近10年辽河干流水质综合评价

王彦丽, 赵敏宁

(咸阳师范学院 资源环境与历史文化学院， 陕西 咸阳 712000)

1 研究背景

河水污染与治理是一个世界性的研究课题，而重要河流水质和重大涉水工程更是国内外著名相关学者最为关注的研究领域。例如，Voza等[1]用主成份分析、因子分析和聚类分析3个统计分析方法，对多瑙河塞尔维亚段水质的时空变化进行了研究，结果表明，河流水质指标的时空变化与人类生活和生产活动具有强相关性。Kay等[2]对英国给水工业面临水源水质问题进行研究，说明英国水源水质受到溶解有机碳、营养物质和杀虫剂3种主要污染的威胁，提出了鼓励农民采用无害环境的耕作方法计划，强调制定和实施一系列管理措施的重要性。Fernandez[3]对美国和墨西哥边境的共享河流水质问题作了深入研究，结果表明，废水污染问题在共同水道中尤为严重，只有相关政府和水管理人员开展多边合作，才能助于跨界水污染问题的解决以提高国际河流的水质。

近年来，我国很多地区频繁出现水荒，引起了各级政府和学术界的高度关注[4]，在2010年，钱易等[5]就在其著作中详细深刻地阐述了我国水资源的匮乏和地表水分布不均的问题：地球的水资源是非常丰富的，然而地球的总水量中海水占去了97.3%，淡水仅占2.7%，而被人类直接可以利用的河流水量仅占淡水总量的0.01%，由此可见，天然的河流水是弥足珍贵的。我国人均水资源占有量仅为世界人均水资源占有量的25%，北方辽河、黄淮河和海滦河流域的片耕地面积大，人口多，但水资源占有量仅为全国总量的19%，水资源的短缺不仅影响人们的生活，而且成为许多地区经济发展的限制因素。

另一方面，个别重要江河水体污染严重，从城市生活污水和工业废水的排放到农业灌溉和农村生活污水排放都在加剧着地表水环境的恶化。辽河流域是我国重要的化学工业和粮食生产基地，经济的快速发展和城市化水平的提升带来了严重的生态环境问题，农民过度使用化肥和农药、生活污水和垃圾随意乱倒、城市工业污水未经科学严格处理自行排放、城镇污水处理能力严重不足等，已经严重威胁到地表水的安全。我国自1984年《水污染防治法》颁布实施30多年来，特别是自20世纪90年代国家将辽河确定为我国重点治理水域之一，科技部将其列为重大专项，有力地推动了辽河流域以及国家重要江河和湖泊水环境污染的治理工作，工农业污染防治力度和城市污水处理能力也大大加强，同时引起了学术界的广泛关注。

孟伟[6]阐释了辽河流域水治理的国家重大专项的目标任务、实施方案和研究内容，大力推进了辽河流域水污染治理和水环境管理两大技术体系的建设。孟伟等[7]利用GIS技术，根据生态学格局与尺度理论对辽河流域分为3个一级区、14个二级区，就不同分区生态系统的特点和所面临的生态环境问题做了深入研究，建立了基于水生态区环境管理技术的理论体系。王高旭等[8]针对辽河流域水资源过度开发、河流断流等问题研究了辽河流域的地表和地下复合生态需水的构成和最小指标。王西琴等[9]研究发现，在2003年辽河干流的所有监测断面均为劣Ⅴ类水质，其中COD浓度达到117 mg/ L，是Ⅴ类地表水标准的近3倍，属重度污染河流，提出了对排入辽河干流的污染物实行总量控制，加强水生态修复工程建设的建议。周丹卉[10]的研究表明2005-2009年辽河流域干流断面氨氮浓度达标率较低，年均值呈现波动变化趋势。赵卫等[11]的研究表明，辽河流域水资源承载力处于不安全状态。惠秀娟等[12]构建了辽河干流水生态系统健康评价指标体系，研究结果表明，辽河河流水生态系统生态严重退化，建议大力推进辽河水系的生态恢复及水环境污染综合治理。杨育红等[13]研究表明从1991到2008年间对东北地区的流域水环境污染的研究还处于理论探索阶段，今后应加强评价和数据统计以及管理措施的研究。然而，辽河水质方面的综合评价较少[14-15]。

