辽河保护区水质时空分布特征及其影响因素

李明月，钱锋，李丹，段亮*

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 2.中国环境科学研究院水生态环境研究所

2010年3月，辽宁省划定辽河保护区，设立保护区管理局，成立国内第一个以流域综合管理与行政区域管理相结合的河流管理机构，使辽河治理和保护工作由过去的多龙治水、分段管理、条块分割向统筹规划、集中治理、全面保护转变[1-2]。保护区划定前，辽河干、支流水体污染严重，由于水资源比较匮乏，流量季节性变化明显，而过度的水资源开发加剧了水体污染，使河流水环境功能下降[3]。辽河保护区划定以来，辽宁省先后采取了关停中小污染企业、退耕还河、自然封育以及恢复湿地等工程与管理措施[4]，极大地改善了辽河干流水质及生态环境。但辽河保护区的综合治理是一项系统工程，具有长期性、复杂性和艰巨性，现仍存在较多生态环境问题亟待解决。如根据《水污染防治行动计划》提出的考核目标，辽河流域2020年优良水质(GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类或优于Ⅲ类水质)断面比例总体应达70%以上，但实际上2019年辽河流域优良水质断面比例尚不足60%[5-6]。因此，有必要对水环境进行时空一体化研究，对水质变化趋势进行合理评价，为后续有针对性地制定水环境治理规划和方案提供依据。笔者通过对辽河保护区划定前后14年水环境的时空一体化研究，初步识别流域水质及主要污染物时空分布特征，探讨保护区模式下影响水质的主要污染因子，以期为辽河保护区乃至辽河流域的水污染治理与管理提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

辽河保护区(121°41′E～123°55′30″E，40°47′N～43°02′N)始于东、西辽河交汇处的福德店，终于盘锦入海口，涉及铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4个市及其所辖的13个县(区)，68个乡(镇、场)，286个村(图1)，河长538 km，面积为1 869.2 km2。所属气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温为4～9 ℃，平均降水量为600～700 mm，且主要集中在6—9月；地貌类型以平原为主，地势平坦，滩地开阔，河道迂回曲折；主要土壤类型为草甸土、潮土和沼泽土。辽河保护区生物多样性较为丰富，2016—2017年共监测到植物234种、两栖动物2种、爬行动物3种、哺乳动物9种、昆虫350种、鱼类34种、鸟类不少于85种[7]。

图1 辽河保护区范围及监测断面分布示意Fig.1 Scope of Liaohe Conservation Area and distribution of monitoring sections

1.2 数据来源与方法

1.2.1数据来源

在综合考虑辽河保护区水质时空代表性及资料数据完整性的基础上，选取辽河保护区福德店、三合屯以及珠尔山等8个断面2006—2019年的水质监测月数据或年数据，研究保护区划定前后(2006—2010年为划定前，2011—2019年为划定后)水质及主要污染因子时空变化特征，并对其时空差异性进行分析与评价。其中，上游铁岭段涉及福德店、三合屯和珠尔山3个断面；中游沈阳段涉及马虎山、红庙子2个断面；下游鞍山、盘锦段涉及盘锦兴安、曙光大桥及赵圈河3个断面。水质监测数据由辽河凌河保护区管理局提供。

1.2.2评价与分析方法

化学需氧量(COD)和氨氮是我国河流水体重要的污染因子，已有对辽河水质的评价结果也表明，影响辽河流域水质的首要污染因子是COD和氨氮[8-10]。因此，选取水体COD和氨氮对辽河保护区干流水体主要污染物的时空变化进行分析及评价。

依据GB 3838—2002，采用单因子评价法对保护区2006—2019年8个断面的COD与氨氮浓度的年均值进行评价，通过对比单项指标测试值与水质评价标准值，判断水质类别，分析主要污染因子、污染时段和污染区域[11-12]。采用箱线图法分析主要污染因子的时间分布特征，该方法已在河流水质评价中应用，可清楚反映复杂、庞大监测数据的变化规律，直观描述各年份监测数据的分布特点[13-14]；应用克里金插值法分析主要污染因子的空间分布特征，并用聚类分析对相似断面进行归类[15]，以实现评价结果的可视化表征。

2 结果与讨论

2.1 保护区划定前后水质时空分布特征

2006—2019年辽河保护区干流水质年平均评价结果如表1所示。由表1可知，保护区划定前5年(2006年—2010年)，干流各断面水质均为劣Ⅴ类。其中，2006—2008年，各断面COD、氨氮均有不同程度的超标；2009—2010年，各断面均以氨氮超标为主。2011—2015年，辽河保护区干流水污染趋势基本得到遏制，消除了劣Ⅴ类水质断面，断面水质约有32.5%达到Ⅲ类，67.5%为Ⅳ类，主要超标因子为COD和氨氮；2016—2019年，断面水质仅有17.24%达到Ⅲ类，79.31%达到Ⅳ类，其余则为Ⅴ类，主要超标因子为COD。可见，保护区划定前，辽河保护区干流水质污染严重，主要污染因子为COD和氨氮；辽河保护区划定后，水质改善明显，之后略有波动，但总体趋于稳定，基本维持在Ⅲ类～Ⅳ类水质，水体由COD、氨氮复合型污染转变为以COD为主的单一型污染。

