遼河汛期水質(zhì)水量相關(guān)性分析

張家權(quán)

（遼寧省防汛抗旱指揮部，遼寧 沈陽 110005）

0 引言

水資源是一個“質(zhì)”與“量”的函數(shù)，水資源的豐富與否同時取決于水量和水質(zhì)兩個方面[1]。在一次流域降雨形成的洪水過程中，水質(zhì)水量都會發(fā)生變化。通過分析汛期中水質(zhì)水量的變化特征和規(guī)律，進一步從宏觀上分析污染物來源，為打好河流污染防治攻堅戰(zhàn)提供一些依據(jù)和參考。水量短缺、生態(tài)環(huán)境惡化的水體修復(fù)、水資源綜合規(guī)劃、配置管理等研究問題迫切需要建立一套水量和水質(zhì)聯(lián)合評價體系。水質(zhì)水量相結(jié)合的研究越來越受到國際上的重視我國在這方面的工作也正全面展開［1－2］。為此，我們連續(xù)監(jiān)測了遼河流域沈陽段4個水質(zhì)監(jiān)測7 月～9 月水質(zhì)變化，主要監(jiān)測項目為氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮共計4 個指標，并對水質(zhì)水量監(jiān)測資料進行相關(guān)性分析。

1 監(jiān)測范圍

根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL 219-2013）中監(jiān)測斷面布設(shè)原則，結(jié)合跨流域、跨行政區(qū)域特點，以及水利部要求設(shè)立國家重點水質(zhì)站名錄內(nèi)站點122 處，其中位于遼河的重要水質(zhì)站點有4 個，見表1。

表1 遼河流域沈陽市全國重要水質(zhì)站

2 評價參數(shù)、方法及分類標準

2.1 水質(zhì)評價標準和方法

按照地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838-2002）的Ⅲ類標準，評價方法采用單因子法，評價因子取值根據(jù)水資源特征按年平均值、汛期、非汛期平均值分別進行統(tǒng)計計算，用每個評價因子各水期平均值與評價標準比較，確定各個評價因子的水質(zhì)類別和計算超標倍數(shù)，其中最高類別為斷面綜合水質(zhì)類別。

2.2 水質(zhì)參數(shù)與流量相關(guān)性分析方法

通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和總氮四項指標與河流流量之間的相關(guān)性。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearsoncorrelationcoefficient），又稱皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)（Pearson product-momentcorrelation coefficient，簡稱PPMCC 或PCCs），是用于度量兩個變量X 和Y 之間的相關(guān)性（線性相關(guān)），其值介于-1與1 之間。計算公式：

式中：Cov(X,Y)為X與Y 的協(xié)方差；Var[X]為X 的方差；Var[Y]為Y 的方差。

在皮爾遜相關(guān)性檢驗中相關(guān)系數(shù)r（X,Y）越接近于0，表明變量之間沒有線性相關(guān)性；當相關(guān)系數(shù)r（X,Y）越接近于1，表明變量之間有線性相關(guān)性。線性相關(guān)性的方向通過相關(guān)系數(shù)的符號來表示，“+”表示正相關(guān)，“-”號表示負相關(guān)。

相關(guān)系數(shù)分類如下：0.8～1.0 為極強相關(guān)；0.6～0.8 為強相關(guān)；0.4～0.6 為中等程度相關(guān)；0.2～0.4 為弱相關(guān)；0～0.2 為極弱相關(guān)或無相關(guān)。

3 評價結(jié)果

3.1 水質(zhì)類別評價結(jié)果

根據(jù)評價結(jié)果顯示，2019年流經(jīng)沈陽市的遼河段上四個監(jiān)測斷面，遼中、馬虎山、平安堡和毓寶臺全年期水質(zhì)類別，汛期水質(zhì)類別以及非汛期水質(zhì)類比均達到Ⅲ類水要求，無超標項目。

表2 遼河沈陽市遼河水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)類別

3.2 水質(zhì)參數(shù)隨流量變化分析

使用SPSS 數(shù)據(jù)分析軟件，通過皮爾遜相關(guān)性檢驗得到了遼河沈陽段流量與高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮和總磷的相關(guān)性見表3。

