遼河汛期水質水量相關性分析

張家權

（遼寧省防汛抗旱指揮部，遼寧 沈陽 110005）

0 引言

水資源是一個“質”與“量”的函數，水資源的豐富與否同時取決于水量和水質兩個方面[1]。在一次流域降雨形成的洪水過程中，水質水量都會發生變化。通過分析汛期中水質水量的變化特征和規律，進一步從宏觀上分析污染物來源，為打好河流污染防治攻堅戰提供一些依據和參考。水量短缺、生態環境惡化的水體修復、水資源綜合規劃、配置管理等研究問題迫切需要建立一套水量和水質聯合評價體系。水質水量相結合的研究越來越受到國際上的重視我國在這方面的工作也正全面展開［1－2］。為此，我們連續監測了遼河流域沈陽段4個水質監測7 月～9 月水質變化，主要監測項目為氨氮、高錳酸鹽指數、總磷、總氮共計4 個指標，并對水質水量監測資料進行相關性分析。

1 監測范圍

根據《水環境監測規范》（SL 219-2013）中監測斷面布設原則，結合跨流域、跨行政區域特點，以及水利部要求設立國家重點水質站名錄內站點122 處，其中位于遼河的重要水質站點有4 個，見表1。

表1 遼河流域沈陽市全國重要水質站

2 評價參數、方法及分類標準

2.1 水質評價標準和方法

按照地表水環境質量標準（GB 3838-2002）的Ⅲ類標準，評價方法采用單因子法，評價因子取值根據水資源特征按年平均值、汛期、非汛期平均值分別進行統計計算，用每個評價因子各水期平均值與評價標準比較，確定各個評價因子的水質類別和計算超標倍數，其中最高類別為斷面綜合水質類別。

2.2 水質參數與流量相關性分析方法

通過皮爾遜相關系數計算氨氮、高錳酸鹽指數、總磷和總氮四項指標與河流流量之間的相關性。

皮爾遜相關系數(Pearsoncorrelationcoefficient），又稱皮爾遜積矩相關系數（Pearson product-momentcorrelation coefficient，簡稱PPMCC 或PCCs），是用于度量兩個變量X 和Y 之間的相關性（線性相關），其值介于-1與1 之間。計算公式：

式中：Cov(X,Y)為X與Y 的協方差；Var[X]為X 的方差；Var[Y]為Y 的方差。

在皮爾遜相關性檢驗中相關系數r（X,Y）越接近于0，表明變量之間沒有線性相關性；當相關系數r（X,Y）越接近于1，表明變量之間有線性相關性。線性相關性的方向通過相關系數的符號來表示，“+”表示正相關，“-”號表示負相關。

相關系數分類如下：0.8～1.0 為極強相關；0.6～0.8 為強相關；0.4～0.6 為中等程度相關；0.2～0.4 為弱相關；0～0.2 為極弱相關或無相關。

3 評價結果

3.1 水質類別評價結果

根據評價結果顯示，2019年流經沈陽市的遼河段上四個監測斷面，遼中、馬虎山、平安堡和毓寶臺全年期水質類別，汛期水質類別以及非汛期水質類比均達到Ⅲ類水要求，無超標項目。

表2 遼河沈陽市遼河水質監測斷面水質類別

3.2 水質參數隨流量變化分析

使用SPSS 數據分析軟件，通過皮爾遜相關性檢驗得到了遼河沈陽段流量與高錳酸鹽指數、氨氮、總氮和總磷的相關性見表3。

表3 沈陽市遼河水質監測斷面污染指標與流量相關系數表

通過分析可知，流經沈陽市的遼河段上的4 個監測斷面：總氮與流量的皮爾遜相關系數為0.702～0.809，有強相關性；高錳酸鹽指數與流量的皮爾遜相關系數為-0.247～0.461，其中平安堡屬于負的弱相關性，毓寶臺與馬虎山監測斷面屬于極弱相關或無相關性，遼中監測斷面高錳酸鹽指數與流量具有中等相關性；氨氮參數與流量的皮爾遜相關系數為-0.497～-0.209，屬于負相關性，其中毓寶臺監測斷面為-0.497 屬于負的中等程度相關性，其他監測斷面數負的弱相關性；總磷參數與流量的皮爾遜相關系數為-0.153～0.19，屬于極弱相關或無相關性。

3.2.1 馬虎山監測斷面

馬虎山水質監測斷面汛期流量在1.4 m3/s～1530 m3/s,高錳酸鹽指數3.1 mg/L～7.9 mg/L，高錳酸鹽指數指標與流量的相關系數0.131 屬于弱相關或無相關；氨氮含量0.08 mg/L～3.18 mg/L，氨氮指標與流量的相關系數-0.209 屬于負的弱相關；總氮0.56 mg/L～8.06 mg/L，隨著流量的迅速增大，總氮數值也明顯的增大，其與流量的相關系數0.702 屬于強相關；總磷0.01 mg/L～0.31 mg/L，總磷與流量的相關系數-0.056 屬于負的弱相關或無相關，在整個汛期過程中基本穩定，說明總磷主要是點源污染，各種指標監測結果見圖1。

