太子河流域水質時空演變及污染源探析

康 建

(遼寧德遠項目管理有限公司，遼寧 葫蘆島 125300)

太子河流域是遼河流域一條主要支流，該流域上游為山區，位于遼寧東部，該區域植被較為豐富，水環境較好，中下游流經遼陽、本溪和鞍山等地，水質情況與上游有很大不同，受到工業污染和生活廢水的嚴重影響。作為城市的社會經濟命脈，太子河流域對該地區的可持續社會經濟發展至關重要。盡管近年來過流流域在水質特征研究取得了一些成果，大多集中在水質監測的1個或幾個河段上，數據序列相對較短，目前幾乎沒有對整個流域的水質指標進行分析。本文根據2002—2021年8條國家監測的水質監測河段的5類水質監測數據，分析了太子河流域水質的空間和時間趨勢，并提出流域的污染預防措施。

1 研究原理

本文選取太子河流域8個水質監測斷面(小姐廟、小河口、唐馬寨、小林子、遼陽、二道溝、本溪、老官砬子)的2002—2021年連續水質采樣監測數據。選擇了5個水質監測指標來代表太子河流域的水質趨勢：氨氮、高錳酸鉀指數、揮發酚、化學需氧量和生化需氧量[1]。水質影響因素主要計算每個污染因素的貢獻，使用多元回歸方程，結合其主要污染源的主成分分析和每個因素的主成分值來量化主要影響因素對太子河流域的8個水質監測斷面的水質指標分別進行了評估，分析各斷面水質達標率，并根據單項水質指標得分情況，選擇最劣作為評價水質總分，采用M-K非線性對其進行檢驗，將一系列的水質監測指標作為統計變量S的樣本序列：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—檢驗水質指標樣本系列的顯著性的統計變量；xi和xj—同一樣本集的兩個樣本數據系列；α—標準估計方差；sign—估計變量，n—總樣本系列，Z—檢驗因變量，如果，Z大于0，則水質指標呈現上升趨勢、否則，就呈現出下降的趨勢，也就是說，如果，當Z的絕對值大于2.32，顯著性置信水平為99%，Z的絕對值在1.64—2.32之間，其顯著性置信水平為95%，Z的絕對值在1.28—1.64之間，顯著性置信水平為90%。

2 水質時間特征

2.1 水質斷面達標率

在8個水質監測斷面，使用地表水環境質量相關標準對監測斷面水質進行評估，其達標統計結果詳見表1。

表1 太子河流域水質年達標率統計

通過分析每個水質指標的參考值并基于單個指標的評估結果，2002—2012年，該流域大多數水質僅在1個階段達到三級或以上，有部分年份未達標，使水質達標率相對較低。相比之下，2013年，8個水質階段中有2個達到了水質標準，到2021年，有5個階段達到了標準，流域的水環境有了較大改善。

2.2 水質斷面中的各項指標

在5個選定的太子河流域的水質參數(如銨氮、生化需求量、化學需氧量、高錳酸鉀指數和揮發性酚類)數據的基礎上，結合M-K非線性顯著性檢驗方法，對各斷面水質濃度變化趨勢進行分析[2-3]，結果見表2—6。

表2 太子河流域氨氮濃度變化趨勢

表3 太子河流域生化需氧量濃度變化趨勢

表4 太子河流域化學需氧量濃度變化趨勢

表5 太子河流域高錳酸鉀指數濃度變化趨勢

表6 太子河流域揮發酚變化趨勢

由8個水質監測斷面和5個水質指標分析可知，在小姐廟、小河口兩個水質斷面中，各種水質參數都明顯降低，兩者都達到了90%以上的檢驗顯著性水平，證實了各種水質參數濃度降低。在唐馬寨斷面，除化學需氧量和高錳酸鹽指數外，其他指標均無明顯變化，這主要與工業污染的影響有關。小林子斷面的水質顯示化學需氧量和揮發性酚類物質明顯增加和減少，但高錳酸鉀除外，這主要是由于工業污染所造成的，氨氮在小林子斷面出現下降，表明城市污染的影響非常弱。在遼陽斷面，BOD出現明顯下降，揮發酚也逐漸下降。而其他參數都保持穩定，主要是由于居民污染。在二焦斷面，氨氮和揮發酚呈明顯上升，然而，其他參數顯示出明顯的下降趨勢，銨氮的顯著增加主要是由于受到城市污染的影響，化學需氧量、生化需氧量和高錳酸鉀指數顯著下降。分別超過15%和80%。在本溪斷面，由于居民生活環境的污染，氨氮和生化耗氧量率發生了明顯變化，其他指標無顯著變化[4]，老官砬子段由于其位于流域上游，水質無顯著變化。