从空间上分布来看，2006—2010年，辽河保护区干流上游各断面水质均为劣Ⅴ类；中游断面水质有30%为Ⅴ类，其余为劣Ⅴ类；下游断面水质有13.33%为Ⅴ类，其余为劣Ⅴ类，说明保护区划定前中游水质略优于上、下游。2011—2015年，各断面均出现了不同比例的优良水质，其中上游断面水质达到Ⅲ类的比例为26.67%，中游断面为60.00%，下游断面为26.67%，说明保护区水质整体上得到了较大的改善，尤其是中游水质明显优于上、下游。2016—2019年，各断面水质达到Ⅲ类的比例都略有下降，上游各断面水质均为Ⅳ类或Ⅴ类，没有断面水质达到Ⅲ类；中、下游也有断面水质是Ⅳ类，但达到Ⅲ类的比例均为25.0%，说明中、下游水质优于上游。

表1 2006—2019年辽河保护区干流水质评价结果

2.2 保护区划定前后主要污染因子时空分布特征

2.2.1年际变化趋势

图2 辽河保护区干流各断面水体污染因子年际变化趋势Fig.2 Annual variation trend of pollutants concentration in each section of the main stream of Liaohe Conservation Area

图3 辽河保护区干流不同时间段COD空间分布Fig.3 Spatial distribution of COD in different periods in Liaohe Conservation Area

辽河保护区干流各断面水体污染因子年际变化趋势如图2所示。由图2(a)可知，2006—2008年，辽河保护区干流水体COD较高，各断面数值波动范围较大，但均超过Ⅴ类水质标准(40 mgL)，最高值为2006年的三合屯断面(119.89 mgL)；2009—2010年，水体COD明显降低，表明水体有机污染程度有缓解趋势。2011—2015年，水体COD持续降低，尤其是2013年各断面数值相近且均未超过Ⅲ类水质标准；2016—2019年，各断面COD略有波动，呈微弱上升趋势，在2018年达较高值，之后有所降低。辽河保护区干流COD的年际变化趋势与水质类别变化基本吻合，14年间整体呈现先降低，之后有所波动的趋势，目前总体稳定在Ⅳ类水质。

由图2(b)可知，氨氮浓度的变化趋势与COD基本一致，表现为先降低，而后略微波动，目前总体趋于稳定。2006—2010年，水体氨氮浓度普遍较高，基本为劣Ⅴ类水质，最高值为2006年的三合屯断面(6.57 mgL)。2011—2015年，氨氮浓度快速降至2 mgL以下，并一直维持平稳降低趋势；2016—2019年，多数断面的氨氮浓度基本维持在1.5 mgL以下，2018年略有波动，稍高于保护区划定后其他年份的氨氮浓度。

2.2.2空间变化趋势

辽河保护区干流不同时间段COD空间分布如图3所示。由图3可知，2006—2010年，上游的三合屯、珠尔山断面以及下游的盘锦兴安、曙光大桥断面COD均较高，而保护区入境的福德店断面、中游断面及出境赵圈河断面的COD普遍较低。2011—2015年，中游的红庙子、马虎山断面COD最低，其次为珠尔山、盘锦兴安断面，而三合屯、福德店、曙光大桥及赵圈河断面浓度较高。2016—2019年，水体COD的空间分布与保护区划定前基本一致，但整体低于保护区划定前。总体来看，无论是保护区划定前还是划定后，从上游至下游COD均呈先升高后降低再升高的变化趋势，中游有机污染程度低于上、下游。

辽河保护区干流不同时间段氨氮浓度空间分布如图4所示。由图4可知，氨氮浓度在空间分布上与COD略有区别，但整体一致。2006—2010年，上游的三合屯断面、下游的曙光大桥断面氨氮浓度较高，其次为入境的福德店断面、出境的赵圈河断面，浓度较低的为中间4个断面，但所有断面的氨氮浓度都在2 mgL以上。2011—2015年，水体氨氮浓度整体较2006—2010年降低，皆未超过1.50 mgL，但空间分布上依旧是中游浓度低于上、下游；2016—2019年，氨氮浓度的空间分布与2006—2010年、2011—2015年的空间分布基本一致，上游的三合屯、珠尔山断面，下游的曙光大桥及赵圈河断面氨氮浓度较高，其次为入境的福德店断面及下游的盘锦兴安断面，浓度最低的为中游的2个断面。可见，无论是保护区划定前还是划定后，从上游至下游氨氮浓度均呈先升高后降低再升高的变化趋势，中游污染程度低于上、下游。

