辽阳市太子河水体富营养化与社会经济发展对水质的影响

关艳庆

（辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111010）

0 引言

随着我国人口的不断增加和社会的快速发展，对水资源的需求也急速增长[1]，同时，由于水体自净能力有限，很多工厂向地表排放未经处理或不达标的废水，增加了水体许多负担[2]，水体富营养化、酸化、有机污染等水资源问题受到广泛关注。水环境问题是人类发展中需要面临的一大难题[3]，极大地影响着社会经济[4]，并且人类的社会活动也极大地影响着水环境[5-7]。分析水质指标的变化趋势，不但可以反映水环境的治理成效，还可以根据现存的问题为水资源的保护和治理提供理论支撑[8]。

太子河经重工业城市本溪市流入辽阳市境内，水中含有大量的无机盐、有机物、重金属等污染物，辽阳段周边还有大量居民居住，导致工农业、生活污水直接进入水体中。由于受到土壤的侵蚀，大量携带着氮、磷等元素的泥沙进入太子河，使太子河存在水体富营养化、河岸周围植被种类及数量减少、水质达不到国家标准、河流水势不稳定、造成游荡性河道等问题[9]。太子河是流经辽阳、本溪等城市的社会经济命脉，其水质问题对于城市的社会经济发展有很大影响[10]。下文通过分析辽阳市太子河水体富营养化和社会经济发展情况，揭示太子河水质状况与社会经济发展的相关关系，保障辽阳市社会经济可持续发展，并降低水质污染程度，同时也为社会经济与水质的良性发展提供新思路。

1 材料与方法

目前，国内外学者在水体富营养化评价中使用较多的方法有综合营养状态指数法、BP 神经网络、主成分分析、生物多样性指数法等。廖亮等[11]应用灰关联分析方法对南湖水库水质进行综合评价；吴玉军等[12]利用生物多样性指数法对水库除险加固工程进行生态影响评价；杨朝霞等[13]采用综合营养状态指数法分析冰封期与非冰封期呼伦湖湖泊水体营养状态的变化特征。本文利用太子河的区域概况及社会经济发展状况，结合水质指标监测数据，采用综合营养状态指数法，对辽阳市太子河水体富营养化状态进行评价，分析造成水质变化的影响因素，为研究区域水环境和富营养化的控制提供指导。

1.1 区域概况

太子河为辽河水系一大支流，总体呈东西走向贯穿辽宁省中部，主要流经辽阳市、鞍山市、本溪市、抚顺市，太子河全长413 km，流域面积13 883 km2。太子河窝水库以上山脉绵延、地势起伏较大、植被覆盖情况较好，该河段占全流域的60%；窝水库至辽阳段人口集中、植被覆盖情况较差、地势较平坦，地貌以低山丘陵为主，受土壤侵蚀较严重；辽阳以下河流弯曲、坡度较缓、水深较浅，地貌以平原为主，河道泄洪能力差，极易引起洪涝灾害[14]。随着海拔的逐渐降低，人类活动范围逐渐扩大，土地利用率逐渐增高，大量工业用水和生活污水的产生量也大幅度增加，导致了太子河的污染，其主要污染物为氮、磷等[15]。

辽阳市位于太子河中游，境内流程142.8 km，流域面积约4 000 km2，约占全市总面积的85%。太子河中游及其支流汤河、北沙河、柳壕河与窝水库和汤河水库构成了辽阳地表水监测体系。该研究区域主要为温带季风气候，雨热同期，干冷同季，年平均气温为7.5 ℃，年平均降水量在600～900 mm 范围内，降雨集中在6—9 月份，太子河的主要补给来源为降雨所形成的地表径流。

1.2 区域社会经济概况

1.2.1 人口状况

近年来，辽宁省非常重视生态环境的发展，逐步调整产业结构，使第二产业占比逐渐降低，部分劳动人口逐渐向大城市流动。2015—2020 年，辽阳市人口减少了6.5 万。

1.2.2 社会经济

辽阳市作为国家、省商品粮基地和瘦肉型猪、淡水鱼养殖基地，农业和农村经济发达。西部平原土质肥沃，盛产水稻、玉米和淡水鱼，享有“粮仓”之称。东部山区林果茂盛，盛产山楂和南国梨。辽阳市工业门类众多，其中，化纤工业是国家重点基地之一[16]。辽阳有全国最大的制药机械厂和全国造纸机械、工业纸板生产基地，铁合金厂是国家铁合金行业的重点企业。

