太子河水質(zhì)演變?cè)蚨糠治?/h1>
2017-08-07 16:03:28彭俊崔超王秀穎
東北水利水電 2017年7期
彭俊，崔超，王秀穎
（1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林長春130021；2.遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島125000；3.遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）
太子河水質(zhì)演變?cè)蚨糠治?/p>
彭俊1，崔超2，王秀穎3
（1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林長春130021；2.遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島125000；3.遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）
影響河流水質(zhì)變化的因素有自然因素和人為因素，應(yīng)科學(xué)地定量兩者的影響程度。本文以太子河為例，以20世紀(jì)80年代為基準(zhǔn)期，采用降水-特征污染物濃度統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型分析評(píng)估了降水變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水質(zhì)的影響。
水質(zhì)演變；天然水質(zhì)；定量分析；太子河
0 引言
太子河是遼寧省重要水系，發(fā)源于新賓縣紅石砬子山，流域面積13883km2，河長413km，與渾河相匯于三岔河稱大遼河，在盤錦市匯入渤海灣。流經(jīng)遼寧省中部工農(nóng)業(yè)城市群：撫順、本溪、遼陽、沈陽、鞍山，這里曾是中國工業(yè)的搖籃，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和改革開放做出過重大貢獻(xiàn)，但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也曾為粗放的經(jīng)濟(jì)體制付出了沉重代價(jià)，其中水資源質(zhì)量問題尤為突出。近年來，人們對(duì)良好生態(tài)環(huán)境的渴望和需求，使得經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展成為當(dāng)下的重要命題。
水環(huán)境質(zhì)量與自然條件（水文情勢變化、河流自身的降解能力等）及人類擾動(dòng)（點(diǎn)源、面源污染或者河流整治）密切相關(guān)，文獻(xiàn)多采用主成分分析并建立多元線性回歸模型、偏相關(guān)系數(shù)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行識(shí)別，本文僅對(duì)自然因素和人類影響進(jìn)行識(shí)別，上述方法并不適用。本研究嘗試采用降水表征自然因素，根據(jù)近30年降水及水質(zhì)資料，將河流水質(zhì)狀況與同期的降水量進(jìn)行比較分析，揭示自然因素與人類擾動(dòng)對(duì)河流質(zhì)量演變影響的變化情況，并對(duì)2種影響進(jìn)行定量分離。
1 方法構(gòu)建
1.1 研究方法
降水-特征污染物濃度統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型構(gòu)建：1）受人類活動(dòng)對(duì)流域不同程度的擾動(dòng)，河流水質(zhì)在受人類活動(dòng)顯著影響后的序列在某種意義上異于原天然序列，將水質(zhì)序列分為“天然階段”和“人類活動(dòng)影響階段”，則人類活動(dòng)影響期實(shí)測污染物濃度與基準(zhǔn)期實(shí)測污染物濃度平均值差值為污染物濃度總變化量；2）以人類活動(dòng)影響期的降水?dāng)?shù)據(jù)作為輸入，輸出則為人類活動(dòng)影響期的“率定污染物濃度”；3）“率定污染物濃度”與基準(zhǔn)期實(shí)測天然污染物濃度差值為降水影響部分；4）污染物濃度的總變化量與降水影響部分的差值為人類活動(dòng)影響量。降水影響量與污染物濃度總變化量的比值為降水影響的貢獻(xiàn)率，人類活動(dòng)影響量與污染物濃度總變化量的比值為人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率。
1.2 特征污染物選擇
選擇太子河最下游水質(zhì)站小姐廟作為分析對(duì)象，對(duì)小姐廟站的各監(jiān)測項(xiàng)目的年均濃度值按照Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，氨氮（NH3-N）是最主要超標(biāo)污染物，超標(biāo)頻次為89%，超標(biāo)倍數(shù)在0.59~5.95之間，另外NH3-N也是“三條紅線考核”的主要指標(biāo)，是污染物排放控制方案的主要因子，因此選擇NH3-N濃度作為表征水質(zhì)變化的特征因子，可反映太子河流域水質(zhì)演變過程。
2 研究結(jié)果
研究以太子河20世紀(jì)80年代的降水量均值和NH3-N濃度均值作為未受人類活動(dòng)影響的基準(zhǔn)值，分別用PB和CB表示，兩者可建立“天然階段”關(guān)系式。90年代以后因經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，受人類活動(dòng)影響較大，該時(shí)期作為人類活動(dòng)影響階段，圖1給出了太子河的降水量和NH3-N濃度的年際變化情況。
圖1 太子河降水量和NH3-N濃度序列
對(duì)PB和CB建立相關(guān)性，得到“天然階段”降水量與NH3-N濃度的關(guān)系。假設(shè)某時(shí)期太子河未受人類擾動(dòng)，可根據(jù)已建立的“天然階段”關(guān)系式，計(jì)算得到該時(shí)期降水量計(jì)算得到NH3-N濃度值（CB-C），計(jì)算值（CB-C）與基準(zhǔn)值（CB）的差值視為受自然因素影響導(dǎo)致的NH3-N濃度變化量（△CN），該時(shí)期實(shí)測NH3-N濃度值（CM）與計(jì)算值（CB-C）的差值視為受人類活動(dòng)擾動(dòng)影響引起的NH3-N濃度變化量（△CP），兩者之和為NH3-N濃度變化總量（CTotal）。
