辽河汛期水质水量相关性分析

张家权

（辽宁省防汛抗旱指挥部，辽宁 沈阳 110005）

0 引言

水资源是一个“质”与“量”的函数，水资源的丰富与否同时取决于水量和水质两个方面[1]。在一次流域降雨形成的洪水过程中，水质水量都会发生变化。通过分析汛期中水质水量的变化特征和规律，进一步从宏观上分析污染物来源，为打好河流污染防治攻坚战提供一些依据和参考。水量短缺、生态环境恶化的水体修复、水资源综合规划、配置管理等研究问题迫切需要建立一套水量和水质联合评价体系。水质水量相结合的研究越来越受到国际上的重视我国在这方面的工作也正全面展开［1－2］。为此，我们连续监测了辽河流域沈阳段4个水质监测7 月～9 月水质变化，主要监测项目为氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮共计4 个指标，并对水质水量监测资料进行相关性分析。

1 监测范围

根据《水环境监测规范》（SL 219-2013）中监测断面布设原则，结合跨流域、跨行政区域特点，以及水利部要求设立国家重点水质站名录内站点122 处，其中位于辽河的重要水质站点有4 个，见表1。

表1 辽河流域沈阳市全国重要水质站

2 评价参数、方法及分类标准

2.1 水质评价标准和方法

按照地表水环境质量标准（GB 3838-2002）的Ⅲ类标准，评价方法采用单因子法，评价因子取值根据水资源特征按年平均值、汛期、非汛期平均值分别进行统计计算，用每个评价因子各水期平均值与评价标准比较，确定各个评价因子的水质类别和计算超标倍数，其中最高类别为断面综合水质类别。

2.2 水质参数与流量相关性分析方法

通过皮尔逊相关系数计算氨氮、高锰酸盐指数、总磷和总氮四项指标与河流流量之间的相关性。

皮尔逊相关系数(Pearsoncorrelationcoefficient），又称皮尔逊积矩相关系数（Pearson product-momentcorrelation coefficient，简称PPMCC 或PCCs），是用于度量两个变量X 和Y 之间的相关性（线性相关），其值介于-1与1 之间。计算公式：

式中：Cov(X,Y)为X与Y 的协方差；Var[X]为X 的方差；Var[Y]为Y 的方差。

在皮尔逊相关性检验中相关系数r（X,Y）越接近于0，表明变量之间没有线性相关性；当相关系数r（X,Y）越接近于1，表明变量之间有线性相关性。线性相关性的方向通过相关系数的符号来表示，“+”表示正相关，“-”号表示负相关。

相关系数分类如下：0.8～1.0 为极强相关；0.6～0.8 为强相关；0.4～0.6 为中等程度相关；0.2～0.4 为弱相关；0～0.2 为极弱相关或无相关。

3 评价结果

3.1 水质类别评价结果

根据评价结果显示，2019年流经沈阳市的辽河段上四个监测断面，辽中、马虎山、平安堡和毓宝台全年期水质类别，汛期水质类别以及非汛期水质类比均达到Ⅲ类水要求，无超标项目。

表2 辽河沈阳市辽河水质监测断面水质类别

3.2 水质参数随流量变化分析

使用SPSS 数据分析软件，通过皮尔逊相关性检验得到了辽河沈阳段流量与高锰酸盐指数、氨氮、总氮和总磷的相关性见表3。

表3 沈阳市辽河水质监测断面污染指标与流量相关系数表

通过分析可知，流经沈阳市的辽河段上的4 个监测断面：总氮与流量的皮尔逊相关系数为0.702～0.809，有强相关性；高锰酸盐指数与流量的皮尔逊相关系数为-0.247～0.461，其中平安堡属于负的弱相关性，毓宝台与马虎山监测断面属于极弱相关或无相关性，辽中监测断面高锰酸盐指数与流量具有中等相关性；氨氮参数与流量的皮尔逊相关系数为-0.497～-0.209，属于负相关性，其中毓宝台监测断面为-0.497 属于负的中等程度相关性，其他监测断面数负的弱相关性；总磷参数与流量的皮尔逊相关系数为-0.153～0.19，属于极弱相关或无相关性。

3.2.1 马虎山监测断面

马虎山水质监测断面汛期流量在1.4 m3/s～1530 m3/s,高锰酸盐指数3.1 mg/L～7.9 mg/L，高锰酸盐指数指标与流量的相关系数0.131 属于弱相关或无相关；氨氮含量0.08 mg/L～3.18 mg/L，氨氮指标与流量的相关系数-0.209 属于负的弱相关；总氮0.56 mg/L～8.06 mg/L，随着流量的迅速增大，总氮数值也明显的增大，其与流量的相关系数0.702 属于强相关；总磷0.01 mg/L～0.31 mg/L，总磷与流量的相关系数-0.056 属于负的弱相关或无相关，在整个汛期过程中基本稳定，说明总磷主要是点源污染，各种指标监测结果见图1。