表3 沈陽市遼河水質(zhì)監(jiān)測斷面污染指標與流量相關(guān)系數(shù)表

通過分析可知，流經(jīng)沈陽市的遼河段上的4 個監(jiān)測斷面：總氮與流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.702～0.809，有強相關(guān)性；高錳酸鹽指數(shù)與流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.247～0.461，其中平安堡屬于負的弱相關(guān)性，毓寶臺與馬虎山監(jiān)測斷面屬于極弱相關(guān)或無相關(guān)性，遼中監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)與流量具有中等相關(guān)性；氨氮參數(shù)與流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.497～-0.209，屬于負相關(guān)性，其中毓寶臺監(jiān)測斷面為-0.497 屬于負的中等程度相關(guān)性，其他監(jiān)測斷面數(shù)負的弱相關(guān)性；總磷參數(shù)與流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.153～0.19，屬于極弱相關(guān)或無相關(guān)性。

3.2.1 馬虎山監(jiān)測斷面

馬虎山水質(zhì)監(jiān)測斷面汛期流量在1.4 m3/s～1530 m3/s,高錳酸鹽指數(shù)3.1 mg/L～7.9 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)指標與流量的相關(guān)系數(shù)0.131 屬于弱相關(guān)或無相關(guān)；氨氮含量0.08 mg/L～3.18 mg/L，氨氮指標與流量的相關(guān)系數(shù)-0.209 屬于負的弱相關(guān)；總氮0.56 mg/L～8.06 mg/L，隨著流量的迅速增大，總氮數(shù)值也明顯的增大，其與流量的相關(guān)系數(shù)0.702 屬于強相關(guān)；總磷0.01 mg/L～0.31 mg/L，總磷與流量的相關(guān)系數(shù)-0.056 屬于負的弱相關(guān)或無相關(guān)，在整個汛期過程中基本穩(wěn)定，說明總磷主要是點源污染，各種指標監(jiān)測結(jié)果見圖1。

圖1 馬虎山監(jiān)測斷面污染物指標隨流量變化圖

3.2.2 平安堡水質(zhì)監(jiān)測斷面

平安堡水質(zhì)監(jiān)測斷面汛期流量在4.6 m3/s～1280 m3/s,高錳酸鹽指數(shù)4.0 mg/L～7.2 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)指標與流量的相關(guān)系數(shù)-0.247，屬于負的弱相關(guān)，從圖2 可以看出當流量較低時高錳酸鹽指較高，當流量增加時，高錳酸鹽指數(shù)數(shù)值反而增加；氨氮含量0.08 mg/L～2.50 mg/L，氨氮指標與流量的相關(guān)系數(shù)-0.357 屬于負的弱相關(guān)；總氮0.77 mg/L～8.35 mg/L，總氮指標與流量的相關(guān)系數(shù)0.756 屬于強相關(guān)，數(shù)值變化與流量有一定的相關(guān)性，隨著流量的迅速增大，總氮數(shù)值也明顯的增大，當流量降低時總氮數(shù)值也隨之下降；總磷0.06 mg/L～0.25 mg/L，總磷指標與流量的相關(guān)系數(shù)0.19 屬于弱相關(guān)，總磷指標數(shù)值在整個汛期過程中基本穩(wěn)定，說明總磷主要是點源污染。各種指標監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 平安堡水質(zhì)監(jiān)測斷面污染物指標隨流量變化圖