3 結(jié)果分析
根據(jù)圖1可知90年代后NH3-N的濃度經(jīng)歷了上升-上升-下降過程，分別在1994年、2000年出現(xiàn)峰值，根據(jù)NH3-N濃度變化趨勢，本文將研究時(shí)間段分為90年代（1991—1997年）、90年代末—20世紀(jì)初（1998—2003年）、近10年（2004—2011年）3個(gè)時(shí)期，按照降水-特征污染物濃度統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型對(duì)太子河水質(zhì)變化貢獻(xiàn)量進(jìn)行定量分離，3個(gè)時(shí)期NH3-N濃度的總變化量分別為1.33 mg/L，6.45mg/L和2.92mg/L，經(jīng)歷先增大后減小的過程，人類活動(dòng)對(duì)NH3-N濃度總變化量的貢獻(xiàn)量也呈相同的變化趨勢，見表1。從太子河流域的降水量和NH3-N濃度關(guān)系看，在90年代左右兩者相關(guān)性較好。90年代末期，降水量稍有下降，但同期水質(zhì)開始急劇下降，說明降水量的下降對(duì)水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)量微弱，不是最主要的影響因素。近10年來，降水量減小，但同期水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，說明此時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)變化影響有所減弱，降水的貢獻(xiàn)量有所增加。
表1 太子河水質(zhì)變化貢獻(xiàn)量定量分離結(jié)果
對(duì)人類活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)GDP和總?cè)丝跀?shù)進(jìn)行分析（見圖2），以探討太子河流域經(jīng)濟(jì)變化與水質(zhì)演變的關(guān)系。2000年左右是太子河流域GDP、人口明顯增長的拐點(diǎn)，此時(shí)太子河流經(jīng)城市的經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展階段，工業(yè)廢水、固體廢物廢氣、城市生活污水、垃圾及面源污染導(dǎo)致太子河流域持續(xù)惡化。近10年來，隨著粗放型發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變和水污染防治力度的增強(qiáng)，太子河流域NH3-N濃度呈降低趨勢，水質(zhì)呈轉(zhuǎn)好態(tài)勢。
圖2 太子河GDP總?cè)丝谧兓厔?/p>
4 結(jié)語
從上述分析可以得到如下結(jié)論：人類活動(dòng)是太子河流域水質(zhì)變化的主要影響因素，對(duì)河流NH3-N濃度的總變化量的貢獻(xiàn)量在90%左右，自然因素的貢獻(xiàn)量在10%左右；20世紀(jì)90年代、20世紀(jì)90年代末-21世紀(jì)初、近10年3個(gè)時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)量呈先增大后減小的變化過程；近10年，太子河流域GDP、人口明顯增長的同時(shí)，加大了污染治理力度，污染物入河量有所減少，水質(zhì)呈轉(zhuǎn)好的趨勢。
為確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，首先要加強(qiáng)點(diǎn)源、面源治理，確保廢污水入河量在太子河環(huán)境承載能力范圍內(nèi)，同時(shí)引導(dǎo)太子河流域區(qū)工業(yè)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，大力推廣綠色農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)，做到以資源促發(fā)展，以發(fā)展保環(huán)境。
［1］杜斌，馮金鵬.太子河流域水污染現(xiàn)狀分析［J］.吉林水利，2005（12）.
［2］胥學(xué)鵬，張崢，盧雁.太子河水質(zhì)污染時(shí)空異質(zhì)性分析［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011（05）.
［3］譚徐明.海河流域水環(huán)境的歷史演變及其主要影響因素研究［J］.水利發(fā)展研究，2002（12）.
［4］湯姿，等.大連市耕地變化及人文驅(qū)動(dòng)因子的定量研究［J］.遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004（03）.
［5］周戎星.區(qū)域用水量驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別及其預(yù)測研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)，2014.
［6］葉春，等.大堤型湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)驅(qū)動(dòng)因子——以太湖為例［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2012（12）.
［7］王圃，等.基于用水量驅(qū)動(dòng)因子的水量預(yù)測模型［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（12）.
［8］王國慶，張建云，賀瑞敏.環(huán)境變化對(duì)黃河中游汾河徑流情勢的影響研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006（06）.
［9］楊默遠(yuǎn)，等.潮河流域降水—徑流關(guān)系變化及驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別［J］.地理研究，2014（09）.