2.3 水質空間變化

根據水質的變化特征，結合8個選定的水質監測斷面，各斷面水質濃度多年均值見表7。

表7 太子河流域水質多年平均濃度

從表7可以看出，流域水質從上游到下游整個范圍內都有一定的變化和減小，城市水質監測斷面分別為遼陽和本溪，各種水質指標的濃度相對較高，上游斷面的水質濃度相對較低，主要是由于植被和農業的地表水源污染相對較少。而老官砬子斷面主要是由于城市工業和居民污染，其水質濃度比較較低。

3 污染源解析

3.1 污染源識別

根據8個水質監測點的監測數據，確定該流域的污染源，并對水質變量之間的相關性進行檢驗，主要是在COM和Bartlett域，見表8。對COM樣本的主成分分析，相應的擬合度大于0.7，相關檢驗水平P小于0.05，從而滿足水質相關規范要求，8個斷面水質變量之間的相關性良好[5]，顯示為正態分布，分析結果合理。

表8 太子河流域各水質主成分分析

分析表明，3個主成分的累積貢獻率為70.79%，其中氨氮和化學需氧量在主成分1中有強烈的正載荷，方差貢獻率為41.52%。該流域流經遼陽、本溪和鞍山3座城市，城市污水使河水中的有機物積累，導致水體富營養化，因此，城市污水排放是第一主成分因子，氣象因自是第二個主要成分，氣候條件對Ph值有較安定的影響，對方差貢獻率為12.74%，所以氣象因素被確定為第二主成分因子，揮發性酚類物質是工業生產中水污染的主要來源，對方差的貢獻為16.51%。

3.2 污染貢獻率

在主成分分析的基礎上，利用絕對主成分構建多元回歸方程，分析各主成分對污染的貢獻率[6-8]，見表9。

表9 主要污染指標貢獻率

對太子河流域主要污染物的貢獻度進行了分析，結果顯示，氨氮對第一主成分的貢獻率分別為75.19%，化學需氧量對第一主成分的貢獻率為82.64%。第二主成分第三主成分的pH和揮發酚的貢獻率分別為81.51%和83.59%。

4 污染控制措施

4.1 加強對點源排放的控制

切實調整企業產業結構，控制污水排放，制定了激勵和懲罰措施[9-10]，改革了農業灌溉方法，加強水質保護力度，強化水資源管理，大力改善流域的水土環境，完善優化水資源保護措施。

4.2 提高自動監測當地水質的能力

切實提高監測能力和水平，實施監測站點優化調整，確保監測數據準確性、完整性和及時性，增強監測能力[11-12]。

4.3 協調該地區的產業布局

加快和優化工業環保措施的調整，減輕企業的污染負擔，廣泛推廣高耗水作業的新技術，以提高用水效率。

4.4 繼續加強生態系統保護工作

加大生態系統工程的規劃和建設力度，降低當地工農業污染負荷，切實加強太子河流域的源頭保護，科學、準確地管理農業面源、工業和城市點源的排放，加強生態系統保護工程的推廣。

5 結語

氨氮和化學需氧量是太子河流域的主要污染物，其主要來源居民生活點源排放，遼陽和本溪段的氨氮和化學需氧量濃度特別高，是由城市地區的點源排放造成的。建議加強對氨氮和COD的控制力度，將其作為流域水質的指標，同時在枯季增加流域水量，加大控制這些污染物的排放。建議調整流域內化工企業的產業結構，加快工業環保措施的優化和調整，降低其污染負荷，在耗水量較大的企業中推廣使用新技術，提高用水效率。促進農業生產方式的調整，提高灌溉能力，促進流域內生態農業的可持續發展。本文主要分析了太子河的水質指標的年度趨勢。后期應該考慮太子河流域的水質趨勢與洪水期間和洪水過后的水量變化情況，為制定太子河流域在不同來水條件下的水環境保護措施提供依據。