本文利用模糊综合评价和加权分析法相结合的方法，依据辽河干流的两个国控监测断面从2008年到2017年的水质监测结果，对其水质的变化进行研究，给出了科学的结果和建议。

2 资料与方法

2.1 研究区概况

辽河流域地处中高纬度区域(如：福德店42°39′42.93″N，123°34′29.08″E)，东有长白山系的千山山脉，西为大兴安岭的余脉，南临渤海，中部为辽河平原，属温带大陆季风气候，其主要特点是冬季以西北风为主，夏季以东南风为主，四季寒暖干湿分明。年平均降水量为 537.7 ～690.4 mm，流域平均年径流量为126×108m3，流经区域是我国重要的重工业基地、粮食生产基地和畜牧业基地，是东北地区乃至全国经济较发达的地区。辽河干流是指辽河流域的东辽河和西辽河在辽宁省昌图县的福德店汇流形成的河流，干流流经辽宁省的铁岭市、沈阳市以及鞍山市，经盘锦市进入渤海，全长538 km，总面积1869.2 km2。径流年内分配不均，含沙量较高，铁岭断面的平均含沙量为3.6 kg/m3。

本研究工作的数据来自国家环境监测数据库以及辽河干流两个国家监控断面2008-2017年的数据，取每年第22周(水量近似于年均径流量)的监测数据作为当年的数据，依据国家最新地表水质量标准，见表1。

表1 地表水环境质量指标标准 mg/L

2.2 研究方法

模糊综合评价是基于模糊数学理论，根据评价因子与评价对象的隶属关系将定性转化为定量的评价，在分析模糊综合评价结果时采用加权平均处理的方法[16-18]，建立评价对象的因素集，根据评价标准确定评价对象的评语集V=V1,V2,…，Vm，并建立隶属函数，计算模糊关系矩阵R，然后确定因素的评价权重向量A=(a1,a2，…，an)为权数分配模糊矢量，利用模糊权矢量A与模糊关系矩阵R合成得到各被评价对象的模糊评价结果矢量B=A·R=(B1,B2,…，Bj)，采用加权平均求隶属度等级的方法，用j表示等级的秩，其取值j=1,2,3,…，m。用公式(1)得到被评价对象的相对位置。

(1)

式中：k为待定系数(k=1或2)，目的是控制较大的Bj所起的作用；Bj为第j等级的隶属度。

由国家地表水质量标准，将河流水质分为5级，据此建立评价集，即V={Ⅰ,Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ,Ⅴ}，对每一个评价因子的分级标准，作出相应的隶属函数，DO评价指标用偏大型分布，其隶属函数为：

(2)

COD和NH3—N含量指标用偏小型半梯形分布函数，因为其数值越小越优。设vj与vj+1为两个相邻的分级标准，且vj

(3)

(4)

对评价指标权重的大小根据污染大、权重大的原则来决定。

DO大则优型：

(5)

COD和NH3—N小则优型：

(6)

为了进行模糊复合运算,各单因子权重必须归一化处理。即

(7)

在本研究中，每年作为一个评价单元。

3 结果分析

根据模糊综合评价法的基本原理和步骤，取辽河铁岭朱尔山和盘锦兴安两个国控断面2008-2017年的溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3—N)的排放量及水体酸碱度pH值的逐年监测结果(数据来源于国家环境保护部数据中心)，分析表明，10年间水体pH值符合国家标准(7～8之间)，DO、COD、NH3—N含量显著偏离国家关于水环境质量的相关标准，因此，确定将DO、COD和NH3—N作为评价因子，建立评判指标集u= (x1,x2,x3)，2008-2017年朱尔山断面和兴安断面各评价因子的监测结果列于表2。

