太子河流域水质时空演变及污染源探析

康 建

(辽宁德远项目管理有限公司，辽宁 葫芦岛 125300)

太子河流域是辽河流域一条主要支流，该流域上游为山区，位于辽宁东部，该区域植被较为丰富，水环境较好，中下游流经辽阳、本溪和鞍山等地，水质情况与上游有很大不同，受到工业污染和生活废水的严重影响。作为城市的社会经济命脉，太子河流域对该地区的可持续社会经济发展至关重要。尽管近年来过流流域在水质特征研究取得了一些成果，大多集中在水质监测的1个或几个河段上，数据序列相对较短，目前几乎没有对整个流域的水质指标进行分析。本文根据2002—2021年8条国家监测的水质监测河段的5类水质监测数据，分析了太子河流域水质的空间和时间趋势，并提出流域的污染预防措施。

1 研究原理

本文选取太子河流域8个水质监测断面(小姐庙、小河口、唐马寨、小林子、辽阳、二道沟、本溪、老官砬子)的2002—2021年连续水质采样监测数据。选择了5个水质监测指标来代表太子河流域的水质趋势：氨氮、高锰酸钾指数、挥发酚、化学需氧量和生化需氧量[1]。水质影响因素主要计算每个污染因素的贡献，使用多元回归方程，结合其主要污染源的主成分分析和每个因素的主成分值来量化主要影响因素对太子河流域的8个水质监测断面的水质指标分别进行了评估，分析各断面水质达标率，并根据单项水质指标得分情况，选择最劣作为评价水质总分，采用M-K非线性对其进行检验，将一系列的水质监测指标作为统计变量S的样本序列：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—检验水质指标样本系列的显著性的统计变量；xi和xj—同一样本集的两个样本数据系列；α—标准估计方差；sign—估计变量，n—总样本系列，Z—检验因变量，如果，Z大于0，则水质指标呈现上升趋势、否则，就呈现出下降的趋势，也就是说，如果，当Z的绝对值大于2.32，显著性置信水平为99%，Z的绝对值在1.64—2.32之间，其显著性置信水平为95%，Z的绝对值在1.28—1.64之间，显著性置信水平为90%。

2 水质时间特征

2.1 水质断面达标率

在8个水质监测断面，使用地表水环境质量相关标准对监测断面水质进行评估，其达标统计结果详见表1。

表1 太子河流域水质年达标率统计

通过分析每个水质指标的参考值并基于单个指标的评估结果，2002—2012年，该流域大多数水质仅在1个阶段达到三级或以上，有部分年份未达标，使水质达标率相对较低。相比之下，2013年，8个水质阶段中有2个达到了水质标准，到2021年，有5个阶段达到了标准，流域的水环境有了较大改善。

2.2 水质断面中的各项指标

在5个选定的太子河流域的水质参数(如铵氮、生化需求量、化学需氧量、高锰酸钾指数和挥发性酚类)数据的基础上，结合M-K非线性显著性检验方法，对各断面水质浓度变化趋势进行分析[2-3]，结果见表2—6。

表2 太子河流域氨氮浓度变化趋势

表3 太子河流域生化需氧量浓度变化趋势

表4 太子河流域化学需氧量浓度变化趋势

表5 太子河流域高锰酸钾指数浓度变化趋势

表6 太子河流域挥发酚变化趋势

由8个水质监测断面和5个水质指标分析可知，在小姐庙、小河口两个水质断面中，各种水质参数都明显降低，两者都达到了90%以上的检验显著性水平，证实了各种水质参数浓度降低。在唐马寨断面，除化学需氧量和高锰酸盐指数外，其他指标均无明显变化，这主要与工业污染的影响有关。小林子断面的水质显示化学需氧量和挥发性酚类物质明显增加和减少，但高锰酸钾除外，这主要是由于工业污染所造成的，氨氮在小林子断面出现下降，表明城市污染的影响非常弱。在辽阳断面，BOD出现明显下降，挥发酚也逐渐下降。而其他参数都保持稳定，主要是由于居民污染。在二焦断面，氨氮和挥发酚呈明显上升，然而，其他参数显示出明显的下降趋势，铵氮的显著增加主要是由于受到城市污染的影响，化学需氧量、生化需氧量和高锰酸钾指数显著下降。分别超过15%和80%。在本溪断面，由于居民生活环境的污染，氨氮和生化耗氧量率发生了明显变化，其他指标无显著变化[4]，老官砬子段由于其位于流域上游，水质无显著变化。

