辽河流域辽宁段主要水质监测断面近30a水质变化特征分析

孔令尧

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

辽河干流全长为1383km，流经辽宁、吉林、内蒙、河北等四省，在辽宁省境内的面积为6.93万km2，是辽宁省境内第一大河流[1]。辽河水环境对于辽河流经城市社会经济发展影响十分明显，早期由于工业和农业的快速发展，辽河水环境产生了较为严重的影响，水质逐年递减，各类水质指标超标较高[2]。2000年开始，辽河加大流域水环境综合治理的力度，流域水环境得到不同程度的改善，流域水质得到好转，水污染浓度有所下降[3]。近些年来，辽河干流水质指标浓度变化得到一定程度的研究[4-11]，但这些研究大都未能系统对辽河干流各主要控制断面的水质指标浓度进行分析，存在代表性不强的局限。为提高辽河干流水环境保护的力度，结合辽河干流13个水质监测断面氨氮、总磷和化学需氧量观测数据，对其近30a水质变化特征进行系统分析，并结合国内变量趋势检验应用较好的Mann-Kendall方法[12-14]，对其各指标变化特征进行趋势检验。研究成果对于辽河水环境保护规划的科学制定具有重要参考价值。

1 研究资料及方法

1.1 水质断面概况

选取辽河流域13个主要控制断面氨氮、总磷观测数据，对辽河流域1990—2020年主要控制断面水质变化特征进行分析，各站点名称及水质目标见表1。

表1 辽河流域主要水质控制断面

1.2 变化趋势检验方法

水质指标变化趋势采用Mann-Kendall方法进行显著性检验，该方法主要通过对年和季节尺度水质指标数据系列进行特征统计，其统计变量计算方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—水质指标观测数据系列趋势检验特征统计变量；xi—水质指标数据系列正向样本统计数据系列；xj—水质指标数据系列反向样本统计数据系列；σs—计算水质指标数据数据系列的标准方差；sign—变量计算符号；n—水质指标统计数据序列样本总数；Z—不同检验水平下的变量特征值，Z>0表示水质指标总体呈现递增变化，反之则表示水质指标总体呈现递减变化。99%置信检验水平下|Z|高于2.32，95%置信检验水平下|Z|在1.64～2.32之间，90%置信检验水平下|Z|在1.28～1.64之间。

2 水质变化特征分析

2.1 年尺度分析

结合辽河流域13个主要控制断面氨氮、总磷观测数据，对不同年代氨氮和总磷浓度均值进行统计分析，结果见表2。

表2 辽河流域辽宁段主要控制断面不同年代氨氮和总磷浓度均值 单位：mg/L

在辽河流域辽宁段主要控制断面不同年代氨氮和总磷浓度均值变化可看出，辽河流域水质监测断面不同年代氨氮和总磷浓度均值均在Ⅲ～Ⅳ类水质保护目标内，不同年代水质浓度均值总体呈现递减变化，但递减幅度不高，2000—2010年由于辽河流域水环境综合治理措施的不断实施，使得氨氮和总磷总体呈现递减变化，通过分析不同年代氨氮和总磷浓度均值递减率，近30a辽河流域辽宁段各水质监测断面氨氮和总磷浓度均值年递减率分别为0.05和0.03mg/L·10a。

2.2 季节尺度分析

在辽河流域辽宁段年尺度分析的基础上，对流域内各水质监测断面汛期和非汛期氨氮和总磷浓度均值进行统计分析，结果见表3—4。

表3 辽河流域辽宁段主要控制断面不同年代汛期氨氮和总磷浓度均值 单位：mg/L

表4 辽河流域辽宁段主要控制断面不同年代非汛期氨氮和总磷浓度均值 单位：mg/L

从辽河流域辽宁段汛期和非汛期氨氮和总磷浓度均值变化可看出，汛期用于河道内水量相对较为充沛，使得不同年代各水质监测断面氨氮和总磷浓度均值要低于非汛期各水质监测断面的浓度均值，和年尺度变化具有相似性，汛期和非汛期各水质监测断面氨氮和总磷浓度均值也总体呈现递减变化，但递减幅度要高于年尺度，汛期氨氮和总磷浓度均值在不同年代递减幅度分别为0.06和0.05mg/L·10a，而非汛期其递减幅度有所减小，氨氮和总磷浓度均值递减幅度分别为0.057和0.048mg/L·10a，递减幅度均要高于年尺度。

