辽河流域水质变化趋势及其影响机制研究

（辽宁省海城市水利事务服务中心）

辽河流域是我国及辽宁省重要的建材、机械、化工、畜牧业和粮食生产基地，工农业发达，人口密度大，且城市化程度较高。通过实时监测，掌握辽河干流段水环境质量，事关该区域居民的身体健康、经济发展和生态平衡，具有重要意义。福德店断面属于东、西辽河汇集干流的起点和国家重点水文断面，经过长期的人为活动与河口演变，其特殊的地理环境控制着流域内的物质通量和东、西辽河的分流比。此外，辽河干流段有多处供水水源地和水厂取水口，建设有红山、大伙房、二龙山、汤河、观音阁等大中型水库，承担着中下游县市的工农业生产用水和生态用水供给任务，密切关注福德店断面水质变化趋势极其重要。

地表水传统的常规监测方式多为人工监测方法，现代化程度较低。由于监测人工成本高、监测频次低，已无法满足现阶段环境管理的要求。而水质自动监测，则可以大大提升监测频次，满足公共用水安全和水质高频监测预警的要求。福德店水质自动监测站，可为预警、评估和紧急处理辽河干流突发性水污染事件提供重要的指导依据。关于辽河流域水环境时空演变及其影响因子的研究较多，其中，单因子水质评价法为传统的水质评价方法，无法全面、客观地反映水质变化的实际状况。所以，研究分析辽河干流段高频次、长时段、单节点的自动监测系统数据，合理选取能够响应河流水质综合变化趋势的方法非常必要。

本项研究以2014年1月至2019年12月辽河福德店水质自动监测站的连续监测数据为依据，分析评价福德店断面人工监测与自动监测系统运行的差异性以及近6 a水质指标变化趋势，提出了及时反馈水质综合变化的自动监测系统响应机制，可为提高自动监测数据的应用以及进一步优化自动监测结果，保障辽河干流水体质量提供数据支持和决策依据。

1 水质变化趋势及其响应机制研究方法

1.1 流域概况

辽河干流为东辽河、西辽河汇流至昌图县福德店之后的河流，向南流经铁岭、沈阳、鞍山、盘锦等地后汇入渤海，河道总长度538 km，流域面积1 869.7 km2。干流段河床结构复杂，河道宽窄相间，主流蜿蜒曲折。该流域属于温带大陆性季风气候，年降水量537.7-690.4 mm，气候特点为：水热同季，四季分明，无霜期短，寒冷期长，日照充足。流域内地貌形态复杂，山地、平原、丘陵、沙丘交错分布，地势呈由南向北、自东西两侧向中间倾斜的趋势。

1.2 水质自动监测系统

福德店自动监测系统地处北纬42°39′42.93″、东径123°34′29.08″，位于铁岭市昌图县境内。该站建成运行后，可实现水质监测数据自动联网发送及24 h自动连续监测。主要监测项目指标，包括高锰酸盐指数、总有机碳、浊度、水温、溶解氧、氨氮、盐度、pH值、总磷、总氮、电导率等。

1.3 数据来源与监测方法

辽河流域水质监测数据由福德店自动站提供，选取的连续监测数据时段为2014年1月至2019年12月。参与分析的8项水质指标及监测方法为：高锰酸盐指数采用酸性高锰酸盐氧化还原法，有机碳采用非分散红外检测、紫外UV湿法，浊度采用分光光度法，电导率采用感应电流电极法，pH值采用差分玻璃电极法，溶解氧采用荧光电极法，水温采用热敏电阻法，氨氮采用水杨酸比色法。

1.4 趋势分析

依据2014年1月至2019年12月福德店自动监测系统的连续监测数据，通过计算月际均值连续过程线和年际均值变化线分析水质变化趋势。

1.5 人工比对

为保证监测数据的可靠性和精准度，2017年1月至2018年12月每月从福德店水质自动监测站人工采集水样，并对比分析3项自动监测结果。其中，氨氮采用纳氏试剂分光光度法，高锰酸盐指数采用酸性高锰酸盐氧化滴定法，溶解氧采用电化学探头法进行分析。

1.6 综合水质响应机制

考虑到辽河流域水环境质量长期主要受氨氮、高锰酸盐指数的影响，所以综合水质响应机制选用氨氮和高猛酸盐指数加以分析。综合水质标识指数法是形成综合水质响应机制的重要依据，而单因子水质标识指数法与地表水环境质量标准是建立综合水质标识指数法的主要内容。所以，利用2位小数位和整数位构成综合水质标识指数。其表达式为：

式中：I1i、I2i、I3i为水质指标i的水质类别、第I1i类水质变化区间内监测数据所处的位置以及功能区划设定类别与水质类别的比较结果。I3i取0、1时，代表所有参评指标均达到功能区目标和有一个指标不能达到水环境功能区目标，以此类推。