图4 辽河保护区干流不同时间段氨氮浓度空间分布Fig.4 Spatial distribution of ammonia nitrogen concentrations in different periods in Liaohe Conservation Area

对2006—2019年各监测断面水质指标COD与氨氮进行聚类分析，结果如图5所示。由图5(a)可知，各监测断面COD空间分布趋势与其分类基本一致：马虎山和红庙、盘锦兴安和曙光大桥两两距离最为接近，分别合并成一类；珠尔山与马虎山、红庙子连成一类，赵圈桥与盘锦兴安、曙光大桥连成一类；然后是2个大类合并成一类与三合屯断面相连。由图5(b)可知，各监测断面氨氮浓度的空间分布趋势与其分类也基本一致：马虎山和红庙子、珠尔山和赵圈桥、盘锦兴安和曙光大桥两两距离最为接近，分别合并成一类；马虎山、红庙子与珠尔山、赵圈桥二者连成一类；4个断面(马虎山、红庙子、珠尔山、赵圈桥)形成的大类与2个断面(盘锦兴安、曙光大桥)合并成一类并与三合屯断面相连。

图5 2006—2019年辽河保护区干流 各监测断面污染因子聚类分析Fig.5 Cluster analysis of water quality indexes of monitoring sections of main stream in Liaohe Conservation Area from 2006 to 2019

2.3 保护区水质时空变化原因分析

时间上，保护区划定前，辽河流域由于长期高强度开发导致水体污染严重，生态环境不断恶化，水资源严重不足，水资源承载力面临着很大的压力。2010年辽河保护区划定后，辽宁省启动了改善水质、水污染防治以及以恢复和保护为主的退耕封育等“三大战役”，实施了关停整治、污水处理厂建设、生态治理“三大工程”，通过水污染治理带动了城市布局结构和产业结构调整；建立了服务于总量减排、生态保护、风险预警的监控网络，形成了动态智能的辽河流域水环境安全监控与监测体系[16]。辽河干流成功消除了水体重污染问题，河流水质基本稳定在Ⅲ类～Ⅳ类标准，生态环境持续正向演替。2016—2019年水质有所波动，如2018年COD与氨氮浓度同比分别上升15.2%和63.2%，其原因为东辽河、招苏台河、亮沟子河等多条支流入河口断面都出现了劣Ⅴ类水质，支流水质恶化是导致该时段水质有所波动的主要原因[17]。空间上，辽河保护区的污染源主要集中在上游和下游。根据齐星宇[18]对辽河上游污染负荷的估算，流域内畜禽养殖和种植业污染物的排放量占比较大，导致招苏台河、亮子河、马仲河等支流水质严重恶化，进而影响到辽河保护区干流上游断面水质。保护区中游面源污染也比较突出，曹小磊等[19]的研究表明中游主要面源污染源为农业种植、畜禽养殖，且在面源污染相对严重的地区，河道污染物量与地表径流量呈正相关。保护区下游大部分位于盘锦，下游污染与上游污染输入相关。张立新[20]通过开展辽河下游段水质有机污染物组分定性分析，发现辽河污染一定程度上源于上游城市排放的大量生活污水和少量工业废水，进入盘锦市后又接纳了盘锦市排放的90%以上的工业废水和生活污水，导致曙光大桥断面污染严重；李延东[21]的分析也表明，目前辽河的工业污染主要集中在鞍山市台安县和盘锦市，工业排放污染物浓度高、数量大，对辽河干、支流水质影响明显。因此，辽河保护区下游水质污染主要原因为生活污水和工业废水的排放。

3 结论

(1)辽河保护区划定后辽河干流污染状况得到有效缓解，水体COD与氨氮浓度下降，水质大幅好转。随着治理的深入，水质改善速度变缓，虽在2018年有所波动，但整体趋于稳定，基本维持在Ⅲ类～Ⅳ类水质。

(2)辽河保护区上游的铁岭段水质最差，中游的沈阳段略好，下游的鞍山、盘锦段较差，主要污染物COD与氨氮浓度从上游至下游均呈现先升高后降低再升高的变化趋势。

(3)辽河保护区“三大工程”“三大战役”中水污染治理及水环境管理措施的有效实施削减了大量污染物，是保护区划定后水质改善的重要因素；保护区上游铁岭段的农业面源污染以及下游盘锦段生活污水、工业废水的排放是造成辽河保护区水质及主要污染物空间差异的重要原因。