太子河辽阳段水体污染时空变化特征研究

王 爽

(辽宁省辽阳水文局,辽宁 辽阳 111000)

在经济发展和城市建设过程中,河流作为环境与资源载体直接关系着城市的生存发展[1]。随着城市的快速扩张及经济的不断发展,工业废水和生活污水排放量急剧增多,加上环保设施建设滞后使得大量污染物入河,水体中磷(P)、氮(N)、化学需氧量(COD)等超标,水环境受到严重污染[2-3]。受生态水文过程与人类活动的共同影响,河流地表水体呈现出时空异质性。近年来,由于生产、生活方式的差异化,产生不同污染程度的废水和不同类型的污水对太子河辽阳段水体产生影响,水生态功能逐渐退化。因此,全面分析太子河辽阳段水体污染时空变化特征,对保护太子河流域水质安全、改善河流水体环境和了解水质现状具有重大现实意义。

水质评价是水体污染定量或定性分析的有效方法,这也是实现水污染防治及高效利用水资源的重要基础。目前,比较常用的方法有主成分分析法、模糊数学法、内梅罗指数法等[4-8]。针对单一方法存在的局限性,更多情况下是联合使用两种或以上方法,如杨荣金等综合运用Spearman秩相关系数法、反距离加权法和主成分法评价分析了官厅水库2010—2017年的水质及其时空变化特征,结果发现该水库主要面临着水体富营养化的问题;沈洪鑫等对大汶河干流及主要支流水质状况利用因子分析法、内梅罗和单因子污染指数法进行评价,结果显示大汶河流域水体受重金属和有机物污染较重,总体达到Ⅴ类水质;曾凤莲等结合淮河干流1999—2019年断面监测数据,运用综合污染指数法与单因子评价法探究河流水质突变特征及关键污染因子变化趋势,结果表明淮河水体污染因子出现了结构性转变,Ⅰ～Ⅲ类水质断面所占比例逐渐增加[9-11]。

东北地区的降雨、径流量和气温具有较明显的季节性变化特征,河流水环境受影响因素多,为了更加直观地揭示水污染季节性变化特征,研究选取2020年3月—2021年2月监测分析太子河辽阳段平、丰、枯3个水期的污染指标,采用改进的水质标识指数法探究水污染时空变化特征及关键污染因子,为达到太子河辽阳段景观用水水质功能要求、提升太子河干流水质及巩固流域治理成果提供技术支持。

1 研究方法

1.1 研究区概况

太子河有南北二源,两支于南甸子镇马城子村汇合成太子河干流,经本溪市进入辽阳市境内,全长413km,其中辽阳市境内流程143km,面积约4000km2。境内河流主要有柳壕河、北沙河和汤河,其中流程超过10km的有24条,大多为太子河支流。太子河水质状况深受沿河居民和各级政府的关注,特别是太子河辽阳段下口子断面作为流域水体的考核断面,更是受到省市级政府的高度重视,其水环境状况直接关系着广大居民的安全健康。

1.2 水样采集

根据河流水质特点沿太子河辽阳段开始布控采样点,共设置监测断面8个,其中辽阳段5个,柳壕河、汤河和北沙河支流各1个,采样点概况见表1。

表1 河流采样点概况

研究从2020年3月至2021年2月每月对所有监测断面采集1次样品,采用事先净化好的塑料并按照《水和废水监测分析方法》采集距离水面0.5m处水样,其中电导率、pH值、浊度及水温等指标利用YSI660 V2型多参数水质测定仪进行现场测试。经过滤处理后,向采集的每个水样加入1mg/L的H2SO4酸化备用,测定CODMn、BOD、NH3-N和COD指标。

1.3 评价方法

为了能够定量定性评价河流水体,保证水体综合水质不会受个别较差指标的干扰,研究选用综合水质标识指数法合理评价河流水体污染情况,其表达式为:

IWQ=X1·X2X3X4

(1)

式中:IWQ为综合水质标识指数;X1、X2为水质级别及其在该级别范围内的位置;X3、X4为劣于标准的指标个数以及污染程度,X4为水功能区类别与综合水质类别的比较结果,这是一个有效数字。综合水质指数X1、X2的计算是应用综合水质标识指数法的关键,为更加直观地反映水体现状拟定了3种改进方案,具体如下:

(2)

(3)

(4)

2 水质变化特征

2.1 pH值变化

太子河辽阳段各典型断面水体pH值变化特征如图1所示,结果表明一个水文年内研究区域pH值处于6.56～8.14变化范围,总体属于中性水体。其中,枯水期pH值处于7.01～7.52的变化范围,该时期属于中性水体;丰水期pH值>7属中性偏碱水体,青鱼湾点位出现最高值8.14;平水期pH值处于6.51～6.92变化范围,该时期属于中性偏酸水体。总体而言,太子河辽阳段水体可以为水生物生长提供适宜的环境条件。