表2 2008-2017年朱尔山断面和兴安断面各评价因子的监测结果 mg/L

表2反映了近10年两个国控断面水质的监测结果，朱尔山断面DO浓度的值从2008年的5.74 mg/L变化到2017年的10.10 mg/L，其中最大值为2015年11.40 mg/L，呈现波动变化的态势。根据表1中水质的DO浓度标准值可以大体判断出水体水质总体向好的方向转化。2009、2011、2015和2017年水质DO浓度指标优于Ⅰ类水指标(≥7.5 mg/L)，其中2016年的监测值失效。盘锦兴安断面DO浓度值变化态势与朱尔山断面DO浓度的值变化态势基本相同，最大值为2017年的9.16 mg/L，也优于国家Ⅰ类水标准，但低于朱尔山断面的监测值。从评价水质3个主要的指标看出，例如2015年朱尔山断面其水质指标检测值DO为11.40 mg/L，COD为7.70 mg/L，都优于Ⅰ类水指标，而NH3—N为0.65mg/L，却在Ⅱ类与Ⅲ类之间，要科学界定2015年水质处于那类水质以及是否为朱尔山断面10年水质最优的，必须按照上述评价方法进行综合评价。

根据公式(2)计算矩阵R, 以2008年朱尔山断面为例，DO含量的监测结果代入公式(2)，得到该指标的隶属度为：u1=0，u2=0.74，u3=0.74，u4=0，u5=0。根据公式(3)和公式(4)，可以计算出该断面其他两个指标2008年的隶属度，由此得到模糊关系矩阵R2008，同理可以得到朱尔山断面各年的模糊关系矩阵如下：

同理，利用公式(2)～(4)，计算盘锦兴安断面各年的模糊关系矩阵R：

利用公式(5)～(7)对每年的3个评价指标的监测值权重分别进行计算并做归一化处理，其结果见表3。

从表3的结果可以看出，10年间两个断面溶解氧指标的监测值所占权重相对较大，如2008年，铁岭朱尔山断面3个指标溶解氧、化学需氧量和氨氮的监测值所占权重分别为0.49、0.23和0.28;盘锦兴安断面3个指标的监测值所占权重分别为0.46、0.23和0.31。10年间铁岭朱尔山断面溶解氧的权重小于0.33的有4年，铁岭朱尔山断面溶解氧的权重小于0.33的只有1年。整体来看，溶解氧占权重相对较大且呈现波动状态，两个断面的化学需氧量占权重值相对平稳，而溶解氧权重值与氨氮权重值的负相关性表现明显，具体对水质的评价结果产生的影响需要进一步量化计算。

由模糊评价矢量B=A·R，计算出铁岭朱尔山断面和盘锦兴安断面2008-2017年的水质评价结果分别见表4和5。

表3 断面评价因子权重归一化处理结果

表4 2008-2017年铁岭朱尔山断面水质评价结果

表5 2008-2017年盘锦兴安断面水质评价结果

从表4和5的评价结果中只能看出，两个断面Ⅰ类水质的占比总体呈现增加的趋势，朱尔山断面从2008年的0.32增加到2017年的0.86，盘锦兴安断面从2008年的0.23增加到2017年的0.64，其间出现波动，要对每个断面10年的水质进行排序，必须通过加权平均处理。

由公式(1)对两个断面近10年水质模糊综合评价结果采用加权平均处理，得到2008-2017年的B*(k=1)结果。为了更直观地了解两个国控监测断面过去10年间水质变化趋势，将评价结果作图显示(如图1)。

图1 2008-2017年两个监测断面水质变化评价结果

图1(a)表明，辽河铁岭朱尔山断面水质在Ⅰ类和Ⅳ类之间变化，从2011年以后水质在Ⅰ类和Ⅱ类之间变化，水质最好的年份为2017年(因该断面2016年第22周的监测结果异常，故在图1(a)中做无数据处理)；图1(b)表明，盘锦兴安断面水质在Ⅰ类到Ⅲ类之间变化，从2013年后水质基本在Ⅰ类和Ⅱ类之间变化，水质最好的年份为2017年；水质的空间分布符合上游水质优于下游水质的一般规律。