1.3 研究方法

1.3.1 数据获取

太子河主要污染来源有工农业废水、生活污水、畜禽养殖，此次研究选取断面为窝水库、汤河、管桥、辽阳、乌达哈堡、北沙河、小林子、唐马寨。按照GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中的24 项基本指标进行筛选并进行水质评价，发现超标的主要污染物有高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、总氮（TN）。2015—2020 年水质逐月监测数据由辽宁省辽阳市水文局提供，人口和地区生产总值等社会经济数据来源于辽阳市统计年鉴。

1.3.2 综合营养状态指数法

根据富营养化的特性，选择水生生物必需的Chl-a，TN，TP，SD，CODMn等指标作为辽阳市太子河水体富营养化评价的基本因子。采用综合营养状态指数法公式：

式中：TLI（∑）为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）代表第j种参数的营养状态指数；m为评价参数的个数。

以Chl-a 作为基本参数，则第j种参数的归一化Wj计算式为：

式中：rij为第j种参数与基准参数Chl-a 的相关系数（见表1）。

表1 中国湖泊部分参数与Chl-a 的相关关系rij 及值

表1 中国湖泊部分参数与Chl-a 的相关关系rij 及值

rij rij 2因子Chl-a TP TN SD CODMn 1 1 0.84 0.82-0.83 0.83 0.705 6 0.672 4 0.688 9 0.688 9

各参数营养状态指数的计算公式如下：

式中：Chl-a 单位为 mg/m3；SD 单位为 m；其他指标单位均为mg/L。

此外，为了更好地反映水体的富营养状况，采用数字对其营养状态进行分级并对水质进行定性评价分级（见表2），指数值越大，其营养程度越高，水质越差[17]。

表2 湖泊（水库）营养状态分级及水质定性评价

2 研究结果分析

2.1 水质变化特征

辽阳市太子河主要污染物指标年际变化情况见图 1。2015—2020 年，研究区域 CODMn，BOD5，NH3-N，TN，TP 的平均浓度变化范围分别在2.25～6.92，1.13～6.21，0.079～5.570，2.43～10.07，0.023～0.599 mg/L，污染浓度超标最严重的是TN，其次是NH3-N 和TP。NH3-N，TN，TP 是河道内藻类生长的主要营养来源，而且NH3-N 还可以反映河道水体的毒性与耗氧程度，CODMn可以反映河道水体中的有机物含量，更能表现出水体的污染程度[18]。

图1 辽阳市太子河主要污染指标年际变化情况

太子河在辽阳境内的主要支流有24 条，其中较大的支流有7 条，多流经乡镇村落，普遍存在农村生活污水、化肥农药直排、污水处理厂不达标排放、管网建设不完善等现象[19]。研究发现：上游水质较好，中下游水质较差。汇入支流水质较差是影响太子河干流水质的主要原因，北沙河入太子河河口水质状况最差，是由于北沙河附近有大量工业、农业、生活污水流入河中；其次是唐马寨，其上游有工厂排污口，还有污水处理厂，导致此断面水质较差。因为窝水库的水相对丰富，对污染物存在一定的稀释作用，且上游植被较多，工业、农业和生活污水相对较少，窝水库的水质状况最好。

2.2 富营养状态的变化

根据2015—2020年辽阳市太子河水体CODMn、TP 和TN 的监测值计算出流域各断面的综合营养状态指数，分析2015—2020 年辽阳市太子河富营养化变化趋势，如图2 所示。由图2 可以看出，窝水库与汤河水库断面的综合营养状态指数变化范围分别是43.2～52.9 和45.1～55.9，始终保持在轻度富营养以内，属于轻度污染；管桥、辽阳、乌达哈堡、小林子与唐马寨断面的综合营养状态指数变化范围分别是 54.9～65.9，51.3～67.9，49.7～64.0，52.4～64.7，56.3～65.6，为中度富营养，都属于中度污染；北沙河断面的综合营养状态指数变化范围是68.6～77.3，为重度富营养，属于重度污染。总体来看，综合营养状态指数的变化基本上是逐年降低的。

