浑河抚顺市区段水质变化趋势分析

夏春龙

(辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113005)

浑河是抚顺市的母亲河，发源于抚顺市清原县湾甸子镇滚马岭，流经抚顺、沈阳等辽宁中部城市群。浑河抚顺市区段自东向西从大伙房水库坝下至沈抚交界处的高坎大桥，全长约38km，平均比降0.85%。抚顺市所辖4市区分布在浑河两岸，有多条支流在此区间内汇入。抚顺市城区依河而建，与浑河的共生关系十分明显，辽宁省“抚顺浑河城区”水利风景区位于该区段内。浑河流域水资源开发利用程度高，部分河段水质污染较重，特别是下游城市段[1]。目前，沿河有多个生活污水直排口和污水处理厂排污口，直接或间接排入浑河水体。本文以浑河市区段抚顺水文站断面2004—2017年水质监测结果为样本，运用季节性Kendall检验分析水质变化趋势、污染物来源及河水流量对水质的影响程度，对保护浑河市区水质、加强水资源管理具有重要参考作用。

1 实验部分

1.1 代表断面

选取浑河抚顺市区段控制断面抚顺水文站，水文、水质资料较全，断面代表性强。选用2004—2017年该站水质逐月监测数据及同步水文资料。

1.2 评价指标

根据该河段水文特征，结合抚顺水文站水质特点，选择pH、氨氮、COD、高锰酸盐指数、砷化物、挥发酚、铜、铅、氟化物、氯化物、硫酸盐、硝酸盐氮12项为评价指标，各指标依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》进行采集、保存和检测。

1.3 方法介绍

水质变化趋势主要是为了了解和判断水中污染物随时间和空间的变化[2]。统计学家Kendall提出了一种非参数检验法-Kendall检验，该法原理[3]是将历年相同月的水质监测资料进行比较，时间上靠后的数值高于前面值的，记“+”，反之记“-”，根据“+”、“-”个数多少进行比较，判断有无变化趋势(上升、下降或无趋势)。当n≥10时，该随机序列近似服从正态分布，Kendall检验定义的统计量为τ，取趋势检验的显著水平α为0.1和0.01。当α≤0.01，检验具有高度显著性水平；当0.01<α≤0.1，检验具有显著水平。当α计算结果符合上述2种情况时，τ>0，呈上升趋势；τ<0，呈下降趋势；τ=0，无趋势[4]。该检验法的优点是不受水质资料的非正态性、季节性、河水流量的周期变化以及漏测值和未检出值的影响[5]。

此外，通过对流量校正后的水质浓度进行检验，可判断变化趋势是由流量因素造成，还是由污染因素引起，同时可间接判断是点源污染还是面源污染[6]。流量校正方程有以下7种：

f(Q)=a+bQ

(1)

f(Q)=a+blnQ

(2)

f(Q)=a+b/Q

(3)

lnf(Q)=a+blnQ

(4)

f(Q)=a+bQ+cQ2

(5)

f(Q)=a+b/(1+βQ)

(6)

lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2

(7)

式中，Q—河流流量；a、b、c—回归常数；β—调节系数。

根据浓度和流量数据，计算各方程中的回归常数及相关系数，相关系数最高的就是所需流量校验方程。

趋势分析过程采用PWQTrend水质趋势检验软件进行计算，有5种趋势分析结果，即高度显著下降、显著下降、无明显趋势、显著上升和高度显著上升。

2 结果分析

2.1 水质评价结果

各水质监测指标采用年均值浓度，并按照GB 3838—2002进行评价。2004—2017年浑河抚顺市区段单因子水质评价状况见表1。pH、砷化物、铅、氟化物的年均值浓度符合Ⅰ类标准；铜2007年年均值浓度符合Ⅱ类标准，其余年份均为Ⅰ类标准；挥发酚2004—2008年年均值符合Ⅴ类标准，2010年符合Ⅳ类标准，2015年符合Ⅲ类标准；高锰酸盐指数年均值符合Ⅲ-Ⅳ类标准；COD除2013年为Ⅴ类标准外，其余年份稳定在Ⅲ-Ⅳ类标准；氨氮年均值基本稳定在Ⅳ-Ⅴ类标准，最差为劣Ⅴ类，出现在2008年。

