松花江干流水质与主要城市取排水量径流量的关系

范晓娜，苗 莹，吴东芳，张继民

（松辽流域水资源保护局，吉林 长春 130021）

1 研究范围

研究范围是松花江三岔河口以下，包括松干及拉林河、蚂蚁河、汤旺河、呼兰河、倭肯河、牡丹江等重要支流。

2 数据来源与技术方法

2.1 数据来源

收集2011年水质监测数据，选取流域具有代表性水质监测断面14个，其中松干7个，支流7个。松干断面从上游到下游依次选取了水源地、水泥厂、通河、依兰、佳木斯、富锦、同江。支流断面包括拉林河五常、蚂蚁河莲花、汤旺河晨明、呼兰河兰西、牡丹江柴河大桥和牡丹江、倭肯河倭肯。取水量、排水量取自《松辽流域水资源公报》（2011年）。径流量数据取自《黑龙江流域水文年鉴》（2011年）。

2.2 技术方法

运用基于因子分析定权的水质评价模型对14个监测断面水质进行等级评价，该模型相对于综合污染指数法等模型，可简化评价指标，避免评价过程的主观性，能较好反映河流水质总体特征。

零维河流完全水质模型可以模拟污染水体经过一段距离自然稀释后的水质状况，并与监测值进行比较，分析人为排水对水质的影响程度。

2.2.1 基于因子分析定权的水质评价模型

设有n个水体样本，每个水体样本共有p个观测指标，即构成了一个n·p阶的矩阵xn·p，在对数据进行标准化的基础上，利用水质评价模型进行评价。评价步骤包括求解初始公共因子及因子荷载矩阵、因子旋转、因子得分以及求指标权重及综合指标值共4步。水质模型见表达式（1）和（2）。

式中：wi为指标权重；y为综合指标值；β为因子得分系数；e为方差贡献率；zi为指标标准化后的数值。

公式（1）和（2）构成了基于因子分析的水质评价模型。y越大说明水体综合污染程度越严重。利用综合指标值再结合相应的水质标准可对评价水体进行准确的分级[2]。

2.2.2 零维河流完全水质模型

利用零维河流完全水质模型可以计算污染物排入水体后随着距离加大自然稀释的程度，将计算得出的污染物自然稀释浓度与实际监测值进行比较，分析人为排水对水质的影响。该模型包括污染物混合浓度方程（3）和污染物衰减方程（4）。

式中：Cp为污染物排放浓度，mg/L；Qp为废水排放量，m3/s；Ck为河流中污染物浓度，mg/L；Qk为河流流量，m3/s。

式中：C0为初始浓度，mg/L；k为衰减系数；x为所求点距排污口距离；u为河流平均流速。

3 水质评价

3.1 评价标准与评价指标

以GB3838-2002《地表水环境质量标准》为评价标准[3]，选择反映流域水环境特征指标的高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮(NH3-N)、总磷（TP）、氟化物（F-）作为水质评价因子，具体选取14个监测断面上述6项污染指标的汛期、非汛期、年平均值进行单因子评价及水质综合评价。

3.2 单因子评价

本文选取的14个断面6项污染指标2011年平均值见表1。

表1 监测断面主要污染指标年平均值 mg/L

由表1可见，松干7个断面6项污染指标年平均值呈现从上游到下游逐渐增大，佳木斯、富锦、同江3个断面化学需氧量相对较高。支流7个断面6项污染指标年平均值大于干流，倭肯各项污染指标年平均值远远高于其他断面。

依据GB3838-2002对各监测断面2011年汛期、非汛期主要污染指标进行单因子等级评价，见表2。

评价结果表明，总体上汛期水质优于非汛期。松干水质从上游到下游逐渐变差，经佳木斯后，化学需氧量、高锰酸盐指数为Ⅳ类。支流中倭肯断面汛期氨氮、化学需氧量为劣Ⅴ类，非汛期氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数为劣Ⅴ类。

3.3 水质综合评价

运用SPSS16.0软件，对表1中14个监测断面6项污染指标年均值进行因子分析，得到两个主因子，两者方差正交化旋转后的方差累计贡献率达到95.73%，见表3。

将方差贡献率及因子得分系数代入公式（1），得到每个污染指标的权重，见表4。

表2 汛期 非汛期单因子等级评价

表3 旋转后的主因子特征值与方差贡献率

表4 各污染指标的权重

将标准化后的GB3838-2002中的数据和标准化后的各监测断面水质数据分别带入公式（2），得出水质分级标准值及综合指标值。将综合指标值与水质分级标准相比较可得水质级别，结果见表5和表6。

