辽河干流水质时空变化规律探析

梁 爽

(辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124010)

1 概 述

辽河干流自上游至下游沿程流经铁岭市、沈阳市、盘锦市、阜新市和锦州市5个城市，共有废水污染企业13家。从废水污染企业分布来看，盘锦市分布废水污染企业5家，为辽河干流段分布废水污染企业最多的城市，铁岭市分布废水污染企业3家，锦州市、阜新市分布废水污染企业各2家，沈阳市在辽河干流分布废水污染企业1家。从废水污染成分来看，盘锦市废水污染主要是石油化工行业污染，污染物质以石油类污染物为主；铁岭段和阜新段主要是畜牧行业污染，污染物质以磷为主；沈阳段和锦州段主要是造纸行业污染，污染物质以木质素、纤维素为主。

辽河流域中水利工程调控能力强，河道径流特征受水库调节影响明显。辽河流域是我国北方工业化、城市化发展速度较快的地区，流域内分布有多座快速发展的大中型城市，流域内生产生活用水挤占农业用水、国民经济用水挤占生态环境用水的现象比较突出。由于城市化工业化的发展不仅用水量大，且要求保障率高，其需水过程相对稳定。这一用水特征和自然降雨径流特性存在根本的差异，因此也决定了在辽河流域水利工程调节的不可替代性。通过这些水利工程的基础设施，发挥其蓄丰补枯调节径流的基本功能，才保障了辽河流域多年持续的社会经济良性发展。

2 水环境功能状况

辽河干流辽中断面多年平均水资源利用率为17.59%，生态基流满足程度良好。地下水埋深2-3m，在辽河口有双台河口重要湿地的敏感生态需水要求，其生态需水满足程度中等。在流域尺度上，污染物入河排放量过高，水土流失严重。该区工业化程度较高，密集的工业生产使单位面积污染负荷较高。不合理的土地利用方式造成绕阳河和柳河上游地区水土流失现象十分严重，泥沙进入河床淤积，使柳河口以下部分河段已成为地上悬河。在河流廊道方面，纵向连通性受损，河流水体污染严重。水利工程分布密度较高，造成河流的纵向连通受阻，影响了鱼类等季节性生物的洄游；生产生活不合理排污入河导致河流水质状况较差，局部河段水质为劣Ⅴ类。在栖息地方面，天然湖泊、湿地大面积退化。该区拥有重要湿地双台河口湿地和卧龙湖湿地。河口湿地由于农业生产和油田的过度开采导致天然湿地面积被大量侵占；而降水量的减少、上游水利工程的兴建和农业开发挤占生态用水，使得湿地淡水减少，加之海平面上升、海水入侵等，打破了原有的水盐平衡和水沙平衡，使得天然湿地面积严重退化，生物栖息地环境发生变化，生物多样性减少。卧龙湖湿地受干旱、开采和环湖堤坝的影响，生态需水不足，湖泊面积萎缩严重，加上沿湖的几万亩滩涂被水田和水产养殖区所侵占，使鸟类等生物失去了栖息的场所，生物多样性受到威胁。

3 辽河干流水质时空变化分析

3.1 季节性Kendall检验数学模型

零假设H0是与时间独立的随机变量,况且年各月水质资料分布相同,设n年P月的水质监测资料序列X为

(1)

式中:x11x12…x1p为每月水质监测数据的平均值。

1)对于P月中的第i(i

历年第i月水质序列值相比较(后面与前面序列值之差)的正负号之和Si为

(2)

第i月差值数据组的个数mi为

(3)

式中:ni为第i月水质序列中非漏测数值的个数。

在零假设下,随机序列Si(i=1,2,…,p)近似服从正态分布,则Si的均值和方差分别为：

(4)

其中当ni个非漏测值中有i个数相同时,方差var(Si)为

(5)

2)对于P月的总体情况

(6)