表1 2004—2017年选定因子的水质评价结果

历年水质指标的评价，不能明显反应水质的变化情况，因此有必要进一步对各指标浓度进行趋势分析。

2.2 指标浓度趋势结果

2004—2017年浑河抚顺市区段控制断面抚顺水文站水质指标浓度变化趋势检验结果见表2。结果表明，呈下降趋势的有5项指标，其中pH、氨氮、高锰酸盐指数浓度呈显著下降趋势，氟化物、挥发酚浓度呈高度显著下降趋势；1项指标有上升趋势，即硝酸盐氮浓度呈高度显著上升趋势；6项指标无变化趋势，即COD、氯化物、硫酸盐、砷、铜、铅无明显升降趋势。

表2 水质指标浓度变化趋势检验结果

2.3 流量校正后浓度趋势结果

经软件计算，pH、氨氮、COD、高锰酸盐指数、氯化物、硝酸盐氮、挥发酚、铜流量校正方程为：

lnf(Q)=a+blnQ+c(lnQ)2

(8)

硫酸盐流量校正方程为：

f(Q)=a+b/(1+βQ)

(9)

氟化物流量校正方程为：

f(Q)=a+b/Q

(10)

砷化物和铅流量校正方程为：

f(Q)=a+bQ+cQ2

(11)

对流量校正后的指标浓度进行趋势检验，结果见表3。与校正前浓度变化趋势结果一致的有10项指标，pH、高锰酸盐指数浓度呈显著下降趋势，氟化物、挥发酚浓度呈高度显著下降趋势，硝酸盐氮浓度呈高度显著上升趋势，COD、氯化物、硫酸盐、砷、铅无明显升降趋势。氨氮流量校正后浓度无明显升降趋势，与校正前不一致；铜流量校正后浓度呈高度显著下降趋势，与校正前也不一致。

表3 流量校正后指标浓度变化趋势检验结果

2.4 不同水期浓度变化趋势结果

丰水期为6—9月，枯水期为1—5月，10—12月。不同水期指标浓度变化趋势Kendall检验结果见表4。丰水期高度显著下降和显著下降的指标有氨氮、COD、挥发酚、氟化物、氯化物、硫酸盐，硝酸盐氮为高度显著上升水平，其余5项指标无趋势变化；枯水期高度显著下降和显著下降的指标有高锰酸盐指数、挥发酚和氟化物，硝酸盐氮为高度显著上升水平，其余8项指标无趋势变化。

3 水质趋势特点及成因分析

3.1 水质指标变化趋势

2004—2017年监测数据评价结果表明，pH、氟化物、砷化物、铜、铅等5项指标符合Ⅰ-Ⅱ类水质标准，砷化物、铜、铅含量水平较稳定，无明显变化趋势，但pH、氟化物有一定下降趋势，此外，铜在流量校正后也呈现下降趋势。

氯化物多年平均含量为23.9mg/L，最大值为102mg/L，硫酸盐多年平均含量水平为66.6mg/L，最大值为156mg/L，满足标准限值要求(均为250mg/L)。Kendall检验表明，流量校正前后2指标浓度均无明显变化趋势，但在丰水期浓度均呈下降趋势。硝酸盐氮多年平均含量为1.64mg/L，最大值为5.58mg/L，满足标准限值要求(10mg/L)。Kendall检验表明，流量校正前后和不同水期，硝酸盐氮浓度均呈现为高度显著上升趋势。这与硝酸盐氮年平均值变化趋势相吻合，呈现较明显的上升趋势。