圖1 馬虎山監測斷面污染物指標隨流量變化圖

3.2.2 平安堡水質監測斷面

平安堡水質監測斷面汛期流量在4.6 m3/s～1280 m3/s,高錳酸鹽指數4.0 mg/L～7.2 mg/L，高錳酸鹽指數指標與流量的相關系數-0.247，屬于負的弱相關，從圖2 可以看出當流量較低時高錳酸鹽指較高，當流量增加時，高錳酸鹽指數數值反而增加；氨氮含量0.08 mg/L～2.50 mg/L，氨氮指標與流量的相關系數-0.357 屬于負的弱相關；總氮0.77 mg/L～8.35 mg/L，總氮指標與流量的相關系數0.756 屬于強相關，數值變化與流量有一定的相關性，隨著流量的迅速增大，總氮數值也明顯的增大，當流量降低時總氮數值也隨之下降；總磷0.06 mg/L～0.25 mg/L，總磷指標與流量的相關系數0.19 屬于弱相關，總磷指標數值在整個汛期過程中基本穩定，說明總磷主要是點源污染。各種指標監測結果見圖2。

圖2 平安堡水質監測斷面污染物指標隨流量變化圖

3.2.3 毓寶臺水質監測斷面

毓寶臺監測斷面汛期流量在2.6 m3/s～1270 m3/s,流量呈現出先平緩后突然增大再平緩減小的變化趨勢；高錳酸鹽指數3.6 mg/L～7.1 mg/L，高錳酸鹽指數指標與流量的相關系數-0.191，屬于負的弱相關或無相關，數據呈現波動性變化，高錳酸鹽指數變化隨流量變化不明顯；氨氮含量0.06 mg/L～1.73 mg/L，氨氮指標與流量的相關系數-0.497，屬于負的中等程度相關；總氮0.57 mg/L～8.76 mg/L 總氮隨著流量的增加數值也變大，當流量降低時，總氮數值也相應減小，高總氮指標與流量的相關系數0.778，屬于強相關，總磷0.06 mg/L～0.29 mg/L，總磷指標與流量的相關系數-0.153，屬于負的弱相關或無相關，在整個汛期過程中基本穩定，說明總磷主要是點源污染。各種指標監測結果見圖3。

圖3 毓寶臺水質監測斷面污染物指標隨流量變化圖

3.2.4 遼中水文站

遼中水質監測斷面汛期流量在3.6 m3/s～1290 m3/s,高錳酸鹽指數3.8 mg/L～8.1 mg/L，高錳酸鹽指數在流量最后一次從580 m3/s 迅速增加到1290 m3/s 時，高錳酸鹽指數也明顯升高，高錳酸鹽指數指標與流量的相關系數0.461 屬于中等程度相關；氨氮含量0.05 mg/L～1.44 mg/L，氨氮指數指標與流量的相關系數-0.384 屬于負的弱相關，因此當流量增加時或減少時，氨氮含量沒有明顯的變化，說明氨氮可能是點源污染，總氮0.772 mg/L～7.13 mg/L，總氮指標與流量的相關系數0.809 屬于極強相關；總磷0.02 mg/L～0.44 mg/L，總磷指標與流量的相關系數0.006 屬于極弱或無相關，在整個汛期過程中基本不隨流量，說明總磷可能是點源污染，各種指標監測結果見圖4。

圖4 遼中水質監測斷面污染物指標隨流量變化圖

4 結論

通過分析可以得出以下結論，流經沈陽市的遼河段中，總氮含量會水質流量的增大而增加，隨著流量的減小二降低，總氮與流量的皮爾遜相關系數為0.702～0.809，有強相關性，說明污染物含量主要受城鎮面源污染影響；氨氮含量在水量小的時候大，在水量大的時候小與流量的皮爾遜相關系數為-0.497～-0.209，屬于負相關性，其中毓寶臺監測斷面為-0.497 屬于負的中等程度相關性，其他監測斷面數負的弱相關性，說明污染物含量可能受點源影響；高錳酸鹽指數與流量的皮爾遜相關系數為-0.247～0.461，其中平安堡屬于負的弱相關性，毓寶臺與馬虎山監測斷面屬于極弱相關或無相關性，遼中監測斷面高錳酸鹽指數與流量具有中等相關性；總磷參數與流量的皮爾遜相關系數為-0.153～0.19，屬于極弱相關或無相關性。

在汛期時，由于降雨徑流的沖刷和淋溶作用，將地表和沉積在下水管網中的污染物帶入納污水體，造成水體污染物的含量增加。隨著起漲階段的水量增大、流速增快，河底的沉積物也被沖刷而起，致使總氮等面源污染物的含量都隨著流量的增大而增大，而氨氮等點源污染物的含量則隨著流量的增大而減小[3]。待到洪峰階段，污染物受到洪水的稀釋降解作用，比起漲階段的含量小。隨后的退水階段，水量逐漸減小、流量變緩，監測斷面上游的污染物大多已被沖刷至下游，泥沙吸附著污染物逐漸沉降，造成面源污染物的含量逐漸減小[4]，點源污染物的含量逐漸增大。但接近起漲流量時，沉積物并未完全沉降到起漲階段的狀態，故造成面源污染物含量比起漲階段大。