太子河辽阳段水质时空分布特征研究及水质评价

全占东

（辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳 111010）

0 引言

随着社会经济的快速发展，工农业污水、养殖废水和生活污水过度排放，导致河流系统的水质恶化[1，2]。河流是最容易受到污染的水体之一，因为它们在其广阔的流域中承载着城市和工业废物及农田径流[3]。东北地区是重要的工业中心之一，也是我国最重要的粮食产区[4，5]。工农业排放产生的大量污染物造成了严重的环境污染问题，影响了东北地区水系的水质[6，7]。太子河是辽河流域的主要河流之一，也是辽宁省的工农业生产基地。近年来，太子河流域水质污染问题日趋突出。太子河经重工业城市本溪市流入辽阳市境内，水中本来就含有大量的无机盐、有机物、重金属等污染物，且太子河辽阳段又有许多煤炭开采业、金属矿采选业、化工厂等重污染企业分布在沿岸，周边还有大量居民居住，工农业、生活污水直接进入水体中。太子河作为辽阳市的母亲河，其水环境的治理与保护对辽阳市社会经济发展具有重要意义[8]。

准确评估河流水质污染程度、精准掌握河流水质分布特点是各流域水环境治理与管理的基础工作，对当地水环境安全保障、水资源科学管理等具有重要意义[9]。2015 年《水环境防治行动计划》（简称“水十条”）的发布对水体环境提出了严格的要求，明确提出要以改善水环境质量为核心，以水质达标倒逼污染防治[10，11]。目前，常用的水质评价方法主要有单因子评价法[12]、主成分分析法[13]、人工神经网络法[14]、模糊综合评价法[15]等。这些水质评价方法对Ⅰ～Ⅴ类水的评价结果具有一定的科学合理性，但当水体综合水质达到劣Ⅴ类时，这些评价方法就会出现偏于保守的结果。综合水质标识指数法可以定性评价水质级别，并判别单项水质指标与综合水质结果是否满足水环境功能区划目标[16]，其原理简单、易于操作，在水质调查和评价中得到了广泛应用。因此，本文根据实测数据从时间和空间两个维度科学客观地选取影响太子河水质的主要污染指标，采用综合水质标识指数法对各个断面的主要水质指标逐月监测数据进行分析，研究太子河辽阳段水质及其时空分布特征。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

太子河总体呈东西走向贯穿辽宁省中部，主要流经辽阳市、鞍山市、本溪市、抚顺市，全长413 km，流域面积13 883 km2。太子河上游为典型的山区型河流，下游为平原区，上游河道比降较大，下游河道比降较低，流域平均比降为0.125%[17]。太子河辽阳段人口密集、植被覆盖率低、地势较缓，地貌以低山丘陵为主，土壤侵蚀严重[18]。该研究区域主要为温带季风气候，雨热同期，干冷同季，年平均气温为7.5 ℃，年平均降水量在700 mm 左右。

1.2 水质指标的筛选

太子河辽阳段主要污染来源有工农业废水、生活污水、畜禽养殖。2014—2020 年水质逐月监测数据由辽宁省辽阳市水文局提供。此次研究选取太子河辽阳段的窝水库、汤河、管桥、辽阳、乌达哈堡、北沙河、小林子、唐马寨等8 个断面。按照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中的24项基本指标进行筛选，发现各断面主要污染物为8 项：溶解氧（DO）、高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、总磷（TP）、总氮（TN）、粪大肠菌群，其他指标经比较均低于检出限，且远低于Ⅰ类水质标准限值。此次评价选择8 项检出指标进行水质评价。

1.3 研究方法

1.3.1 单因子水质标识指数法

单因子水质指数Pi由一位整数，小数点后两位或三位有效数字组成，即Pi=X1.X2X3。其中，X1为第i项水质指标的水质类别；X2为监测数据在X1类水质变化区间所处的位置，根据公式按四舍五入的原则计算确定；X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果，视评价指标的污染程度，X3为一位或两位有效数字，具体计算参见文献［19］。