采用归一化公式对污染物数据进行预处理。由于选取的氨氮、高锰酸盐指数均为负向指标，其归一化公式如下：

式中：Cik，max、Cik，min为k类水质标准时第i项指标的上限、下限值；Ci为指标i的实测浓度。

综合水质标识指数法的关键内容为合理确定P值，设Pi=X1i·X2i，在综合水质类别准确判定的基础上求解其权重。即：

式中：Z、m为综合水质评价标准值和所有参评的单项水质指标数。水环境质量综合评价的变化幅度为Q，利用下式确定Q值：

将水质变化趋势按照Q值划分为显著上升、稍有上升、维持稳定、稍有下降、显著下降5类，所对应的取值区间为Q＞15%、5%≤Q＜15%、-5%≤Q＜5%、-15%≤Q＜-5%、Q＜-15%，根据该类别划分和Q值，响应综合水质变化特征。

2 结果与分析

2.1 自动监测水质变化趋势分析

2.1.1 水质基本指标变化趋势

根据2014年1月至2019年12月的水质自动监测数据，进一步分析水质基本指标变化趋势（图1至图5）。主要结论如下：

（1）水温。检测数据成功率达到100%。随季节性变化，水温过程线呈明显变化趋势，总体处于5.1-20.6℃范围。水温年度平均值为21.6±0.5℃；2014年存在年均水温最小值；2015-2017年水温年内极差总体呈下降趋势，从21.8℃波动减少至19.5℃；随后2018-2019年有所回升，缓慢增大至22.3℃。水温变化对辽河干流鱼类资源及浮游动植物的生长周期会产生不利影响。

（2）pH值。检测数据成功率达到99.1%。辽河干流水资源总体呈弱碱性，pH值波动区间为7.01-8.24。年度pH均值为7.61±0.5，年最大均值为2016年的7.68，年最小均值为2018年的7.51。

（3）电导率。检测数据成功率达到100%。随着季节的变化，辽河干流水的电导率变化不明显，总体变化区间为251.4-462.5 μs/cm。年度电导率平均值为336.0±12.5 μs/cm，年最大均值为2018年的365.2 μs/cm，年最小均值为2014年的322.5 μs/cm。

图1 水温变化趋势

图2 pH值变化趋势

图3 电导率变化趋势

图4 浊度变化趋势

图5 溶解氧变化趋势

（4）浊度。检测数据成功率达到100%。随着季节的变化，辽河干流浊度变化不明显，总体变化区间为14.6-100.0 ntu。浊度年均值在2014-2017年间呈上升趋势，随后呈下降趋势，其中年最大、最小均值为2017年的57.8 ntu和2014年的34.1 ntu。

（5）溶解氧。检测数据成功率达到99.1%。随着季节的变化，溶解氧过程线变化十分明显，总体变化区间为4.12-11.28 mg/L，同期水温变化与溶解氧浓度之间存在负相关性，二者的trade-off效应比较明显。溶解氧浓度年度均值总体为7.85±0.24 mg/L，其中年最大、最小均值为2014年的8.33 mg/L和2017年的7.45 mg/L。溶解氧浓度年度均值在2014-2017年呈明显的下降趋势，随后表现出上升趋势。通过对比近6 a浊度变化趋势发现，浊度与溶解氧年度的变化趋势负相关，由此可认为水体透明度降低、浊度增大会对水生植物光合作用产生影响，该条件下溶解氧含量不断减少。

2.1.2 重点指标变化趋势

根据2014年1月至2019年12月的水质自动监测数据，系统分析水质重点指标的变化趋势（图6至图8）。主要结论如下：

（1）总有机碳。检测数据成功率达到90.5%。随着季节的变化，总有机碳过程线变化不明显，总体变化区间为0.76-10.52 mg/L。年度均值为2.35±0.76 mg/L，其中年最大、最小均值为2015年的3.52 mg/L和2016年的1.93 mg/L。该指标数据在2014-2015年的波动较大（变化幅度0-9.85 mg/L），随后处于相对稳定状态（变化幅度0-3.41 mg/L）。通过调查发现，福德店自动监测站于2015年对仪器元件进行了更换，仪器元件的替换为引起自动监测数据波动的主要原因。辽河流域的总有机碳含量波动幅度并不显著。

（2）氨氮。检测数据成功率达到98.8%。作为主要的耗氧污染物与水体富营养化密切相关。随着季节的变化，氨氮过程线变化不明显，浓度变化区间为0.05-0.76 mg/L。氨氮年度均值为0.27±0.05 mg/L，其中年最大、最小均值为2016年的0.34 mg/L和2015年的0.21 mg/L。该指标数据在2014-2015年的波动较大（变化幅度0-0.68 mg/L），随后趋于稳定状态（波动范围0-0.25 mg/L）。

