柳河流域阜新市彰武段水质时空变化研究

2022-04-12夏志博

黑龙江水利科技 2022年3期

夏志博

(阜新市彰武县前福兴地镇水利站，辽宁彰武 123224)

柳河属于辽河中下游右侧的多泥沙支流，主要流经库伦旗、阜新、彰武、新民等地区，于新民东城街道汇入辽河。从1980年柳河流域水质就不断恶化，流域内不同区域间的天然水化学特征差异明显，近期受水污染和人类活动干扰发生明显的改变，干流水质断面污染物年通量值差异显著[1-4]。自2000年，大范围实施了一系列水污染防治工程，在一定程度上改善了流域水环境。文章结合柳河彰武段2011-2020年各典型断面的水质监测数据，从时间与空间的角度科学探讨了近期水环境变化趋势，以期为客观评价柳河流域多年来的水污染治理成效，以及未来水生态保护与决策提供一定参考。

1 研究区概况

以柳河流域彰武段为研究区间，从上游到下游选择的典型监测断面依次为六股道、木头营子、小河西屯、西二老、腰窝堡、丁家苗圃、前四家子7个站点，2011-2020年原始水质监测数据来源于柳河流域水资源保护局，以《地表水环境质量标准》中的限值作为水质评价依据。文章从沿程、年际和年内变化等多个角度系统探讨了柳河流域彰武段水质变化趋势，重点讨论了氨氮(NH4+-N)、高锰酸盐指数(CODMn)等典型污染物变化特征。

2 水质的时空序列变化

2.1 水质的年内变化趋势

根据已获取资料的时间分布以及柳河流域彰武段各站点的沿程分布，选择3个监测断面(小河西屯、腰窝堡、前四家子)2013年和2019年的水质监测数据分析年内NH4+-N、CODMn等主要污染物质变化趋势，NH4+-N的质量浓度年内变化趋势，见图1；CODMn的质量浓度年内变化趋势，见图2。

由图1可知，虽然2019年各监测断面的ρ(NH4+-N)与2013年存在一定差异，但两者的年内逐月变化规律表现出非常相似的特征，并且年内ρ(NH4+-N)的变化趋势也比较相似。ρ(NH4+-N)在1、2、3月份(枯水期)整体较高，ρ(NH4+-N)自3月份以后明显下降，6-10月份(丰水期)达到年内最低值，ρ(NH4+-N)从11月份后又逐渐上升。这是由于每年的4-10月柳河流域彰武段水温超过了10℃，为水中微生物代谢与繁殖提供了有利环境，加速了生物降解水中NH4+-N的速度。

(a)2013年 (b)2019年

由图2可知，2019年各监测断面的ρ(CODMn)较2013年有明显下降，在不同年度和监测断面之间ρ(CODMn)的年内逐月变化趋势非常相似，每年的2月份有最大值，ρ(CODMn)在其他月份的变化差异不明显，冬季的ρ(CODMn)要高于夏季。

2.2 水质的年际变化趋势

2011-2020年3个监测断面(小河西屯、腰窝堡、前四家子)的NH4+-N、CODMn质量浓度年际时间序列，污染物质量浓度年际变化趋势，见图3。

(a)CODMn (b)NH4+-N

由图3可知，2011-2012年柳河流域彰武段ρ(CODMn)质量浓度呈上升趋势，从2013-2016年又呈现出波动下降趋势，随后又呈现出上升、下降的变化趋势；年际上NH4+-N与CODMn的质量浓度变化趋势基本相似，但2017年NH4+-N的上升幅度明显>CODMn。总体而言，从时间序列上柳河流域彰武段的NH4+-N、CODMn质量浓度呈波动下降的变化趋势，即2011-2020年水质有一定的改善。

2.3 水质的空间序列变化

采用2013年、2016年和2016年柳河流域彰武段水质监测数据，分析沿程NH4+-N、CODMn两种主要污染物的变化趋势，柳河流域彰武段沿程水质变化趋势，见图4。

(a)CODMn (b)NH4+-N

从图4可以看出，各分析年度内沿程CODMn的质量浓度变化规律基本相似。木头营子监测断面的污染物浓度明显高于上游六股道断面，表明柳河流域彰武段水质受上游六股河的影响较大。经六股道断面后，该河段水质有所改善，但由于接纳了沿途生活废水及工业污水，西二老、丁家苗圃断面的CODMn质量浓度又明显上升。CODMn质量浓度沿程变化与NH4+-N存在一定差异，该河段氨氮浓度受上游六股河的影响程度相对较弱，但氨氮浓度经过西二老、丁家苗圃断面后均有一定幅度的上升，这是由于该监测断面接纳了沿河城镇生活污水，从而导致河流水质的下降。由于腰窝堡水闸蓄水使得水域面积扩大，河流净化水体功能得以增强，在一定程度上改善了该河段水质，而经过丁家苗圃断面后，因接纳了沿河城镇生活污水再次使得水质变差。