3 水质变化趋势分析

3.1 年尺度分析

在年尺度和季节尺度辽河流域辽宁段主要控制监测断面总磷和氨氮浓度均值分析基础上，采用Mann-Kendall方法对辽河流域辽宁段各水质监测断面不同年代氨氮和总磷浓度变化趋势进行检验，检验结果见表5。

表5 辽河流域辽宁段各水质监测断面总磷和氨氮年尺度浓度变化趋势检验结果 单位：mg/L

从辽河流域辽宁段各水质监测断面总磷和氨氮年尺度浓度变化趋势检验结果可看出，各水质监测断面氨氮和总磷浓度均值总体呈现递减变化，部分断面呈现递增变化，但总体趋势检验值为负值，表明辽河铁岭段各水质监测断面氨氮和总磷浓度逐步递减，通过不同年代氨氮和总磷浓度均值变化趋势检验可看出，2000年以后辽河流域辽宁段各水质监测断面氨氮和总磷浓度递减趋势检验值变幅加大，表明其递增趋势的显著性增强。

3.2 季节尺度分析

在辽河流域辽宁段各水质监测断面年尺度氨氮和总磷趋势检验的基础上，对汛期和非汛期各监测断面总磷和氨氮进行趋势检验，检验结果见表6—7。

表6 辽河流域辽宁段各水质监测断面总磷和氨氮汛期尺度浓度变化趋势检验结果 单位：mg/L

表7 辽河流域辽宁段各水质监测断面总磷和氨氮非汛期尺度浓度变化趋势检验结果 单位：mg/L

从辽河流域辽宁段各水质监测断面汛期和非汛期氨氮和总磷浓度趋势检验结果可看出，其总体变化趋势检验值和年尺度具有一致性，均总体呈现递减变化，但各年代递减趋势检验值总体未能通过90%的显著性检验，部分断面趋势检验值可通过90%的显著性检验。从氨氮和总磷不同年代趋势检验值可看出，其递减趋势检验值之间的差异程度较低，辽河铁岭段各水质监测断面氨氮和总磷之间具有较好的相关性，通过分析汛期氨氮和总磷的相关系数可达到0.65以上，非汛期相关系数可达到0.4以上。

4 水质影响成因分析

结合参考文献[15]的方法对辽河流域辽宁段各水质监测断面总氮和总磷影响成因的贡献率进行统计，结果见表8—9。

表8 辽河流域辽宁段各水质监测断面氨氮影响成因分析结果 单位：%

表9 辽河流域辽宁段各水质监测断面总磷影响成因分析结果 单位：%

通过对辽河流域辽宁段各水质监测断面氨氮和总磷浓度影响因子相对贡献率分析结果可看出，对于氨氮和总磷而言，农业和工业是其主要影响因子，其相对贡献率累积值高于70%，居民生活污水影响相对贡献率约为20%。各水质监测断面氨氮和总磷之间具有较好的相关性，因此其影响主因也具有一致性。辽河流域辽宁段各水质监测断面氨氮和总磷浓度总体受农业面源污染影响较大，其次为工业废水影响，人类生活污水影响程度较低。尤其是2000年以后，加大了对辽河流域沿线灌区农业化肥使用量管控和工业污水排放力度的整治，使得其各水质监测断面氨氮和总磷浓度逐年呈现递减变化。

5 结论

(1)农业面源污染是辽河流域辽宁段水质变化影响的主因，尤其是氨氮影响相对贡献率高于40%，其次是工业废水影响，其对总磷的影响要高于氨氮浓度的影响，建议进一步加大对辽河流域沿线农业耕种区面源污染的管控。

(2)辽河流域辽宁段各水质监测断面氨氮和总磷之间具有较好的相关性，其变化趋势总体具有一致性，汛期氨氮和总磷的相关系数可达到0.65以上，非汛期相关系数可达到0.4以上。

(3)通过建立氨氮和总磷与各影响因子之间的回归方程，结合区域规划数据，对水质浓度变化趋势预测是后续主要研究的重点。