辽河干流水质综合评价

李紫煜

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

0 引 言

河水污染与治理为国内外水文水资源相关学者最为关注的研究课题，尤其是重大涉水工程和重要河流水质为当前研究的重要领域[1]。例如，Kay等从杀虫剂、营养物质、溶解有机碳3个方面研究英国给水工业面临的水源水质问题，提出农民耕作方法应以无害环境为基本前提，强调了一些管控措施在水源污染治理中的重要性；Voza等利用聚类分析、因子分析和主成分分析法揭示了多瑙河塞威亚段水质的时空变化特征，研究表明人类生活、生产活动与河流水质指标的时空变化密切相关；Fernandez等深入研究了墨西哥与美国共享河流的水质问题，研究发现在共同水道中废水污染问题十分突出，开展水管理人员和相关政府的多边合作，为提高国际河流水质和解决跨界水污染问题的有效方法。

近年来，频繁出现的水荒问题逐渐引起我国学术界和各级政府的高度关注，钱易等对我国地表水分布不均和水资源匮乏的问题进行了详细而深刻的论述，淡水仅占地球总水量的2.7%，而可被利用的淡水仅占淡水总量的0.001%，由此表明天然河流水非常宝贵。特别是城镇化和经济社会的快速发展，使得区域人口规模和密集程度迅速增大，农业、农业及生态等用水量急剧增加，水资源短缺问题为限制经济发展和影响人们正常生活的关键因素。另外，个别江河水系水环境污染问题突出，从农业灌溉和农村生活污水排放到工业废水与城市生活污水排放，均对地球水环境产生极为不利的影响。辽河流域属于中国东北地区经济发展和粮食生产的核心区域，未经严格科学处理的城市工业污水自行排放、随意乱倒的垃圾和生活污水、农业过度使用的农药与化肥、城镇污水处理能力不足等，对地表水安全已构成严重的威胁。1984年颁布实施的水污染防治法在很大程度上推动了国家重要江河、湖泊以及辽河流域的水污染治理工作，辽河水域治理被科技部列为重大专项，大大加强了城市污水处理能力和工农业污染防治力度，并引起了社会各界的高度重视。

孟伟对辽河水环境治理的实施方案、目标任务、研究内容进行了阐述，为建设水污染治理防控体系奠定了重要基础；孟伟等[3]对辽河流域按照尺度理论和生态学格局，利用GIS技术划分为14个二级区和3个一级区，深入研究不同分区面临的生态环境问题和生态系统特点，依据水生态环境管理技术建立较为系统、完善的理论体系；王西琴等[4]研究认为辽河干流为中度污染，2003年参与监测的所有断面均为劣V类水质，其中COD为V类水质浓度3倍，浓度值达到118mg/L，提出加强水生态修复工程建设和实行入河污染物总量控制的建议；王高旭等[5]从河流断流、水资源过度开发的角度，对复合生态需水及其基本构成进行深入分析；周丹卉等[6]研究发现辽河2005-2009年期间的氨氮达标率表现出波动变化特征，且整体处于较低水平；惠秀娟等[7]系统、科学的研究水系统的健康水平，结果表明水生态功能严重退化，提出对辽河水系大力推进水环境污染治理和水生态修复的建议；杨育红等[8]通过对东北地区水污染相关研究成果的分析，认为1991到2008年为水环境研究的理论探索阶段，今后应加强管理措施、数据统计和科学评价研究。总体而言，关于综合评价辽河水质方面的研究还鲜有报道。

文章将加权分析法和模糊综合评价法向结合，依据2009-2018年辽河干流两个国控监测断面的水质报告，在时空分布上揭示了干流水质的变化特征，根据评价结果提出有效的建议措施。

1 研究资料与方法

1.1 辽河流域概况

辽河流域南临黄海、渤海，流经河北、内蒙古、吉林和辽宁四省，全长为1345km，年均径流量128×108m3，主要有老哈河、少冷河、浑河、西拉木伦河、太子河、秀水河、饶阳河、柴河等，各支流纵横交错、蜿蜒曲折。流域属于温带大陆季风气候，四季分明，冬冷夏热，日照充足，年均气温8.0-12.6℃，年均降水量537.7-690.4mm，为中国东北地区重要的畜牧业基地、粮食生产基地和重工业基地。由于独特的地理特征和环境气候，降水呈明显的区域性与季节性特征，不同时间尺度上的降水量存在较大的差异，每年的7-9月为降雨集中期且多以暴雨或强降雨[9-11]。在空间分布上，平原地区相对于高山地较低，与渤海相邻的东南部降水量充足，而西北地区风沙干旱严重且降水稀少。东辽河、西辽河汇集于福德店之后的河流即为辽河干流，主要经铁岭、沈阳、鞍山、盘锦后汇入渤海，长538km，占地1869.7km2。铁岭断面含沙量较高，为3.6kg/m3。