另外，2013年除木头营子断面外各监测断面的CODMn质量浓度均达到Ⅳ类水标准，除小河西屯断面外各监测断面的NH4+-N质量浓度均达到Ⅳ类水标准，木头营子、腰窝堡断面的NH4+-N质量浓度甚至超过劣Ⅴ类水质。2016年后，除木头营子外其他监测断面的CODMn质量浓度均符合Ⅲ类水要求，除西二老外其他监测断面的NH4+-N质量浓度均符合Ⅳ类水要求，由此表明柳河流域彰武段水体逐渐转变成氨氮型污染。

3 柳河彰武段水质演变趋势评价

3.1 评价方法

柳河流域彰武段水质演变趋势利用综合污染指数评价法——A值法进行分析[5-6]，采用以下公式计算有机污染综合指数，即：

(1)

式中：L为水质指标的监测值，mg/L；C为评价标准值，mg/L。考虑到柳河流域治理目标及地表水质状况，A值计算可参照《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类水标准确定。将A值法评价标准划分为水质严重污染、中等污染、开始污染、水质一般、水质良好5个等级，所对应的A值为>4、3-4、2-3、1-2、0-1。

3.2 综合指数的空间序列变化

根据2011-2020年柳河流域彰武段典型断面监测数据，利用A值法计算确定柳河流域彰武段沿程水质变化趋势，沿程A值变化趋势，见图5。

图5 沿程A值变化趋势

由图5可知，随时间变化沿程不同监测断面水质呈逐渐好转的变化趋势，即水污染状况不断减小。结合2013年的A值计算结果，除前四家子、小河西屯断水质处于中度和轻度污染外，柳河流域彰武段其他河段水质达到严重污染程度，并以西二老河段的水污染最严重。2016年水污染程度较2013年明显减轻，特别是西二老上游段水质改善较明显，水污染程度以轻微为主，西二老、丁家苗圃段水质仍为中度污染。2019年后，柳河流域彰武段的水质进一步改善，仅有西二老、丁家苗圃段水质为轻度污染。总体而言，柳河流域彰武段各年度水质呈好转趋势，并且下游段水质要明显劣于上游段。

3.3 综合指数的时间序列变化

2011-2020年柳河流域彰武段A值年际变化趋势，年际A值变化趋势，见图6，发现研究期间柳河流域彰武段水质明显改善。各监测断面A值自2011年之后逐渐减小，这表明在改善柳河流域水质方面2016年的“柳河变清”行动和2010年底的“零点行动”发挥了显著成效，大大降低了入河污染物量。2017年，因再次发生大范围的污染事件导致各监测断面A值有所升高，而后又快速下降，及时实施的水污染治理工程使得流域水质又逐渐改善。

图6 年际A值变化趋势

根据年际变化趋势可知，近年来柳河流域彰武段水质不断改善，但流域内降水径流具有显著的季节性变化特征，所以水质的季节性变化也比较明显，这点可从2018-2020年柳河流域彰武段水质逐月总平均A值变化趋势看出。2018-2020年有机污染综合指数，见图7。

图7 2018-2020年有机污染综合指数

从图7可以看出，柳河流域彰武段水质丰水期较好，各年度以“一般”污染为主；每年的12月-次年3月水质以严重或中等污染为主，较其他月份此期间水质较差；每年2-5月径流量无明显差异，即水体稀释污染物的作用相差不大，但计算得到的A值明显减小。这是由于每年2-5月气温回暖使得水温逐渐升高，水生生物量和植物种群密度快速增大，水生植被的光合作用促使植物体不断吸收生命活动所需的大量营养盐，沉积物及水体中有机物逐渐减少，水生植物精华水质和改善水环境的生态功能明显增强；同样，12月之后水温逐渐下降，水生植物生长停滞进入越冬休眠期，而无法越冬的植株种群则死亡、腐败分解，加大营养盐类、有机碎屑向水体的转移强度，并使得水质不断变差[7-8]。在建设堤防、大坝等防洪工程时，应创造适于水生动植物生长的环境与空间，充分利用其水质净化功能，有效改善水体环境[9]。

3.4 综合指数的组成结构分析

污染物指标对A值的贡献率，见表1。由表1可知，氨氮是柳河流域彰武段水质超标最严重的污染物。

表1 污染物指标对A值的贡献率

总体上柳河流域上游的经济欠发达，在沿河各城镇产业结构中第一产业的比重较大，农业用水占总用水量之比>60%。水体环境质量受农业非点源污染影响较大，如辽河流域化肥施用量从1990s中期的600kg/hm2快速增长到2010s末的900kg/hm2，氮肥的有效利用率仅有30-40%，随降雨径流、渗漏当季过量施用的氮肥排入河流沟渠，从而使得河流氨氮污染问题更加突出。可见，随着城镇和工业点源污染治理的持续推进，对于柳河流域水体而言农业非点源污染对水污染的贡献率逐渐增加[10-14]。