表5 水质分级标准

表6 各监测断面水质综合指标值及评价结果

运用基于因子定权分析的水质评价模型的综合评价结果基本上与实测水质情况相吻合。松干上游断面水质优于下游，支流中五常、莲花断面水质较好，水质级别为Ⅱ级，倭肯断面水质最差，水质级别为Ⅴ级。

4 基于零维河流水质模型的水质模拟

以氨氮为例，计算理论上衰减度与实测值差别。选取二水源和牡丹江监测断面，其汛期、非汛期及全年氨氮实测浓度见表7。

表7 氨氮实测浓度 g/L

为计算二水源和牡丹江断面氨氮随河水流动一段距离后的稀释程度，松干选取了位于哈尔滨市上游的二水源断面及其下游的水泥厂断面，断面间距18.5 km，没有支流汇入，该江段平均流速为0.4 m/s,衰减系数选取0.255；支流牡丹江选取牡丹江市上游牡丹江断面及其下游的柴河大桥断面，断面间距76.9 km，没有支流汇入，该江段平均流速为0.27 m/s，衰减系数选取0.22。经过污染物衰减模型计算后，得到了水泥厂和柴河大桥汛期、非汛期及全年氨氮浓度计算值，与实测值对比结果见表8。

表8 氨氮监测值与计算值对比 mg/L

表8中监测值远大于计算值，一般是计算值的2倍到4倍，最大的可达5倍多。计算区间没有支流汇入，但区间分别流经哈尔滨市、牡丹江市两个城市。由此可见，污染物在河流中的浓度并非完全自然衰减，而在很大程度上受到工业废水和生活污水排放的影响[4]。所以，河水中污染物浓度值是自然与人为活动共同作用结果，研究江段人为排水对水质造成的影响占主要因素。

5 取水量 排水量 径流量对河流水质影响

选取流域内特大城市哈尔滨市、大型城市牡丹江市，分析2个城市的取水量、排水量、径流量对河流水质的影响。哈尔滨市、牡丹江市2011年取水量、排水量、径流量及所占比例见表9。

哈尔滨市是黑龙江省省会，其工业取水、城市生活用水及废污水排放量巨大，但由于哈尔滨市位于松干上游，河水径流量较大，为324.8亿m3，取水量占径流量18.71%，排水量仅占径流量8.30%，河流自净能力强，故该河段水质很好，无论是汛期还是非汛期水质均是Ⅲ类。

表9 两城市取水量 排水量 径流量对比 106 m3/a

牡丹江市是黑龙江省重要的工业城市，2011年其生产总值是哈尔滨市的1/5，取、排水量分别占哈尔滨市取、排水量的23%、31%，但是牡丹江市江段水质较松干哈尔滨市江段水质差，柴河大桥断面水质全年是Ⅳ类，水质综合指标值为Ⅳ级。牡丹江水文监测断面年径流量相对小，但取、排水量占径流量比例高，分别为47.11%、27.31%。河流径流量小，取水量大，自净能力下降，同时又有大量污水排入，致使江水流过牡丹江市后水质由Ⅲ类下降到Ⅳ类。

6 结语

1）松干上游水质较好，流经哈尔滨市后，虽然接纳了大量城市污水，因径流量大，江水自净能力较强，水质仍为Ⅲ类，但在流经佳木斯后，随着几个中型城市污水不断汇入，松干下游水质下降到Ⅳ类。支流蚂蚁河水质较好，全年为Ⅲ类，但其他支流径流量小，排污量大，水质都很差，大部分为Ⅳ类水质，倭肯河水质最差，劣Ⅴ类。

2）研究范围内各城市取水量和排水量呈正比关系，排水量对江水水质影响在一定程度上受径流量的控制[4]。从哈尔滨市、牡丹江市取排水量与径流量关系分析可知，人为生活与工业污水排放对江水水质影响较大。相对于干流而言，支流径流量小，水环境容量小，排水对河流水质影响极大。

3）保护松花江干流水环境十分重要，为流域经济发展提供水资源保障，更具有重要的国际意义。为此，松辽流域应深入实施最严格水资源管理制度，确保流域水环境的良性循环。

［1］毛民治.松花江志［M］.长春：吉林人民出版社，2000.

［2］李文生，许士国.基于因子分析定权的水质评价模型［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2008（3）：444-446.

［3］GB3838-2002，地表水环境质量标准［S］.

［4］汤洁.第二松花水质与主要城市取排水量、径流关系研究［J］.水文，2010，30（6）：65-69.