X824
B
1002－0624（2017）07－0038－03
2017-02-20
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彭俊，崔超，王秀穎
（1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林長春130021；2.遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島125000；3.遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）
太子河水質(zhì)演變?cè)蚨糠治?/p>
彭俊1，崔超2，王秀穎3
（1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林長春130021；2.遼寧省葫蘆島水文局，遼寧葫蘆島125000；3.遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）
影響河流水質(zhì)變化的因素有自然因素和人為因素，應(yīng)科學(xué)地定量兩者的影響程度。本文以太子河為例，以20世紀(jì)80年代為基準(zhǔn)期，采用降水-特征污染物濃度統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型分析評(píng)估了降水變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水質(zhì)的影響。
水質(zhì)演變；天然水質(zhì)；定量分析；太子河
0 引言
太子河是遼寧省重要水系，發(fā)源于新賓縣紅石砬子山，流域面積13883km2，河長413km，與渾河相匯于三岔河稱大遼河，在盤錦市匯入渤海灣。流經(jīng)遼寧省中部工農(nóng)業(yè)城市群：撫順、本溪、遼陽、沈陽、鞍山，這里曾是中國工業(yè)的搖籃，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和改革開放做出過重大貢獻(xiàn)，但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也曾為粗放的經(jīng)濟(jì)體制付出了沉重代價(jià)，其中水資源質(zhì)量問題尤為突出。近年來，人們對(duì)良好生態(tài)環(huán)境的渴望和需求，使得經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展成為當(dāng)下的重要命題。
水環(huán)境質(zhì)量與自然條件（水文情勢變化、河流自身的降解能力等）及人類擾動(dòng)（點(diǎn)源、面源污染或者河流整治）密切相關(guān)，文獻(xiàn)多采用主成分分析并建立多元線性回歸模型、偏相關(guān)系數(shù)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行識(shí)別，本文僅對(duì)自然因素和人類影響進(jìn)行識(shí)別，上述方法并不適用。本研究嘗試采用降水表征自然因素，根據(jù)近30年降水及水質(zhì)資料，將河流水質(zhì)狀況與同期的降水量進(jìn)行比較分析，揭示自然因素與人類擾動(dòng)對(duì)河流質(zhì)量演變影響的變化情況，并對(duì)2種影響進(jìn)行定量分離。
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1.1 研究方法
降水-特征污染物濃度統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型構(gòu)建：1）受人類活動(dòng)對(duì)流域不同程度的擾動(dòng)，河流水質(zhì)在受人類活動(dòng)顯著影響后的序列在某種意義上異于原天然序列，將水質(zhì)序列分為“天然階段”和“人類活動(dòng)影響階段”，則人類活動(dòng)影響期實(shí)測污染物濃度與基準(zhǔn)期實(shí)測污染物濃度平均值差值為污染物濃度總變化量；2）以人類活動(dòng)影響期的降水?dāng)?shù)據(jù)作為輸入，輸出則為人類活動(dòng)影響期的“率定污染物濃度”；3）“率定污染物濃度”與基準(zhǔn)期實(shí)測天然污染物濃度差值為降水影響部分；4）污染物濃度的總變化量與降水影響部分的差值為人類活動(dòng)影響量。降水影響量與污染物濃度總變化量的比值為降水影響的貢獻(xiàn)率，人類活動(dòng)影響量與污染物濃度總變化量的比值為人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率。
1.2 特征污染物選擇
選擇太子河最下游水質(zhì)站小姐廟作為分析對(duì)象，對(duì)小姐廟站的各監(jiān)測項(xiàng)目的年均濃度值按照Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，氨氮（NH3-N）是最主要超標(biāo)污染物，超標(biāo)頻次為89%，超標(biāo)倍數(shù)在0.59~5.95之間，另外NH3-N也是“三條紅線考核”的主要指標(biāo)，是污染物排放控制方案的主要因子，因此選擇NH3-N濃度作為表征水質(zhì)變化的特征因子，可反映太子河流域水質(zhì)演變過程。
2 研究結(jié)果
研究以太子河20世紀(jì)80年代的降水量均值和NH3-N濃度均值作為未受人類活動(dòng)影響的基準(zhǔn)值，分別用PB和CB表示，兩者可建立“天然階段”關(guān)系式。90年代以后因經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，受人類活動(dòng)影響較大，該時(shí)期作為人類活動(dòng)影響階段，圖1給出了太子河的降水量和NH3-N濃度的年際變化情況。
圖1 太子河降水量和NH3-N濃度序列
對(duì)PB和CB建立相關(guān)性，得到“天然階段”降水量與NH3-N濃度的關(guān)系。假設(shè)某時(shí)期太子河未受人類擾動(dòng)，可根據(jù)已建立的“天然階段”關(guān)系式，計(jì)算得到該時(shí)期降水量計(jì)算得到NH3-N濃度值（CB-C），計(jì)算值（CB-C）與基準(zhǔn)值（CB）的差值視為受自然因素影響導(dǎo)致的NH3-N濃度變化量（△CN），該時(shí)期實(shí)測NH3-N濃度值（CM）與計(jì)算值（CB-C）的差值視為受人類活動(dòng)擾動(dòng)影響引起的NH3-N濃度變化量（△CP），兩者之和為NH3-N濃度變化總量（CTotal）。