选择辽河干流2009-2018年两个国家监控断面和国家环境监控数据库作为本研究工作的数据来源，当年数据为每年径流量与水量近似相等的第22周监测数据，地表水环境质量指标标准。国家最新地表水质量标准，见表1。

表1 国家最新地表水质量标准 mg/L

1.2 研究方法

模糊综合评价法是将定性问题依据评价对象与评价因子之间的隶属关系转化为定量计算，通过加权平均处理分析综合评价结果的数学方法。该方法的运算流程为：根据评价对象的具体情况建立因子集，结合评价标准构造评语集V=V1,V2,…,Vm，经分析处理构造隶属函数，并对模糊关系矩阵R利用隶属函数进行计算，确定的权属分配模数矢量即为各因素的评价权向量A=(a1,a2,…,an)；待评价对象的综合评价结果通过模糊关系矩阵R和权矢量A的合成运算确定，其计算式为B=A×R=(B1，B2，…，Bj)，隶属度等级利用加权平均法确定，评价等级的秩用j表示，j=1,2,3,…,m。待评价对象相对位置的计算公式为：

(1)

式中：k为用于控制较大的Bj值的待定系数，一般取1或2；Bj为隶属于j等级的程度。

将河流水质按照地表水质量标准划分为5个等级，从而构造评价集为V，即：V=[Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ]，然后将水质评价因子划分为不同等级，从而确定相应的隶属函数。采用偏大型分布构造DO评价指标的隶属函数，即：

(2)

采用半梯形偏小型分布构造COD和NH3-N指标的隶属函数，即数值越小则水质评价越优。设相邻的两个分级标准为vj、vj+1，且vj+1>vj，则利用下式确定vj、vj+1级的隶属函数，即：

(3)

(4)

按照权重越大、污染越大的原则确定评价指标权重的大小，对于DO越大则水质越优型的权重，其计算式为：

(5)

针对COD和NH3-N指标值越小则水质越优型的权重，计算公式为：

(6)

为满足模糊复合运算条件需要归一化处理各评价因子的权重值，即：

(7)

2 结果分析

2.1 水质评价结果

根据国家环境保护数据部中心提供的辽河干流2009-2018年盘锦兴安、铁岭朱尔山两个国控断面的水体酸碱度pH值、氨氮NH3-N排放量、化学需氧量COD及溶解氧DO的逐年监测数据，通过分析发现，研究期间水体的pH值能够达到标准要求，而NH3-N、COD、DO含量不符合水环境质量标准，所以水质评价因子选取为H3-N、COD、DO指标，2009-2018年兴安断面和朱尔山断面的评价因子监测值。辽河干流典型监测断面各评价因子值，见表2；然后按照文中模糊综合法实现流程和计算原理进行综合评价评价。

表2 辽河干流典型监测断面各评价因子值 mg/L

根据表2水质监测结果，朱尔山断面DO浓度最大值为2016年的11.51mg/L，2009-2018年DO浓度值呈波动型上升趋势，由最初的5.71mg/L波动增大至10.12mg/L。从DO浓度值变化特征可基本认为，辽河干流朱尔山断面水质向好的方向转变，相对于Ⅰ类水质DO浓度值≥7.5mg/L的标准，2010、2012、2016、2018年均优于Ⅰ类水质，而2017年DO指标监测值失效。盘锦兴安断面的DO浓度最大值为2018年的9.17mg/L，水质优于Ⅰ类标准，研究期间两监测断面的DO浓度值变化特征基本相同，朱尔山断面水质略优于兴安断面。通过分析3个水质指标浓度值可知，朱尔山断面2016年COD、DO指标监测值为7.78、11.51mg/L，均优于Ⅰ类水质，而NH3-N浓度值介于Ⅲ类-Ⅱ类水之间，可见要系统、全面的评判朱尔山断面2016年水质等级及其是否为最优年份，必须利用模糊综合法科学评价其水质状况。

将模糊关系矩阵R利用公式(2)计算，以朱尔山断面2009年监测数据为例，采用公式(2)和DO监测结果确定不同评价等级的隶属度为：u1=0、u2=0.73、u3=0.73、u4=0、u5=0。2009年其他两个指标在该断面处的隶属度利用公式(3)、(4)计算确定，由此可构造该断面的模糊矩阵R2008。同理，确定研究期间其他年份以及兴安断面的模糊关系矩阵R，辽河干流典型断面的模糊关系矩阵，见表3。