2.3 水质空间变化

根据水质的变化特征，结合8个选定的水质监测断面，各断面水质浓度多年均值见表7。

表7 太子河流域水质多年平均浓度

从表7可以看出，流域水质从上游到下游整个范围内都有一定的变化和减小，城市水质监测断面分别为辽阳和本溪，各种水质指标的浓度相对较高，上游断面的水质浓度相对较低，主要是由于植被和农业的地表水源污染相对较少。而老官砬子断面主要是由于城市工业和居民污染，其水质浓度比较较低。

3 污染源解析

3.1 污染源识别

根据8个水质监测点的监测数据，确定该流域的污染源，并对水质变量之间的相关性进行检验，主要是在COM和Bartlett域，见表8。对COM样本的主成分分析，相应的拟合度大于0.7，相关检验水平P小于0.05，从而满足水质相关规范要求，8个断面水质变量之间的相关性良好[5]，显示为正态分布，分析结果合理。

表8 太子河流域各水质主成分分析

分析表明，3个主成分的累积贡献率为70.79%，其中氨氮和化学需氧量在主成分1中有强烈的正载荷，方差贡献率为41.52%。该流域流经辽阳、本溪和鞍山3座城市，城市污水使河水中的有机物积累，导致水体富营养化，因此，城市污水排放是第一主成分因子，气象因自是第二个主要成分，气候条件对Ph值有较安定的影响，对方差贡献率为12.74%，所以气象因素被确定为第二主成分因子，挥发性酚类物质是工业生产中水污染的主要来源，对方差的贡献为16.51%。

3.2 污染贡献率

在主成分分析的基础上，利用绝对主成分构建多元回归方程，分析各主成分对污染的贡献率[6-8]，见表9。

表9 主要污染指标贡献率

对太子河流域主要污染物的贡献度进行了分析，结果显示，氨氮对第一主成分的贡献率分别为75.19%，化学需氧量对第一主成分的贡献率为82.64%。第二主成分第三主成分的pH和挥发酚的贡献率分别为81.51%和83.59%。

4 污染控制措施

4.1 加强对点源排放的控制

切实调整企业产业结构，控制污水排放，制定了激励和惩罚措施[9-10]，改革了农业灌溉方法，加强水质保护力度，强化水资源管理，大力改善流域的水土环境，完善优化水资源保护措施。

4.2 提高自动监测当地水质的能力

切实提高监测能力和水平，实施监测站点优化调整，确保监测数据准确性、完整性和及时性，增强监测能力[11-12]。

4.3 协调该地区的产业布局

加快和优化工业环保措施的调整，减轻企业的污染负担，广泛推广高耗水作业的新技术，以提高用水效率。

4.4 继续加强生态系统保护工作

加大生态系统工程的规划和建设力度，降低当地工农业污染负荷，切实加强太子河流域的源头保护，科学、准确地管理农业面源、工业和城市点源的排放，加强生态系统保护工程的推广。

5 结语

氨氮和化学需氧量是太子河流域的主要污染物，其主要来源居民生活点源排放，辽阳和本溪段的氨氮和化学需氧量浓度特别高，是由城市地区的点源排放造成的。建议加强对氨氮和COD的控制力度，将其作为流域水质的指标，同时在枯季增加流域水量，加大控制这些污染物的排放。建议调整流域内化工企业的产业结构，加快工业环保措施的优化和调整，降低其污染负荷，在耗水量较大的企业中推广使用新技术，提高用水效率。促进农业生产方式的调整，提高灌溉能力，促进流域内生态农业的可持续发展。本文主要分析了太子河的水质指标的年度趋势。后期应该考虑太子河流域的水质趋势与洪水期间和洪水过后的水量变化情况，为制定太子河流域在不同来水条件下的水环境保护措施提供依据。