太子河遼陽段水體污染時空變化特征研究

王 爽

(遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

在經濟發展和城市建設過程中,河流作為環境與資源載體直接關系著城市的生存發展[1]。隨著城市的快速擴張及經濟的不斷發展,工業廢水和生活污水排放量急劇增多,加上環保設施建設滯后使得大量污染物入河,水體中磷(P)、氮(N)、化學需氧量(COD)等超標,水環境受到嚴重污染[2-3]。受生態水文過程與人類活動的共同影響,河流地表水體呈現出時空異質性。近年來,由于生產、生活方式的差異化,產生不同污染程度的廢水和不同類型的污水對太子河遼陽段水體產生影響,水生態功能逐漸退化。因此,全面分析太子河遼陽段水體污染時空變化特征,對保護太子河流域水質安全、改善河流水體環境和了解水質現狀具有重大現實意義。

水質評價是水體污染定量或定性分析的有效方法,這也是實現水污染防治及高效利用水資源的重要基礎。目前,比較常用的方法有主成分分析法、模糊數學法、內梅羅指數法等[4-8]。針對單一方法存在的局限性,更多情況下是聯合使用兩種或以上方法,如楊榮金等綜合運用Spearman秩相關系數法、反距離加權法和主成分法評價分析了官廳水庫2010—2017年的水質及其時空變化特征,結果發現該水庫主要面臨著水體富營養化的問題;沈洪鑫等對大汶河干流及主要支流水質狀況利用因子分析法、內梅羅和單因子污染指數法進行評價,結果顯示大汶河流域水體受重金屬和有機物污染較重,總體達到Ⅴ類水質;曾鳳蓮等結合淮河干流1999—2019年斷面監測數據,運用綜合污染指數法與單因子評價法探究河流水質突變特征及關鍵污染因子變化趨勢,結果表明淮河水體污染因子出現了結構性轉變,Ⅰ～Ⅲ類水質斷面所占比例逐漸增加[9-11]。

東北地區的降雨、徑流量和氣溫具有較明顯的季節性變化特征,河流水環境受影響因素多,為了更加直觀地揭示水污染季節性變化特征,研究選取2020年3月—2021年2月監測分析太子河遼陽段平、豐、枯3個水期的污染指標,采用改進的水質標識指數法探究水污染時空變化特征及關鍵污染因子,為達到太子河遼陽段景觀用水水質功能要求、提升太子河干流水質及鞏固流域治理成果提供技術支持。

1 研究方法

1.1 研究區概況

太子河有南北二源,兩支于南甸子鎮馬城子村匯合成太子河干流,經本溪市進入遼陽市境內,全長413km,其中遼陽市境內流程143km,面積約4000km2。境內河流主要有柳壕河、北沙河和湯河,其中流程超過10km的有24條,大多為太子河支流。太子河水質狀況深受沿河居民和各級政府的關注,特別是太子河遼陽段下口子斷面作為流域水體的考核斷面,更是受到省市級政府的高度重視,其水環境狀況直接關系著廣大居民的安全健康。

1.2 水樣采集

根據河流水質特點沿太子河遼陽段開始布控采樣點,共設置監測斷面8個,其中遼陽段5個,柳壕河、湯河和北沙河支流各1個,采樣點概況見表1。

表1 河流采樣點概況

研究從2020年3月至2021年2月每月對所有監測斷面采集1次樣品,采用事先凈化好的塑料并按照《水和廢水監測分析方法》采集距離水面0.5m處水樣,其中電導率、pH值、濁度及水溫等指標利用YSI660 V2型多參數水質測定儀進行現場測試。經過濾處理后,向采集的每個水樣加入1mg/L的H2SO4酸化備用,測定CODMn、BOD、NH3-N和COD指標。

1.3 評價方法

為了能夠定量定性評價河流水體,保證水體綜合水質不會受個別較差指標的干擾,研究選用綜合水質標識指數法合理評價河流水體污染情況,其表達式為:

IWQ=X1·X2X3X4

(1)

式中:IWQ為綜合水質標識指數;X1、X2為水質級別及其在該級別范圍內的位置;X3、X4為劣于標準的指標個數以及污染程度,X4為水功能區類別與綜合水質類別的比較結果,這是一個有效數字。綜合水質指數X1、X2的計算是應用綜合水質標識指數法的關鍵,為更加直觀地反映水體現狀擬定了3種改進方案,具體如下:

(2)

(3)

(4)

2 水質變化特征

2.1 pH值變化

太子河遼陽段各典型斷面水體pH值變化特征如圖1所示,結果表明一個水文年內研究區域pH值處于6.56～8.14變化范圍,總體屬于中性水體。其中,枯水期pH值處于7.01～7.52的變化范圍,該時期屬于中性水體;豐水期pH值>7屬中性偏堿水體,青魚灣點位出現最高值8.14;平水期pH值處于6.51～6.92變化范圍,該時期屬于中性偏酸水體?？傮w而言,太子河遼陽段水體可以為水生物生長提供適宜的環境條件。