图2 综合营养状态指数年际变化情况

由于本溪市位于辽阳市上游，是以钢铁、化学工业为主的综合性工业城市，也是辽阳市的主要工业污染源。太子河是辽宁省重要的工农业生产基地，辽阳市农业较为发达，不合理的施用化肥会造成水体污染，其中氮肥的吸收能力较差，大量的氮、磷元素随着农田排水或雨水进入河流，造成水体富营养化，使水环境遭到破坏。在经济发展过程中，太子河流域受人类活动的影响和破坏，流域产生不同程度的水土流失，造成泥沙携带着大量氮、磷等元素随地表径流进入河流，使水体富营养化问题更严重。

2.3 社会经济因素与水质的相关性

2015—2020 年，太子河辽阳段人口密度逐年减小，由 2015 年 377.97 人/km2减小到 2020 年 364.25人/km2，但经济发展迅速，在人口不断减少的情况下，人均 GDP 由 3.9 万元增长到 4.86 万元，见图 3。

图3 2015—2020 年辽阳市人均GDP 和人口数量变化趋势

2015—2020 年辽阳市第一、二、三产总产值变化见图4。由图4 可以看出，辽阳市将以产业融合为主线，补齐农业农村短板，新兴产业和制造业为主、现代服务业为辅的现代化产业体系，推动产业结构优化[20]。

图4 2015—2020 年辽阳市第一二三产总产值变化图

社会经济的快速发展不可避免地造成城市生活污水增加、化肥农药排放量增大、工业生产活动产生的污染物排放量也逐渐增加，太子河流域的水环境状况也成为了政府关注的焦点，因此，通过对太子河辽阳段人口密度、人均GDP、以及第一、二、三产业与水质指标的相关性分析，揭示社会经济发展对辽阳市太子河水环境的影响。选取CODMn，BOD5，NH3-N，TP 和 TN 作为主要水质指标进行研究，分析其与辽阳市社会经济因素的相关性，见表3。

由表 3 可见，2015—2020 年，CODMn与人口密度、人均GDP、第三产业在α=0.05 水平上显著相关（α为显著性水平，通常取 0.05 或 0.01，即当接受原假设时，其正确的可能性为95%或99%；BOD5与人口密度在α=0.05 水平上显著相关，且与人均GDP、第三产业在α=0.01 水平上显著相关；NH3-N 与人均GDP、第三产业在α=0.05 水平上显著相关，且与人口密度、第一产业在α=0.01水平上显著相关；TP 与第二产业、第三产业在α=0.05 水平上显著相关，且与人口密度、人均GDP、第一产业在α=0.01 水平上显著相关；TN 与人口密度、人均GDP、第一产业、第二产业在α=0.01 水平上显著相关。由此可见，社会经济发展与水质情况有密切关系，随着社会的快速发展，人们也更加注意发展所带来的环境问题，并对环境问题提出相应的改善措施。此次研究发现：2015—2020 年辽阳市人均GDP 与水质指标呈负相关，也就是说在这个时间段里，社会经济在提高的同时，污染物含量也在逐渐降低，说明辽阳市在水环境方面已经找到了较好的应对措施。

表3 辽阳市太子河水质与社会经济的相关性分析

3 结语

1）辽阳市太子河上游水质较好，中下游水质较差，北沙河入河口污染状况较为严重，主要污染物为氮磷类物质。太子河有许多支流汇入，也存在较严重的面源污染，如家禽散养、生活垃圾和污废水乱排放及近河耕作等。因河流自净能力有限，不可能将所有污染物净化，部分会被水体中的底泥吸附住，当河流流速增大时，底泥中的污染物质还会被冲刷出来，因此，控制污染源的排放是首要任务，还应该植树造林、加强河岸的修建来阻止土壤受到侵蚀。

2）2020 年太子河整体综合营养状态指数为53.04，属于轻度富营养。2015—2020 年，太子河整体综合营养状态指数在53.04～63.69 之间，总体呈下降趋势，但唐马寨和北沙河断面仍处于中度富营养状态和重度富营养状态。因此，接下来治理太子河应从这两个重点断面入手。

3）氮磷类水质指标主要受第一产业活动影响，高锰酸盐指数和五日生化需氧量这类有机水质指标主要受人类社会活动和第三产业活动影响。2015—2020年，辽阳市太子河水质指标与社会经济指标的关系为负相关，说明经济与水环境协调发展，暂时形成了良性循环，同时，也说明辽阳市对太子河的治理取得了显著成效，但治理的效果亟待巩固，生态环境仍然较为脆弱，治理保护任重道远。