1）水质优于Ⅴ类水上限值时，GB 3838-2002中只有DO 浓度随水质等级的增大而减少，所以水质标识指数非溶解氧指标X2和溶解氧指标X2（DO）按下式计算：

式中：ρi为第i项指标的实测质量浓度，ρik下≤ρi≤ρik上；ρik上，ρik下为第i项水质指标第k类水区间质量浓度的上、下限值，k=X1；ρDO为溶解氧实测质量浓度；ρDO，k上，ρDO，k下为DO在第k类水区间质量浓度的上、下限值。

2）当水质指标劣于或等于Ⅴ类水时，水质标识指数按下式来确定：

式中：ρi5上为第i项指标Ⅴ类水质量浓度上限值；ρDO，5下为溶解氧Ⅴ类水质量浓度下限值。

1.3.2 综合水质标识指数法

综合水质标识指数由整数位和三位或四位小数位组成[20]，即WQI=X1.X2X3X4。其中，X1为河流总体的综合水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间所处的位置；X3为参与综合水质评价的水质指标中劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，视综合水质的污染程度，X4为一位或两位有效数字，X1～X4具体计算参见文献［20］。综合水质类别评判标准见表1。

表1 水质类别评价标准

2 结果与分析

2.1 主要污染指标的时间分布特征

水质指标的年均值并不能完全反映水质的实际情况，非汛期主要污染指标浓度均大于汛期，所以将太子河辽阳段按汛期与非汛期划分来进行此次研究。DO 值越大表示水质越好，其他污染指标则是随着数值的增大，水质越差，这主要是由于非汛期降雨量较少，对沿岸工业点源、农田、畜禽养殖和城市生活污水中污染物的稀释作用降低所导致的[21]，说明降雨形成的径流可以推动污染物的迁移并稀释污染物的浓度[22]。汛期的DO 显著低于非汛期，可能是由于汛期气温较非汛期高，气压较低，且动植物消耗较大，水中营养盐增加，从而导致汛期DO 浓度较低。非汛期COD 浓度高于汛期，但是总体来看COD 的值基本上都处于Ⅰ类水。BOD5在汛期含量相对较低，整体含量都在Ⅲ类水以内。氨氮的浓度较高，汛期浓度可达到Ⅲ类水标准，但非汛期浓度已经超过了Ⅴ类水。非汛期TN 和TP 浓度明显高于汛期，且TN 浓度远远超过了Ⅴ类水标准，这可能是由于非汛期降雨较少，河流流速较低，河道内水生生物大量衰亡[23]。粪大肠菌群在汛期要略高于非汛期，可能是由于汛期温度较高，水产动物代谢能力较强，排泄物较多。

从时间上来看，2014—2020 年DO 含量逐年升高，也表明DO 值越来越好；COD 含量2014—2017年逐年升高，2017—2020 年逐年降低；高锰酸盐指数、BOD5、氨氮和TP 浓度值逐年降低；粪大肠菌群浓度值则逐年升高；TN 含量在2014—2016 年逐渐升高，2016—2020 年逐渐降低。总体来看，2014—2020 年太子河辽阳段水质情况在逐渐变好，说明近些年政府很重视水体污染方面的问题，治理的也比较有成效。

2.2 主要污染指标的空间分布特征

从空间上来看，污染物浓度超标最严重的指标是TN（均值超过了Ⅴ类水质标准），且高浓度断面主要分布于北沙河，窝水库到北沙河段TN 浓度逐渐升高，北沙河下游逐渐降低；其次是氨氮，窝水库到乌达哈堡段含量较低，北沙河到唐马寨段情况较差。各断面DO、高锰酸盐指数、COD和BOD5的浓度均能满足Ⅲ类水质标准。TP 浓度沿太子河先升高再降低，在管桥到北沙河入太子河河口段浓度较高。各断面的粪大肠菌群也能达到Ⅲ类水质要求。