图6 总有机碳变化趋势

图7 氨氮变化趋势

图8 高锰酸盐指数变化趋势

（3）高锰酸盐指数。还原性无机物和有污染物对地表水的污染程度通常选用高锰酸盐指数衡量，检测数据成功率达到98.2%。随着季节的变化，高锰酸盐指数过程线变化不明显，其浓度变化区间为0.25-3.91 mg/L。高锰酸盐指数年度均值为2.04±0.25 mg/L，其中年最大、最小均值为2016年的2.47 mg/L和2018年的1.60 mg/L。

2.2 人工对比监测分析

2.2.1 偏差分析

为保证自动站检测结果的精准度和可信度，选取2017年1月至2018年12月人工监测数据，对比分析人工监测的氨氮、高锰酸盐指数、溶解氧3项指标。

统计整理各指标偏差范围如表1。在人工监测的24个月周期内，氨氮、高锰酸盐指数和溶解氧可对比数据共有20个、20个和22个，相对偏差范围依次为1.92%-75.1%、0.87%-25.57%、0.92%-18.81%，相对偏差低于20%的占比分别为42.3%、84.8%和100%。

表1 相对偏差范围分析表

高锰酸盐指数与溶解氧的监测环境、方法基本相同，所以这两项指标差异性较低。氨氮的自动站监测和人工室内监测方法存在差异，按照体积100 mL取样，室内利用气相分子吸收光谱法监测的检出限为0.020 mg/L；按照体积8.0 mL取样，自动站利用水杨酸比色法和10 mm比色皿的检出限为0.01 mg/L，测定上、下限为1.00 mg/L和0.04 mg/L。

采用散点图对比分析2种不同方式的氨氮监测数据，如图9。结果显示，人工监测和自动监测的氨氮浓度范围为0.03-0.37 mg/L和0.18-0.36 mg/L，前者范围宽而后者范围窄，且大多数人工监测结果低于自动监测值。考虑到不同监测方式的随机性与不确定性，通过趋势线拟合确定人工监测结果低于自动监测值。由此可见，不同监测方法获取的重要指标值具有偏差。

2.2.2 水质类别对比

图9 氨氮浓度拟合趋势线

为进一步验证自动站监测数据的客观性与合理性，按照单因子水质评价法将2种不同方式监测结果进行对比分析，如图10。结果显示，参与对比的20组数据中，有12组保持相同，其中达到Ⅰ类、Ⅱ类水质的有2组和10组；自动监测评价结果劣于、优于人工监测的有6组和2组，这主要与氨氮监测方法存在较大偏差相关。人工监测结果普遍低于自动监测值，从而使得自动监测值更加保守。福德店断面水质类别利用两种监测方法评价时，二者保持良好的一致性。

图10 单因子水质类比对比图

2.3 水质响应机制

采用综合水质标识指数法的重要内容是为合理确定P值，这也是水质优劣分析和不同类别评价的关键。研究期间，氨氮监测点共有有效数据71个，综合水质类别以Ⅱ类为主，P值波动区间为2-3，其中2014-2016年间有1个点P值超过3，随后P值呈现出波动减少趋势，最终浓度值达到稳定状态；高锰酸盐指数监测点共有有效数据70个，综合水质类别以Ⅰ类为主，P值总体在2附近波动，结果如图11。总而言之，氨氮对水质的影响程度要大于高猛酸盐指数，为及时掌握水质状况应密切关注其变化趋势。

图11 P值变化趋势图

结合P值计算结果，可以求解出相应的Q值，按照Q值大小衡量流域水质变化幅度。结果显示，水环境质量为显著上升、稍微上升、维持稳定、稍微下降和显著下降的点数为1个、7个、51个、8个和6个，占比依次为1.4%、9.7%、70.8%、11.1%和8.3%。福德店断面氨氮、高锰酸盐指数变化情况可以依据综合水质变化幅度值Q直观描述，对水质变化预警具有重要作用。若Q值＜-15%（显著下降），监测人员应重点关注水质变化情况，及时检查水质并给予相应的整治措施。

3 结论

（1）研究期间，溶解氧呈现出先减少后增大的趋势，而浊度呈现出先增加后减少的相反趋势，两项指标的变化拐点为2017年，未来仍需要进一步探究两者的相关性。2018年后，水文极差呈现出明显增大趋势，这对辽河流域鱼类资源和浮游动植物的生长周期可能产生明显的影响。

（2）根据综合水质响应机制和水质标识指数法，可以实现相同类别内水质指标的准确识别，客观准确地反映水质变化趋势，及时响应并预警水质出现大幅度下降或发生异常的情况。

（3）水质自动监测系统可以在无人值守的情况下反映水质连续变化趋势，通过对水环境质量实时高频次监测，可为保护城市供水安全和流域水环境保护提供重要依据。