式中：Sh和Si(h≠i)都是独立的随机变量,即Si=f(Xh),其中Xi为i月历年的水质序列,Xh为h月历年的水质序列,且Xi∩Xh=φ;由于Xi是i月的水质监测数据,Xh是h月的水质监测数据,而且水质数据序列X中的元素是独立的,因此,协方差cov(Si,Sh),故：

(7)

其中,当n年水质序列中有i个数相同时,方差var(S)为

(8)

而当,n>10时,S同时也服从正态分布,且标准差Z为:

(9)

3 趋势检验

季节性Kendall检验法就是将历年相同月(季度)间的水质监测资料进行相应地比较,避免了季节性的影响,但考虑到辽河干流降雨年际间的变化,本次分析按汛期和非汛期进行处理,使得水质变化趋势分析更为合理。

3.2 时间变化趋势分析

由于水质监测数据的随机性特别强，长系列的数据将会将当前的趋势隐藏，使用短系列的数据往往又不能确定趋势[1]，因此数据的系列一般选取5-8年。为确保趋势分析的可靠性，在此收集了辽河干流由上游至下游福德店、三合屯、朱尔山、马虎山、红庙子、盘锦兴安、曙光大桥、赵圈河8个断面2013-2018年的水质数据，并选择了COD、氨氮2个指标进行分析。应用上述构建的模型分别将辽河干流8个断面的水质监测数据输入季节性Kendall检验法中进行计算，结果见表1、表2。

表1 2013-2018年辽河干流水质变化趋势分析结果(COD)

表2 2013-2018年辽河干流水质变化趋势分析结果(氨氮)

由表1可以看出，在多年COD趋势检验中，辽河干流的水质总体呈现良好趋势，8个评价断面中，COD浓度无明显升降趋势的断面占37.5%，呈下降趋势的占37.5%，呈上升趋势的占25%。

由表2得出，在多年氨氮趋势检验中，辽河干流的水质总体也呈现出良好的趋势，8个评价断面中，除了3个断面氨氮浓度无明显升降趋势的外，5个断面呈下降趋势，占总体的62.5%，其中三合屯、朱尔山、盘锦兴安、曙光大桥4个断面更呈高度显著下降的趋势。

并根据2016-2018年辽河干流水质监测数据，水质目标为Ⅳ，各断面COD和氨氮平均值逐月变化情况见图1和图2。通过COD和氨氮浓度逐月变化图可见：①整体而言，COD的峰值多出现在3月或5月，除了三合屯断面5月份COD浓度超Ⅳ类外，各断面COD逐月浓度均优于或接近Ⅳ类水质控制值；②氨氮的峰值多出现在3-4月份，三合屯和马虎山两个断面4月份的氨氮浓度超Ⅳ类，其他断面均达Ⅳ类水质控制值，氨氮逐月浓度整体表现出先下降后上升的趋势[2]，5-10月份水质优于其他月份。

图1 辽河干流COD浓度逐月变化图

图2 辽河干流氨氮浓度逐月变化图

3.3 空间变化趋势分析

辽河干流2016-2018年水质年平均值沿程变化图3和图4。从图中可以看出：①COD浓度的极大值在2016年、2018年均出现在三合屯断面，2017年出现在福德店断面。②整体水质良好，8个断面的COD浓度均达到Ⅳ类水质目标。③COD浓度沿程大体呈现下降趋势。④氨氮浓度历年的极大值均出现在曙光大桥，2016-2018年分别达到了0.96 mg/L、0.86 mg/L、0.90 mg/L。8个断面的氨氮浓度均达到Ⅳ类水质目标。

图3 辽河干流COD浓度沿程变化图

图4 辽河干流氨氮浓度沿程变化图

4 结 语

通过上述分析可知，辽河干流水质基本达到Ⅳ类，河流水质有所改善，水生态将得到显著恢复。辽河干流径流量主要来源于辽宁省境内的区间产流，由于辽宁省近年来用水基本保持稳定，且区间大型水库多位于支流、调节能力有限，流域的水文情势的年际和年内变化主要受上游境外来流的影响[10]。