图1 太子河辽阳段水体pH值变化特征

对于不同水期期,平水期太子河辽阳段pH值略低于丰水期与枯水期,并且丰水期监测断面pH值大部分最高,这是因为丰水期直接与空气接触的表层温度较高,水中CO2溶解度减小使得pH值升高;另外,浮游生物在丰水期具有强烈的光合作用,水中CO2被消耗致使pH值上升;上游水库丰水期放水引起水流冲击河底,加速水体解离速度和pH值的上升。从走向上,丰水期青鱼湾、蛤蜊断面pH值略高于其它断面,枯水期未表现出明显规律性,这是因为枯水期水质差、污染中且水量少,水体流量以支流及排污口排放为主,使得不同监测区段pH值未表现出明显差异性。

2.2 电导率变化

离子浓度直接决定了电导率σ的大小,这是分析水化学特征的主要参数之一,如图2所示。

图2 太子河辽阳段水体电导率变化特征

对于不同水期,枯水期太子河辽阳段水体电导率最高,丰水期最低,平水期居中,一般电导率随水量的减小而升高,枯水期明显高于丰水期和平水期河流电导率。从走向上,枯水期葠窝水库、朝光断面略高于其它断面的电导率,尤其是朝光断面枯水期电导率出现峰值6.18mS/m,这是因为该断面上游分布有排污口,其中的可溶性盐类使得下游电导率增加。

2.3 单因子水质标识指数

以《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类水为太子河水环境功能区目标,采用CODMn、BOD、NH3-N和COD四个指标综合评价太子河辽阳段水环境状况,3种方案平、丰、枯水期水体综合水质指数X1·X2和单因子水质标识指数计算结果如表2所示。

表2 平、丰、枯水期太子河辽阳店水质评价

从表1可以看出,太子河辽阳段和监测断面综合水质指数最小的方案一,这是因为计算结果没有考虑水环境质量受超标因子的影响,各因子赋予的权重相同;由于方案二对超标因子赋予的权重过高使得综合水质指数偏大;方案三充分考虑了水环境受超标因子的影响作用,能够更加真实地反映河流水质实际情况,故选用方案三评价太子河辽阳段综合水质标识指数。

平、丰、枯3个水期太子河辽阳段单因子水质标识指数计算结果如表2,枯水期8个监测断面的NH3-N、COD指标总体达到Ⅳ类水要求,部分断面的BOD也达到Ⅳ类水要求,仅CODMn符合目标水功能区要求;丰水期8个监测断面的CODMn、BOD及NH3-N均符合Ⅲ水要求,说明该时段太子河辽阳段水环境良好;平水期8个监测断面COD指标总体符合Ⅳ类水要求,CODMn及BOD均符合Ⅲ类水要求,NH3-N水质污染指标具有较大差异性。

通过计算平均值可知,NH3-N和COD是主要超标因子,3个水期中COD水质污染指标均未达到目标水功能区Ⅲ类要求,如图3所示。

2.4 综合水质标识指数

太子河辽阳段综合水质标识指数IWQ按照方案三进行计算分析。对于不同水期,枯水期太子河辽阳段IWQ出现最大值,说明该时段河流水质较差,X1·X2处于3.7～4.3变化范围,其中葠窝水库断面有最大值,青鱼湾、蛤蜊断面有最小值,参与评价的8个断面全部达Ⅳ类水要求;其次是平水期,X1·X2处于3.4～3.9变化范围,与枯水期相比具有较小差异,说明点源污染是该区域主要污染源;丰水期太子河辽阳段污染较轻,X1·X2处于2.8～3.7变化范围,只有隔壁断面没有达到目标水质要求。结合表1种定性分析结果,太子河辽阳段枯水期总体处于轻度污染水平,丰水期和平水期水质良好。

3 结 论

1)一个水文年内太子河辽阳段水体pH值处于6.56～8.14变化范围,总体属于中性水体,可以为水生物生长提供适宜的环境条件。枯水期太子河辽阳段水体电导率最高,丰水期最低,平水期居中,沿河道走向电导率未表现出明显变化特征。

2)NH3-N和COD是影响太子河辽阳段水质的主要指标,CODMn及BOD指标总体能够达到目标水功能区要求。丰水期和平水期太子河辽阳段大部分监测断面均能够符合水功能区要求,枯水期水质未达标;水污染程度沿太子河辽阳段河道走向具有一定规律性,上游段总体小于下游段综合水质标识指数。