总体来看，上游水质较好，中下游水质较差，汇入支流的水质较差是影像太子河干流水质的主要原因。太子河干流较大的支流有7 条，多流经乡镇村落，农村生活污水、化肥农药直排，污水处理厂不达标排放，管网建设不完善等现象比比皆是[24]，河流水量小且沿河污染物排入量大，造成支流水质较差[25]。其中，由于北沙河附近有大量工业、农业、生活污水流入河中，导致北沙河入太子河河口水质状况最差；其次，唐马寨的上游有工厂排污口及污水处理厂，导致此断面水质较差。因为窝水库的水资源相对于其他断面要更丰富，对污染物存在一定的稀释作用，且上游植被较多，工业、农业和生活污水相对较少，因此，窝水库的水质状况最好。

2.3 水质评价与分析

根据计算得到的各断面水质综合标识指数，研究河段综合水质标识指数在汛期与非汛期基本都达到Ⅲ类水标准。此次研究采用的水质指标中，劣于区域水环境功能目标的指标有氨氮和TN，表明太子河综合水质较好，但北沙河断面综合水质较差。劣于Ⅴ类水的指标为TN，综合水质标识指数平均能达到7.8，远超Ⅴ类水标准，明显反映出太子河TN 含量严重超标。

在时间分布上，汛期的综合水质标识指数要略小于非汛期，所以非汛期水质整体较汛期稍差。从太子河辽阳段综合水质标识指数时空变化特征图（图1）可以清晰看出各断面水质情况，在空间分布上，北沙河断面综合水质标识指数最高，可以明显看出该断面水质最差，而窝水库断面综合水质标识指数最低。

图1 太子河辽阳段综合水质标识指数时空变化特征

为进一步明确污染指标与水质之间的响应关系，分别对各污染指标与水质进行了通径分析。太子河辽阳段水质指标相关系数见表2，影响水质主要因子的通径分析见表3。利用SPSS 进行通径分析时，排除了变量COD。由表2 可知，DO 与水质呈负相关，其他因子与水质呈正相关。由于各个因子直接与间接作用的共同贡献，对水质的影响按相关系数依次为氨氮＞高锰酸盐指数＞TP＞BOD5＞DO＞粪大肠菌群＞TN。由表3 可知，按直接通径系数与决策系数排序依次为氨氮＞高锰酸盐指数＞TP＞BOD5＞TN＞粪大肠菌群＞DO，说明氨氮对水质的相关性最大，直接作用最强，也是主要决策变量，它主要通过高锰酸盐指数与TP 间接影响，是影响水质的主要路径。

表2 太子河辽阳段水质指标的相关系数

表3 主要污染指标对水质的通径分析

3 结论

1）研究区域2014—2020 年太子河水质可以达到Ⅲ类水标准，整体水质情况较好。此次研究的水质指标中，劣于区域水环境功能目标的指标有氨氮、TN，其中TN 浓度严重超标，甚至超过了Ⅴ类水标准。总体来讲，太子河辽阳段水质状况逐年变好。

2）太子河辽阳段水环境呈弱碱性，由于汛期降水较多，导致河流流速加快，污染物迁移速度也变大，且水量增加会稀释污染物，所以汛期水质情况要好于非汛期。空间上来看，上游水质最好，下游次之，中游最差，尤其北沙河入河口最为严重，汛期和非汛期水质分别为Ⅳ类和Ⅴ类水，超过了水功能区标准。太子河辽阳段主要为点源和面源污染的综合作用，污染源主要是生活污水、工业废水、农业及畜牧养殖业污水，从而导致研究区域内营养盐较高。

3）利用综合水质标识指数法进行水质评价，发现太子河辽阳段的综合水质标识指数在汛期与非汛期分别为3.330，3.861，均达到Ⅲ类水标准，综合水质较好，只有TN 和氨氮指标超过河段水功能目标。

4）通径分析发现，研究的主要污染指标中只有DO 与水质呈负相关，氨氮对研究区域的水质直接影响最大，而且主要依靠高锰酸盐指数与TN的间接影响，这也是影响水质的主要途径。