渾河撫順市區(qū)段水質變化趨勢分析

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年水質監(jiān)測結果為樣本，運用季節(jié)性Kendall檢驗分析水質變化趨勢、污染物來源及河水流量對水質的影響程度，對保護渾河市區(qū)水質、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、水質資料較全，斷面代表性強。選用2004—2017年該站水質逐月監(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，結合撫順水文站水質特點，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)境質量標準》進行采集、保存和檢測。

1.3 方法介紹

水質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)及相關系數(shù)，相關系數(shù)最高的就是所需流量校驗方程。

趨勢分析過程采用PWQTrend水質趨勢檢驗軟件進行計算，有5種趨勢分析結果，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 結果分析

2.1 水質評價結果

各水質監(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年選定因子的水質評價結果

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

2.2 指標濃度趨勢結果

2004—2017年渾河撫順市區(qū)段控制斷面撫順水文站水質指標濃度變化趨勢檢驗結果見表2。結果表明，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 水質指標濃度變化趨勢檢驗結果

2.3 流量校正后濃度趨勢結果

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，結果見表3。與校正前濃度變化趨勢結果一致的有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果

2.4 不同水期濃度變化趨勢結果

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 水質趨勢特點及成因分析

3.1 水質指標變化趨勢

2004—2017年監(jiān)測數(shù)據(jù)評價結果表明，pH、氟化物、砷化物、銅、鉛等5項指標符合Ⅰ-Ⅱ類水質標準，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)酚評價結果多為Ⅲ-Ⅴ類水質，且出現(xiàn)劣Ⅴ類水質情況，是渾河市區(qū)段的主要污染指標，相關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。總體來看，渾河市區(qū)段水質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，應予以關注。

根據(jù)污染物濃度和河水流量的關系(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。結合流量校正方程擬合結果類型判斷，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年污水處理廠水質年報》結果，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)段的水體質量有明顯改善。

圖2 污染物濃度與河水流量關系

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，這與相關研究報道結果一致[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 結論

撫順渾河市區(qū)段水體為Ⅳ類水，水質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，水質趨于好轉。同時，Kendall檢驗表明水質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。