3.2.3 毓寶臺水質(zhì)監(jiān)測斷面

毓寶臺監(jiān)測斷面汛期流量在2.6 m3/s～1270 m3/s,流量呈現(xiàn)出先平緩后突然增大再平緩減小的變化趨勢；高錳酸鹽指數(shù)3.6 mg/L～7.1 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)指標與流量的相關(guān)系數(shù)-0.191，屬于負的弱相關(guān)或無相關(guān)，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)波動性變化，高錳酸鹽指數(shù)變化隨流量變化不明顯；氨氮含量0.06 mg/L～1.73 mg/L，氨氮指標與流量的相關(guān)系數(shù)-0.497，屬于負的中等程度相關(guān)；總氮0.57 mg/L～8.76 mg/L 總氮隨著流量的增加數(shù)值也變大，當流量降低時，總氮數(shù)值也相應(yīng)減小，高總氮指標與流量的相關(guān)系數(shù)0.778，屬于強相關(guān)，總磷0.06 mg/L～0.29 mg/L，總磷指標與流量的相關(guān)系數(shù)-0.153，屬于負的弱相關(guān)或無相關(guān)，在整個汛期過程中基本穩(wěn)定，說明總磷主要是點源污染。各種指標監(jiān)測結(jié)果見圖3。

圖3 毓寶臺水質(zhì)監(jiān)測斷面污染物指標隨流量變化圖

3.2.4 遼中水文站

遼中水質(zhì)監(jiān)測斷面汛期流量在3.6 m3/s～1290 m3/s,高錳酸鹽指數(shù)3.8 mg/L～8.1 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)在流量最后一次從580 m3/s 迅速增加到1290 m3/s 時，高錳酸鹽指數(shù)也明顯升高，高錳酸鹽指數(shù)指標與流量的相關(guān)系數(shù)0.461 屬于中等程度相關(guān)；氨氮含量0.05 mg/L～1.44 mg/L，氨氮指數(shù)指標與流量的相關(guān)系數(shù)-0.384 屬于負的弱相關(guān)，因此當流量增加時或減少時，氨氮含量沒有明顯的變化，說明氨氮可能是點源污染，總氮0.772 mg/L～7.13 mg/L，總氮指標與流量的相關(guān)系數(shù)0.809 屬于極強相關(guān)；總磷0.02 mg/L～0.44 mg/L，總磷指標與流量的相關(guān)系數(shù)0.006 屬于極弱或無相關(guān)，在整個汛期過程中基本不隨流量，說明總磷可能是點源污染，各種指標監(jiān)測結(jié)果見圖4。

圖4 遼中水質(zhì)監(jiān)測斷面污染物指標隨流量變化圖

4 結(jié)論

通過分析可以得出以下結(jié)論，流經(jīng)沈陽市的遼河段中，總氮含量會水質(zhì)流量的增大而增加，隨著流量的減小二降低，總氮與流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.702～0.809，有強相關(guān)性，說明污染物含量主要受城鎮(zhèn)面源污染影響；氨氮含量在水量小的時候大，在水量大的時候小與流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.497～-0.209，屬于負相關(guān)性，其中毓寶臺監(jiān)測斷面為-0.497 屬于負的中等程度相關(guān)性，其他監(jiān)測斷面數(shù)負的弱相關(guān)性，說明污染物含量可能受點源影響；高錳酸鹽指數(shù)與流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.247～0.461，其中平安堡屬于負的弱相關(guān)性，毓寶臺與馬虎山監(jiān)測斷面屬于極弱相關(guān)或無相關(guān)性，遼中監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)與流量具有中等相關(guān)性；總磷參數(shù)與流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.153～0.19，屬于極弱相關(guān)或無相關(guān)性。

在汛期時，由于降雨徑流的沖刷和淋溶作用，將地表和沉積在下水管網(wǎng)中的污染物帶入納污水體，造成水體污染物的含量增加。隨著起漲階段的水量增大、流速增快，河底的沉積物也被沖刷而起，致使總氮等面源污染物的含量都隨著流量的增大而增大，而氨氮等點源污染物的含量則隨著流量的增大而減小[3]。待到洪峰階段，污染物受到洪水的稀釋降解作用，比起漲階段的含量小。隨后的退水階段，水量逐漸減小、流量變緩，監(jiān)測斷面上游的污染物大多已被沖刷至下游，泥沙吸附著污染物逐漸沉降，造成面源污染物的含量逐漸減小[4]，點源污染物的含量逐漸增大。但接近起漲流量時，沉積物并未完全沉降到起漲階段的狀態(tài)，故造成面源污染物含量比起漲階段大。