氮、COD、揮發(fā)酚、氟化物、氯化物、硫酸鹽，硝酸鹽氮為高度顯著上升水平，其余5項指標無趨勢變化；枯水期高度顯著下降和顯著下降的指標有高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚和氟化物，硝酸鹽氮為高度顯著上升水平，其余8項指標無趨勢變化。

3 水質(zhì)趨勢特點及成因分析

3.1 水質(zhì)指標變化趨勢

2004—2017年監(jiān)測數(shù)據(jù)評價結(jié)果表明，pH、氟化物、砷化物、銅、鉛等5項指標符合Ⅰ-Ⅱ類水質(zhì)標準，砷化物、銅、鉛含量水平較穩(wěn)定，無明顯變化趨勢，但pH、氟化物有一定下降趨勢，此外，銅在流量校正后也呈現(xiàn)下降趨勢。

氯化物多年平均含量為23.9mg/L，最大值為102mg/L，硫酸鹽多年平均含量水平為66.6mg/L，最大值為156mg/L，滿足標準限值要求(均為250mg/L)。Kendall檢驗表明，流量校正前后2指標濃度均無明顯變化趨勢，但在豐水期濃度均呈下降趨勢。硝酸鹽氮多年平均含量為1.64mg/L，最大值為5.58mg/L，滿足標準限值要求(10mg/L)。Kendall檢驗表明，流量校正前后和不同水期，硝酸鹽氮濃度均呈現(xiàn)為高度顯著上升趨勢。這與硝酸鹽氮年平均值變化趨勢相吻合，呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢。

氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚評價結(jié)果多為Ⅲ-Ⅴ類水質(zhì)，且出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)情況，是渾河市區(qū)段的主要污染指標，相關(guān)研究也指出了這些污染物[7- 8]。Kendall檢驗表明，氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚均呈下降趨勢，這與氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚年濃度均值變化趨勢基本一致，僅COD年均值變化趨勢不明顯，但在2013年后有明顯的連續(xù)下降，如圖1所示。流量校正后，僅氨氮表現(xiàn)為無明顯變化趨勢，其余指標仍呈下降趨勢。

表4 不同水期指標濃度變化趨勢

圖1 污染物濃度年均值變化趨勢

3.2 污染成因分析

根據(jù)撫順水文站2004—2017年同步水文資料，撫順渾河市區(qū)段河流流量有較明顯的季節(jié)性變化，豐水期平均流量69.1m3/s，枯水期平均流量30.5m3/s。Kendall檢驗表明，流量校正前后10項指標濃度趨勢變化一致，僅氨氮與銅流量校正后變化趨勢改變。不同水期的檢驗表明，豐水期有7種指標，枯水期有11種指標濃度變化趨勢與全年濃度變化趨勢保持一致?？傮w來看，渾河市區(qū)段水質(zhì)受河水流量變化的影響相對較小，主要受污染物排放的影響。從評價結(jié)果可知，主要的污染指標為氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)和揮發(fā)酚。此外，硝酸鹽氮因呈現(xiàn)顯著上升的趨勢，其污染風險也增大，應予以關(guān)注。

根據(jù)污染物濃度和河水流量的關(guān)系(如圖2所示)，氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚的濃度隨著流量增加而降低，該種趨勢呈現(xiàn)以點源為主的污染特征。硝酸鹽氮濃度隨著流量增加而上升，呈現(xiàn)出以面源為主的污染特征。結(jié)合流量校正方程擬合結(jié)果類型判斷，氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚的污染來自面源和點源的共同作用，即主要來自市區(qū)生活污水排放和流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染。而硝酸鹽氮主要來自面源污染。

渾河市區(qū)段是接受城市納污的主體。氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)等能反映水體受到不同程度的生活污水污染。3項指標含量2013—2017年有較明顯的下降，如圖1所示。2010年以后，撫順市區(qū)陸續(xù)建設(含擴建)并投入運行海新河污水處理廠、章黨污水處理廠、前甸污水處理廠和東洲污水處理廠等。根據(jù)遼寧省環(huán)境監(jiān)測實驗中心發(fā)布的《2014年污水處理廠水質(zhì)年報》結(jié)果，2014年撫順市污水處理廠COD年均去除率達到90.2%，氨氮年去除率達到86.7%。污水收集和集中化高效處理使入河排污減少，渾河市區(qū)段的水體質(zhì)量有明顯改善。

圖2 污染物濃度與河水流量關(guān)系

揮發(fā)酚的污染主要來源于工業(yè)企業(yè)的排放及各支流的匯入。2004—2011年渾河市區(qū)段水體揮發(fā)酚水平較高，這與相關(guān)研究報道結(jié)果一致[9]，2011年以后維持在較低水平。從2007年開始，撫順市開始實施《撫順市環(huán)境優(yōu)化城市布局與產(chǎn)業(yè)發(fā)展五年行動計劃》，規(guī)范了石油、煤炭、化工等工業(yè)行業(yè)體系，加強了環(huán)境監(jiān)管，一系列措施促使排污減量。

4 結(jié)論

撫順渾河市區(qū)段水體為Ⅳ類水，水質(zhì)指標濃度有下降趨勢，特別是氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)和揮發(fā)酚等污染指標，說明市區(qū)河段水污染狀況得到了一定程度的控制，水質(zhì)趨于好轉(zhuǎn)。同時，Kendall檢驗表明水質(zhì)變化受流量影響相對較小，氨氮、COD、高錳酸鹽指和揮發(fā)酚的污染來自點源和面源的共同作用，硝酸鹽氮主要來自面源的污染。不斷改善撫順市區(qū)段水環(huán)境質(zhì)量，保障用水安全，需要切實加強污水處理廠及其管網(wǎng)的建設，強化污水處理效果，監(jiān)督污水處理和運行，對突出點源做好控制；另外需要加強農(nóng)業(yè)面源污染管理，提高肥料等的利用率，并嚴格控制工業(yè)污染源頭。