4 讨 论

从评价因素不同年度的权重可以看出，化学需氧量对该区域水质影响不大，而溶解氧的影响较大，其中铁岭朱尔山断面和盘锦兴安断面的溶解氧最大权重分别达到72%和57%；以溶解氧评价指标而言，铁岭朱尔山断面和盘锦兴安断面水质的溶解氧指标最大值分别为11.40和9.16 mg/L，因此铁岭朱尔山断面大体优于盘锦兴安断面；溶解氧含量标志着水体的自净能力，检测结果越大说明水体自净能力越强。影响水体溶解氧浓度的因素主要是耗氧的有机物，如动物的死体和植物的残体、工业废水中所含的有机物以及生活污水等，这些有机物在氧化降解过程中需要消耗大量的氧，而水体中的氧又无法及时得到补充，溶解氧会迅速降低，同时水体中的动物因得不到足够的氧气可能窒息死亡，则厌氧菌大量繁殖，使水体变黑变臭水质恶化。

从氨氮指标来看，从2011年后铁岭朱尔山断面的氨氮指标下降明显，盘锦兴安断面氨氮指标的平均值为0.50 mg/L，最大值为0.89 mg/L，而这种变化趋势也符合综合评价结果[19-20]，从监测结果值表2和权重值表3可以看出，当溶解氧监测值大时，对应的权重变大；相应的氨氮的监测值小时，对应权重变小，所以水体中氨氮浓度指标也是影响溶解氧含量的重要因素。水体中氨氮等较难降解的无机污染物在氧化分解过程中需要大量的氧，从而影响水体的溶解氧含量指标，而且这些污染物来源广泛。因此，辽河干流国控断面溶解氧指标的降低与水体氨氮含量的超标也有直接的关系。辽河干流朱尔山断面水质最终评价结果的排序为(以优为序，下同)：2017年(1.31) ，2012年(1.33)，2013年(1.34)， 2010年(1.36)，2014年(1.38)，2015年(1.81)，2008年(2.03)，2011年(2.23)，2009年(3.42)，其中2016年数据失效。辽河干流盘锦兴安断面水质评价结果的排序为：2017年(1.32),2010年(1.52),2014年(1.52),2011年(1.64),2008年(1.93),2015年(1.93),2013年(2.26),2016年(2.16)，2012年(2.70)，2009年(2.80)。由此可以看出，在国家和辽宁省政府的共同努力下，在科技部重大专项的资助下，经过各级管理人员和科技工作者的勤奋工作，辽河流域防治工业废水污染的力度增强，农村面源污染得到有效管控，水污染治理方法科学，措施得力，治理效果显著[21-23]。

5 结 论

(1)辽河干流水质状况的时空分布显示，10年间辽河干流的两个国控监测断面中，铁岭朱尔山断面和盘锦兴安断面的水质分别在2011和2013年之后基本处在国家Ⅰ类到Ⅱ类水质之间，铁岭朱尔山断面水质优于盘锦兴安断面。

(2)要保持水质、提高溶解氧含量，必须控制点源污染和面源污染。城镇生活污水要实现达标排放，农业生产中尽量减少农药化肥的施用量，控制农业和农村的面源污染。另外要转变人们的消费模式和观念，尽可能减少生活废水污染物的排放。

(3)科技工作者要加快污水处理技术的科技攻关研究，尤其对高浓度有机废水和一些特殊行业废水处理技术的研究，实现污水达标排放，尽可能做到污水资源化，实现水资源的循环再利用。

总而言之，经过近10年的治理，辽河干流水质明显好转。研究表明，影响辽河干流水质的主要因素是溶解氧含量偏低，主要因素是有机污染物、特别是耗氧有机污染物的超标排放以及氨氮的过量排放，从评价结果所呈现的波动态势可以清晰地看到，只要加强科学管理，水质就能变好。我国是世界上人均水量较少的国家之一，而水体污染进一步加剧了水资源的供需矛盾，因此，江河水质状况的研究与保护是一个永久的课题。