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太子河辽阳段水质时空分布特征研究及水质评价全占东（辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111010）摘 要为探究20142020年汛期和非汛期太子河辽阳段水质现状及时空分布特征，本研究采用综合水质标识指数法对8个断面的溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数等8项水质指标进行分析，该研究为探明太子河辽阳段水质及其时空分布特征提供了科学依据。关键词时空分布；水质评价；综合水质标识指数法；太子河中图分类号 X824文献标识码A文章编号 10020624（2023）030041050 引 言随着社会经济的快速发展，工农业污水、养殖废水和生活污水过度排放，导致河流系统的水质恶化1，2。河流是最容易受到污染的水体之一，因为它们在其广阔的流域中承载着城市和工业废物及农田径流3。东北地区是重要的工业中心之一，也是我国最重要的粮食产区4，5。工农业排放产生的大量污染物造成了严重的环境污染问题，影响了东北地区水系的水质6，7。太子河是辽河流域的主要河流之一，也是辽宁省的工农业生产基地。近年来，太子河流域水质污染问题日趋突出。太子河经重工业城市本溪市流入辽阳市境内，水中本来就含有大量的无机盐、有机物、重金属等污染物，且太子河辽阳段又有许多煤炭开采业、金属矿采选业、化工厂等重污染企业分布在沿岸，周边还有大量居民居住，工农业、生活污水直接进入水体中。太子河作为辽阳市的母亲河，其水环境的治理与保护对辽阳市社会经济发展具有重要意义8。准确评估河流水质污染程度、精准掌握河流水质分布特点是各流域水环境治理与管理的基础工作，对当地水环境安全保障、水资源科学管理等具有重要意义9。2015年 水环境防治行动计划（简称“水十条”）的发布对水体环境提出了严格的要求，明确提出要以改善水环境质量为核心，以水质达标倒逼污染防治10，11。目前，常用的水质评价方法主要有单因子评价法12、主成分分析法13、人工神经网络法14、模糊综合评价法15等。这些水质评价方法对类水的评价结果具有一定的科学合理性，但当水体综合水质达到劣类时，这些评价方法就会出现偏于保守的结果。综合水质标识指数法可以定性评价水质级别，并判别单项水质指标与综合水质结果是否满足水环境功能区划目标16，其原理简单、易于操作，在水质调查和评价中得到了广泛应用。因此，本文根据实测数据从时间和空间两个维度科学客观地选取影响太子河水质的主要污染指标，采用综合水质标识指数法对各个断面的主要水质指标逐月监测数据进行分析，研究太子河辽阳段水质及其时空分布特征。1 材料与方法1.1 研究区域概况太子河总体呈东西走向贯穿辽宁省中部，主要流经辽阳市、鞍山市、本溪市、抚顺市，全长413 km，流域面积13 883 km2。太子河上游为典型的山区型河流，下游为平原区，上游河道比降较大，下游2023年第3期水生态环境东北水利水电 41DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.03.021河道比降较低，流域平均比降为 0.125%17。太子河辽阳段人口密集、植被覆盖率低、地势较缓，地貌以低山丘陵为主，土壤侵蚀严重18。该研究区域主要为温带季风气候，雨热同期，干冷同季，年平均气温为7.5，年平均降水量在700 mm左右。1.2 水质指标的筛选太子河辽阳段主要污染来源有工农业废水、生活污水、畜禽养殖。20142020 年水质逐月监测数据由辽宁省辽阳市水文局提供。此次研究选取太子河辽阳段的侵窝水库、汤河、管桥、辽阳、乌达哈堡、北沙河、小林子、唐马寨等8个断面。按照GB 3838-2002 地表水环境质量标准 中的24项基本指标进行筛选，发现各断面主要污染物为8项：溶 解 氧（DO）、高 锰 酸 盐 指 数、化 学 需 氧 量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、总磷（TP）、总氮（TN）、粪大肠菌群，其他指标经比较均低于检出限，且远低于类水质标准限值。此次评价选择8项检出指标进行水质评价。1.3 研究方法1.3.1 单因子水质标识指数法单因子水质指数Pi由一位整数，小数点后两位或三位有效数字组成，即Pi=X1.X2X3。其中，X1为第i项水质指标的水质类别；X2为监测数据在X1类水质变化区间所处的位置，根据公式按四舍五入的原则计算确定；X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果，视评价指标的污染程度，X3为一位或两位有效数字，具体计算参见文献 19。1）水质优于类水上限值时，GB 3838-2002中只有DO浓度随水质等级的增大而减少，所以水质标识指数非溶解氧指标X2和溶解氧指标X2（DO）按下式计算：X2=i-ik下ik上-ik下10（1）X2()DO=DO，5下-DODO，5下10（2）式中：i为第i项指标的实测质量浓度，ik下iik上；ik上，ik下为第i项水质指标第k类水区间质量浓度的上、下限值，k=X1；DO为溶解氧实测质量浓度；DO，k上，DO，k下为DO在第k类水区间质量浓度的上、下限值。