表3 辽河干流典型断面的模糊关系矩阵

续表3 辽河干流典型断面的模糊关系矩阵

对3个评价指标在研究期间的监测值权重利用归一化计算公式(5)-(7)进行处理，水质评价因子的归一化权重值，见表4。

从表4可知，2009-2018年期间溶解氧监测值在两个断面中所占权重比较大，氨氮、化学需氧量、溶解氧3个指标在铁岭朱尔山断面2009年的监测值所占权重依次为0.27、0.22、0.51；3个指标的监测值权重在盘锦兴安断面依次为0.30、0.22、0.48。溶解氧的权重在铁岭朱尔山断面、盘锦兴安断面处<0.33的分别有4a、1a。总体而言，10a期间两个断面的溶解氧权重呈波动变化趋势且整体较大，化学需氧量权重在两个断面处较为平稳，而氨氮、溶解氧权重值之间存在明显的负相关性，仍需要进一步量化计算各指标变化对水质评价结果的影响作用。

表4 水质评价因子的归一化权重值

对盘进兴安断面和朱尔山断面的水质状况利用模糊评价矢量公式B=A×R计算确定。辽河干流典型断面2009-2018年水质评价结果，见表5。

表5 辽河干流典型断面2009-2018年水质评价结果

从表5可以看出，2009-2018年期间Ⅰ类水质占比在两个断面处均表现出逐渐增大的趋势，朱尔山断面、兴安断面的Ⅰ类水质占比分别有之前的0.31、0.22增大至0.87、0.38，个别年份出现波动但整体仍以增大为主，通过加权平均处理对各断面10年水质排序。

采用加权平均处理法对研究期间两个断面的水质模糊评价结果进行计算，文中k值取1，从而获取2009-2018年期间的B*值。为了更加直观的反映10年期间两个监测断面的水质变化特征，将加权平均处理结果绘制成图。辽河干流水质评价结果，见图1。

(a)朱尔山断面

(b)兴安断面图1 辽河干流水质评价结果

根据图1(a)可以看出，Ⅰ类-Ⅳ类水质标准为朱尔山断面的水质变化区间，该断面水环境在2012年以后整体为Ⅰ-Ⅱ类水质标准，2018年该断面水质达到最好；从图1(b)可知，Ⅰ类-Ⅲ类水质标准为兴安断面水质的变化区间，该断面水环境在2014年以后整体为Ⅰ-Ⅲ类水质，2018年该断面水质达到最好；在空间分布上，该评价结果符合辽河干流下游水质劣于上游的变化特征。

2.2 结果分析

根据不同年份各评价因子的权重可知，辽河干流水质受化学需氧量指标的影响较小，而溶解氧对该河流水质的影响较为突出，溶解氧权重在兴安断面、朱尔山断面处分别为58%和71%。溶解氧评价指标在兴安断面、朱尔山断面处的最大值分别为9.17、11.51mg/L，所以从溶解氧的角度可认为朱尔山断面处水质较好；水体的自净能力与溶解氧含量密切相关，河流水体的自净能力随着该指标监测值的增大而增大。植物的残体、动物的实体、生活污水以及工业废水中的有机物等为影响水体溶解氧浓度的主要因素，在氧化过程中这些有机物需要消耗大量的氧气，若无法及时补充水体中的氧将快速降低溶解氧浓度，从而导致水生动植物因氧气不足窒息死亡，许多厌氧菌快速繁殖并导致水质进一步恶化。

3 结 论

1)根据水质状况时空分布特征，在2012、2014年后两个国控断面的水环境标准基本处于Ⅰ类-Ⅱ类水质之间，朱尔山断面的水环境质量较优。

2)控制面源和点源污染为提高溶解氧含量、保持水体质量的有效措施。达标排放城镇生活污水，严格控制农药化肥施用量，最大限度的降低农村和农业面源污染。另外，为尽可能的降低生活废水污染物的排放要转变人们的消费模式和观念。

3)加快污水处理技术相关研究，特别是一些特殊行业废水和高浓度有机废水的科技攻关研究，尽可能的实现水资源循环利用和污水达标排放。

4)整体来看，辽河干流水体环境经10a的综合治理得到明显改善。研究发现，溶解氧含量偏低为造成辽河干流水质下降的关键因素，尤其是有机污染物、氨氮的超标排放，从水质变化趋势可知，通过科学管理可显著提升水质状况。