图1 马虎山监测断面污染物指标随流量变化图

3.2.2 平安堡水质监测断面

平安堡水质监测断面汛期流量在4.6 m3/s～1280 m3/s,高锰酸盐指数4.0 mg/L～7.2 mg/L，高锰酸盐指数指标与流量的相关系数-0.247，属于负的弱相关，从图2 可以看出当流量较低时高锰酸盐指较高，当流量增加时，高锰酸盐指数数值反而增加；氨氮含量0.08 mg/L～2.50 mg/L，氨氮指标与流量的相关系数-0.357 属于负的弱相关；总氮0.77 mg/L～8.35 mg/L，总氮指标与流量的相关系数0.756 属于强相关，数值变化与流量有一定的相关性，随着流量的迅速增大，总氮数值也明显的增大，当流量降低时总氮数值也随之下降；总磷0.06 mg/L～0.25 mg/L，总磷指标与流量的相关系数0.19 属于弱相关，总磷指标数值在整个汛期过程中基本稳定，说明总磷主要是点源污染。各种指标监测结果见图2。

图2 平安堡水质监测断面污染物指标随流量变化图

3.2.3 毓宝台水质监测断面

毓宝台监测断面汛期流量在2.6 m3/s～1270 m3/s,流量呈现出先平缓后突然增大再平缓减小的变化趋势；高锰酸盐指数3.6 mg/L～7.1 mg/L，高锰酸盐指数指标与流量的相关系数-0.191，属于负的弱相关或无相关，数据呈现波动性变化，高锰酸盐指数变化随流量变化不明显；氨氮含量0.06 mg/L～1.73 mg/L，氨氮指标与流量的相关系数-0.497，属于负的中等程度相关；总氮0.57 mg/L～8.76 mg/L 总氮随着流量的增加数值也变大，当流量降低时，总氮数值也相应减小，高总氮指标与流量的相关系数0.778，属于强相关，总磷0.06 mg/L～0.29 mg/L，总磷指标与流量的相关系数-0.153，属于负的弱相关或无相关，在整个汛期过程中基本稳定，说明总磷主要是点源污染。各种指标监测结果见图3。

图3 毓宝台水质监测断面污染物指标随流量变化图

3.2.4 辽中水文站

辽中水质监测断面汛期流量在3.6 m3/s～1290 m3/s,高锰酸盐指数3.8 mg/L～8.1 mg/L，高锰酸盐指数在流量最后一次从580 m3/s 迅速增加到1290 m3/s 时，高锰酸盐指数也明显升高，高锰酸盐指数指标与流量的相关系数0.461 属于中等程度相关；氨氮含量0.05 mg/L～1.44 mg/L，氨氮指数指标与流量的相关系数-0.384 属于负的弱相关，因此当流量增加时或减少时，氨氮含量没有明显的变化，说明氨氮可能是点源污染，总氮0.772 mg/L～7.13 mg/L，总氮指标与流量的相关系数0.809 属于极强相关；总磷0.02 mg/L～0.44 mg/L，总磷指标与流量的相关系数0.006 属于极弱或无相关，在整个汛期过程中基本不随流量，说明总磷可能是点源污染，各种指标监测结果见图4。

图4 辽中水质监测断面污染物指标随流量变化图

4 结论

通过分析可以得出以下结论，流经沈阳市的辽河段中，总氮含量会水质流量的增大而增加，随着流量的减小二降低，总氮与流量的皮尔逊相关系数为0.702～0.809，有强相关性，说明污染物含量主要受城镇面源污染影响；氨氮含量在水量小的时候大，在水量大的时候小与流量的皮尔逊相关系数为-0.497～-0.209，属于负相关性，其中毓宝台监测断面为-0.497 属于负的中等程度相关性，其他监测断面数负的弱相关性，说明污染物含量可能受点源影响；高锰酸盐指数与流量的皮尔逊相关系数为-0.247～0.461，其中平安堡属于负的弱相关性，毓宝台与马虎山监测断面属于极弱相关或无相关性，辽中监测断面高锰酸盐指数与流量具有中等相关性；总磷参数与流量的皮尔逊相关系数为-0.153～0.19，属于极弱相关或无相关性。

在汛期时，由于降雨径流的冲刷和淋溶作用，将地表和沉积在下水管网中的污染物带入纳污水体，造成水体污染物的含量增加。随着起涨阶段的水量增大、流速增快，河底的沉积物也被冲刷而起，致使总氮等面源污染物的含量都随着流量的增大而增大，而氨氮等点源污染物的含量则随着流量的增大而减小[3]。待到洪峰阶段，污染物受到洪水的稀释降解作用，比起涨阶段的含量小。随后的退水阶段，水量逐渐减小、流量变缓，监测断面上游的污染物大多已被冲刷至下游，泥沙吸附着污染物逐渐沉降，造成面源污染物的含量逐渐减小[4]，点源污染物的含量逐渐增大。但接近起涨流量时，沉积物并未完全沉降到起涨阶段的状态，故造成面源污染物含量比起涨阶段大。