2）当水质指标劣于或等于类水时，水质标识指数按下式来确定：X2=i-i5下i5上10（3）X2()DO=DO，5下-DODO，5下10（4）式中：i5上为第i项指标类水质量浓度上限值；DO，5下为溶解氧类水质量浓度下限值。1.3.2 综合水质标识指数法综合水质标识指数由整数位和三位或四位小数位组成20，即WQI=X1.X2X3X4。其中，X1为河流总体的综合水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间所处的位置；X3为参与综合水质评价的水质指标中劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，视综合水质的污染程度，X4为一位或两位有效数字，X1X4具体计算参见文献 20。综合水质类别评判标准见表1。表1 水质类别评价标准2 结果与分析2.1 主要污染指标的时间分布特征水质指标的年均值并不能完全反映水质的实际情况，非汛期主要污染指标浓度均大于汛期，所以将太子河辽阳段按汛期与非汛期划分来进行此次研究。DO值越大表示水质越好，其他污染指标则是随着数值的增大，水质越差，这主要是由于非汛期降雨量较少，对沿岸工业点源、农田、畜禽养殖和城市生活污水中污染物的稀释作用降低所导致的21，说明降雨形成的径流可以推动污染物的迁移并稀释污染物的浓度22。汛期的DO显著低于非汛期，可能是由于汛期气温较非汛期高，气压较低，且动植物消耗较大，水中营养盐增加，从而导致汛期 DO 浓度较低。非汛期 COD 浓度高于汛期，但是总体来看COD的值基本上都处于类水。BOD5在汛期含量相对较低，整体含量都在类水以内。氨氮的浓度较高，汛期浓度可达到类水标准，但非汛期浓度已经超过了类水。非汛期 TN 和 TP 浓度明显高于汛期，且 TN 浓度远侵艹综合水质标识指数/WQI综合水质类别（1，2类（2，3类（3，4类（4，5类（5，6类劣（6，7 7类，但不黑臭劣类，且黑臭（DO）DODODODODODO（DO）DODODODO东北水利水电水生态环境2023年第3期 42远超过了类水标准，这可能是由于非汛期降雨较少，河流流速较低，河道内水生生物大量衰亡23。粪大肠菌群在汛期要略高于非汛期，可能是由于汛期温度较高，水产动物代谢能力较强，排泄物较多。从时间上来看，20142020年DO含量逐年升高，也表明DO值越来越好；COD含量20142017年逐年升高，20172020年逐年降低；高锰酸盐指数、BOD5、氨氮和 TP 浓度值逐年降低；粪大肠菌群浓度值则逐年升高；TN含量在20142016年逐渐升高，20162020 年逐渐降低。总体来看，20142020 年太子河辽阳段水质情况在逐渐变好，说明近些年政府很重视水体污染方面的问题，治理的也比较有成效。2.2 主要污染指标的空间分布特征从空间上来看，污染物浓度超标最严重的指标是TN（均值超过了类水质标准），且高浓度断面主要分布于北沙河，葠窝水库到北沙河段TN浓度逐渐升高，北沙河下游逐渐降低；其次是氨氮，葠窝水库到乌达哈堡段含量较低，北沙河到唐马寨段情况较差。各断面DO、高锰酸盐指数、COD和BOD5的浓度均能满足类水质标准。TP浓度沿太子河先升高再降低，在管桥到北沙河入太子河河口段浓度较高。各断面的粪大肠菌群也能达到类水质要求。总体来看，上游水质较好，中下游水质较差，汇入支流的水质较差是影像太子河干流水质的主要原因。太子河干流较大的支流有7条，多流经乡镇村落，农村生活污水、化肥农药直排，污水处理厂不达标排放，管网建设不完善等现象比比皆是24，河流水量小且沿河污染物排入量大，造成支流水质较差25。其中，由于北沙河附近有大量工业、农业、生活污水流入河中，导致北沙河入太子河河口水质状况最差；其次，唐马寨的上游有工厂排污口及污水处理厂，导致此断面水质较差。因为葠窝水库的水资源相对于其他断面要更丰富，对污染物存在一定的稀释作用，且上游植被较多，工业、农业和生活污水相对较少，因此，葠窝水库的水质状况最好。2.3 水质评价与分析根据计算得到的各断面水质综合标识指数，研究河段综合水质标识指数在汛期与非汛期基本都达到类水标准。此次研究采用的水质指标中，劣于区域水环境功能目标的指标有氨氮和TN，表明太子河综合水质较好，但北沙河断面综合水质较差。劣于类水的指标为TN，综合水质标识指数平均能达到 7.8，远超类水标准，明显反映出太子河TN含量严重超标。在时间分布上，汛期的综合水质标识指数要略小于非汛期，所以非汛期水质整体较汛期稍差。从太子河辽阳段综合水质标识指数时空变化特征图（图1）可以清晰看出各断面水质情况，在空间分布上，北沙河断面综合水质标识指数最高，可以明显看出该断面水质最差，而葠窝水库断面综合水质标识指数最低。图1 太子河辽阳段综合水质标识指数时空变化特征为进一步明确污染指标与水质之间的响应关系，分别对各污染指标与水质进行了通径分析。太子河辽阳段水质指标相关系数见表2，影响水质主要因子的通径分析见表3。利用SPSS进行通径分析时，排除了变量COD。由表2可知，DO与水质呈负相关，其他因子与水质呈正相关。由于各个因子直接与间接作用的共同贡献，对水质的影响按相关系数依次为氨氮高锰酸盐指数TPBOD5DO粪大肠菌群TN。