3 結(jié)果分析
根據(jù)圖1可知90年代后NH3-N的濃度經(jīng)歷了上升-上升-下降過程，分別在1994年、2000年出現(xiàn)峰值，根據(jù)NH3-N濃度變化趨勢，本文將研究時(shí)間段分為90年代（1991—1997年）、90年代末—20世紀(jì)初（1998—2003年）、近10年（2004—2011年）3個(gè)時(shí)期，按照降水-特征污染物濃度統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型對(duì)太子河水質(zhì)變化貢獻(xiàn)量進(jìn)行定量分離，3個(gè)時(shí)期NH3-N濃度的總變化量分別為1.33 mg/L，6.45mg/L和2.92mg/L，經(jīng)歷先增大后減小的過程，人類活動(dòng)對(duì)NH3-N濃度總變化量的貢獻(xiàn)量也呈相同的變化趨勢，見表1。從太子河流域的降水量和NH3-N濃度關(guān)系看，在90年代左右兩者相關(guān)性較好。90年代末期，降水量稍有下降，但同期水質(zhì)開始急劇下降，說明降水量的下降對(duì)水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)量微弱，不是最主要的影響因素。近10年來，降水量減小，但同期水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，說明此時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)變化影響有所減弱，降水的貢獻(xiàn)量有所增加。
表1 太子河水質(zhì)變化貢獻(xiàn)量定量分離結(jié)果
對(duì)人類活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)GDP和總?cè)丝跀?shù)進(jìn)行分析（見圖2），以探討太子河流域經(jīng)濟(jì)變化與水質(zhì)演變的關(guān)系。2000年左右是太子河流域GDP、人口明顯增長的拐點(diǎn)，此時(shí)太子河流經(jīng)城市的經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展階段，工業(yè)廢水、固體廢物廢氣、城市生活污水、垃圾及面源污染導(dǎo)致太子河流域持續(xù)惡化。近10年來，隨著粗放型發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變和水污染防治力度的增強(qiáng)，太子河流域NH3-N濃度呈降低趨勢，水質(zhì)呈轉(zhuǎn)好態(tài)勢。
圖2 太子河GDP總?cè)丝谧兓厔?/p>
4 結(jié)語
從上述分析可以得到如下結(jié)論：人類活動(dòng)是太子河流域水質(zhì)變化的主要影響因素，對(duì)河流NH3-N濃度的總變化量的貢獻(xiàn)量在90%左右，自然因素的貢獻(xiàn)量在10%左右；20世紀(jì)90年代、20世紀(jì)90年代末-21世紀(jì)初、近10年3個(gè)時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)量呈先增大后減小的變化過程；近10年，太子河流域GDP、人口明顯增長的同時(shí)，加大了污染治理力度，污染物入河量有所減少，水質(zhì)呈轉(zhuǎn)好的趨勢。
為確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，首先要加強(qiáng)點(diǎn)源、面源治理，確保廢污水入河量在太子河環(huán)境承載能力范圍內(nèi)，同時(shí)引導(dǎo)太子河流域區(qū)工業(yè)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，大力推廣綠色農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)，做到以資源促發(fā)展，以發(fā)展保環(huán)境。
［1］杜斌，馮金鵬.太子河流域水污染現(xiàn)狀分析［J］.吉林水利，2005（12）.
［2］胥學(xué)鵬，張崢，盧雁.太子河水質(zhì)污染時(shí)空異質(zhì)性分析［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011（05）.
［3］譚徐明.海河流域水環(huán)境的歷史演變及其主要影響因素研究［J］.水利發(fā)展研究，2002（12）.
［4］湯姿，等.大連市耕地變化及人文驅(qū)動(dòng)因子的定量研究［J］.遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004（03）.
［5］周戎星.區(qū)域用水量驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別及其預(yù)測研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)，2014.
［6］葉春，等.大堤型湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)驅(qū)動(dòng)因子——以太湖為例［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2012（12）.
［7］王圃，等.基于用水量驅(qū)動(dòng)因子的水量預(yù)測模型［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（12）.
［8］王國慶，張建云，賀瑞敏.環(huán)境變化對(duì)黃河中游汾河徑流情勢的影響研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006（06）.
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X824
B
1002－0624（2017）07－0038－03
2017-02-20
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