圖1 太子河遼陽段水體pH值變化特征

對于不同水期期,平水期太子河遼陽段pH值略低于豐水期與枯水期,并且豐水期監測斷面pH值大部分最高,這是因為豐水期直接與空氣接觸的表層溫度較高,水中CO2溶解度減小使得pH值升高;另外,浮游生物在豐水期具有強烈的光合作用,水中CO2被消耗致使pH值上升;上游水庫豐水期放水引起水流沖擊河底,加速水體解離速度和pH值的上升。從走向上,豐水期青魚灣、蛤蜊斷面pH值略高于其它斷面,枯水期未表現出明顯規律性,這是因為枯水期水質差、污染中且水量少,水體流量以支流及排污口排放為主,使得不同監測區段pH值未表現出明顯差異性。

2.2 電導率變化

離子濃度直接決定了電導率σ的大小,這是分析水化學特征的主要參數之一,如圖2所示。

圖2 太子河遼陽段水體電導率變化特征

對于不同水期,枯水期太子河遼陽段水體電導率最高,豐水期最低,平水期居中,一般電導率隨水量的減小而升高,枯水期明顯高于豐水期和平水期河流電導率。從走向上,枯水期葠窩水庫、朝光斷面略高于其它斷面的電導率,尤其是朝光斷面枯水期電導率出現峰值6.18mS/m,這是因為該斷面上游分布有排污口,其中的可溶性鹽類使得下游電導率增加。

2.3 單因子水質標識指數

以《地表水環境質量標準》中的Ⅲ類水為太子河水環境功能區目標,采用CODMn、BOD、NH3-N和COD四個指標綜合評價太子河遼陽段水環境狀況,3種方案平、豐、枯水期水體綜合水質指數X1·X2和單因子水質標識指數計算結果如表2所示。

表2 平、豐、枯水期太子河遼陽店水質評價

從表1可以看出,太子河遼陽段和監測斷面綜合水質指數最小的方案一,這是因為計算結果沒有考慮水環境質量受超標因子的影響,各因子賦予的權重相同;由于方案二對超標因子賦予的權重過高使得綜合水質指數偏大;方案三充分考慮了水環境受超標因子的影響作用,能夠更加真實地反映河流水質實際情況,故選用方案三評價太子河遼陽段綜合水質標識指數。

平、豐、枯3個水期太子河遼陽段單因子水質標識指數計算結果如表2,枯水期8個監測斷面的NH3-N、COD指標總體達到Ⅳ類水要求,部分斷面的BOD也達到Ⅳ類水要求,僅CODMn符合目標水功能區要求;豐水期8個監測斷面的CODMn、BOD及NH3-N均符合Ⅲ水要求,說明該時段太子河遼陽段水環境良好;平水期8個監測斷面COD指標總體符合Ⅳ類水要求,CODMn及BOD均符合Ⅲ類水要求,NH3-N水質污染指標具有較大差異性。

通過計算平均值可知,NH3-N和COD是主要超標因子,3個水期中COD水質污染指標均未達到目標水功能區Ⅲ類要求,如圖3所示。

2.4 綜合水質標識指數

太子河遼陽段綜合水質標識指數IWQ按照方案三進行計算分析。對于不同水期,枯水期太子河遼陽段IWQ出現最大值,說明該時段河流水質較差,X1·X2處于3.7～4.3變化范圍,其中葠窩水庫斷面有最大值,青魚灣、蛤蜊斷面有最小值,參與評價的8個斷面全部達Ⅳ類水要求;其次是平水期,X1·X2處于3.4～3.9變化范圍,與枯水期相比具有較小差異,說明點源污染是該區域主要污染源;豐水期太子河遼陽段污染較輕,X1·X2處于2.8～3.7變化范圍,只有隔壁斷面沒有達到目標水質要求。結合表1種定性分析結果,太子河遼陽段枯水期總體處于輕度污染水平,豐水期和平水期水質良好。

3 結 論

1)一個水文年內太子河遼陽段水體pH值處于6.56～8.14變化范圍,總體屬于中性水體,可以為水生物生長提供適宜的環境條件?？菟谔雍舆|陽段水體電導率最高,豐水期最低,平水期居中,沿河道走向電導率未表現出明顯變化特征。

2)NH3-N和COD是影響太子河遼陽段水質的主要指標,CODMn及BOD指標總體能夠達到目標水功能區要求。豐水期和平水期太子河遼陽段大部分監測斷面均能夠符合水功能區要求,枯水期水質未達標;水污染程度沿太子河遼陽段河道走向具有一定規律性,上游段總體小于下游段綜合水質標識指數。