氨氮、COD、高锰酸盐指数、挥发酚评价结果多为Ⅲ-Ⅴ类水质，且出现劣Ⅴ类水质情况，是浑河市区段的主要污染指标，相关研究也指出了这些污染物[7- 8]。Kendall检验表明，氨氮、COD、高锰酸盐指数、挥发酚均呈下降趋势，这与氨氮、高锰酸盐指数、挥发酚年浓度均值变化趋势基本一致，仅COD年均值变化趋势不明显，但在2013年后有明显的连续下降，如图1所示。流量校正后，仅氨氮表现为无明显变化趋势，其余指标仍呈下降趋势。

表4 不同水期指标浓度变化趋势

图1 污染物浓度年均值变化趋势

3.2 污染成因分析

根据抚顺水文站2004—2017年同步水文资料，抚顺浑河市区段河流流量有较明显的季节性变化，丰水期平均流量69.1m3/s，枯水期平均流量30.5m3/s。Kendall检验表明，流量校正前后10项指标浓度趋势变化一致，仅氨氮与铜流量校正后变化趋势改变。不同水期的检验表明，丰水期有7种指标，枯水期有11种指标浓度变化趋势与全年浓度变化趋势保持一致。总体来看，浑河市区段水质受河水流量变化的影响相对较小，主要受污染物排放的影响。从评价结果可知，主要的污染指标为氨氮、COD、高锰酸盐指数和挥发酚。此外，硝酸盐氮因呈现显著上升的趋势，其污染风险也增大，应予以关注。

根据污染物浓度和河水流量的关系(如图2所示)，氨氮、COD、高锰酸盐指数、挥发酚的浓度随着流量增加而降低，该种趋势呈现以点源为主的污染特征。硝酸盐氮浓度随着流量增加而上升，呈现出以面源为主的污染特征。结合流量校正方程拟合结果类型判断，氨氮、COD、高锰酸盐指数、挥发酚的污染来自面源和点源的共同作用，即主要来自市区生活污水排放和流域内农业面源污染。而硝酸盐氮主要来自面源污染。

浑河市区段是接受城市纳污的主体。氨氮、COD、高锰酸盐指数等能反映水体受到不同程度的生活污水污染。3项指标含量2013—2017年有较明显的下降，如图1所示。2010年以后，抚顺市区陆续建设(含扩建)并投入运行海新河污水处理厂、章党污水处理厂、前甸污水处理厂和东洲污水处理厂等。根据辽宁省环境监测实验中心发布的《2014年污水处理厂水质年报》结果，2014年抚顺市污水处理厂COD年均去除率达到90.2%，氨氮年去除率达到86.7%。污水收集和集中化高效处理使入河排污减少，浑河市区段的水体质量有明显改善。

图2 污染物浓度与河水流量关系

挥发酚的污染主要来源于工业企业的排放及各支流的汇入。2004—2011年浑河市区段水体挥发酚水平较高，这与相关研究报道结果一致[9]，2011年以后维持在较低水平。从2007年开始，抚顺市开始实施《抚顺市环境优化城市布局与产业发展五年行动计划》，规范了石油、煤炭、化工等工业行业体系，加强了环境监管，一系列措施促使排污减量。

4 结论

抚顺浑河市区段水体为Ⅳ类水，水质指标浓度有下降趋势，特别是氨氮、COD、高锰酸盐指数和挥发酚等污染指标，说明市区河段水污染状况得到了一定程度的控制，水质趋于好转。同时，Kendall检验表明水质变化受流量影响相对较小，氨氮、COD、高锰酸盐指和挥发酚的污染来自点源和面源的共同作用，硝酸盐氮主要来自面源的污染。不断改善抚顺市区段水环境质量，保障用水安全，需要切实加强污水处理厂及其管网的建设，强化污水处理效果，监督污水处理和运行，对突出点源做好控制；另外需要加强农业面源污染管理，提高肥料等的利用率，并严格控制工业污染源头。