由表 3 可知，按直接通径系数与决策系数排序依次为氨氮高锰酸盐指数TPBOD5TN粪大肠菌群DO，说明氨氮对水质的相关性最大，直接作用最强，也是主要决策变量，它主要通过高锰酸盐指数与TP间接影响，是影响水质的主要路径。3 结 论1）研究区域20142020年太子河水质可以达到类水标准，整体水质情况较好。此次研究的水质指标中，劣于区域水环境功能目标的指标有氨氮、TN，其中TN浓度严重超标，甚至超过了类水标准。总体来讲，太子河辽阳段水质状况逐侵艹侵艹侵艹侵艹侵艹5643210侵窝水库汤河管桥辽阳乌达哈堡北沙河 小林子 唐马寨汛期非汛期综合水质标识指数侵艹2023年第3期水生态环境东北水利水电 43年变好。2）太子河辽阳段水环境呈弱碱性，由于汛期降水较多，导致河流流速加快，污染物迁移速度也变大，且水量增加会稀释污染物，所以汛期水质情况要好于非汛期。空间上来看，上游水质最好，下游次之，中游最差，尤其北沙河入河口最为严重，汛期和非汛期水质分别为类和类水，超过了水功能区标准。太子河辽阳段主要为点源和面源污染的综合作用，污染源主要是生活污水、工业废水、农业及畜牧养殖业污水，从而导致研究区域内营养盐较高。3）利用综合水质标识指数法进行水质评价，发现太子河辽阳段的综合水质标识指数在汛期与非汛期分别为3.330，3.861，均达到类水标准，综合水质较好，只有TN和氨氮指标超过河段水功能目标。4）通径分析发现，研究的主要污染指标中只有 DO 与水质呈负相关，氨氮对研究区域的水质直接影响最大，而且主要依靠高锰酸盐指数与TN的间接影响，这也是影响水质的主要途径。参 考 文 献1Su S，Li D，Zhang Q，et al.Temporal trend and sourceapportionment of water pollution in different functionalzones of Qiantang River，ChinaJ.Water Research，2011，45（4）：1781-1795.2Zhao Z，Tao F，Du J，et al.Surface water quality and itscontrol in a river with intensive human impacts-A casestudy of the Xiangjiang River，China J.Journal ofEnvironmental Management，2010，91（12）：2483-2490.3Mustapha Adamu，Aris Ahmad Zaharin，Ramli MohammadFiruz，etal.Spatial-temporalvariationofsurfacewaterqualityin the downstream region of the Jakara River，north-westernNigeria：A statistical approach J.Journal of EnvironmentalScience and Health，Part A Toxic/hazardous Substances andEnvironmental Engineering，2012，47（11）：1551-1560.4Lam H，Remais J，Fung M，et al.Food supply and foodsafety issues in China J.The Lancet，2013（6）：2044-2053.5Zhang X，Wang D，Fang F，et al.Food safety and riceproduction in China J.Research of AgriculturalModernization，2005，26：85-88.6Vega M，Pardo R，Barrado E，et al.Assessment of seasonaland polluting effects on the quality of river water byexploratory data analysis J.Water Research，1998，32（12）：3581-3592.7Shao M，Tang X，Zhang Y，et al.City clusters in China：Air and surface water pollution J.Front.Ecol.Environ，2006，4（7）：353-361.8李锦鹏.太子河流域径流量变化驱动因子分析 J.水利技术监督，2019（6）：171-174.9林涛，尹静，张博，等.改进综合水质标识指数法在珠江口水系水质评价中的应用 J.水资源保护，2022（4）：1-11.10张晓婕，卢仁杰，张健，等.阳澄湖水质总氮浓度时空变化特征及影响因子分析 J.环境污染与防治，2022，44（3）：374-380.11田颖，郭婧，梁云平，等.北京市河流氨氮浓度时空演变特征分析 J.中国环境监测，2020，36（1）：75-81.12王欢欢，白洁，刘世存，等.白洋淀近30年水质时空变化特征 J.农业环境科学学报，2020，39（5）：1051-1059.13杨荣金，王逸卓，李秀红，等.官厅水库水质评价及时空变化特征 J.水资源保护，2021，37（6）：135-141.14岳丹丹，梁海涛，王天慧，等.BP人工神经网络模型在西鞍山铁矿地下水水质评价中的应用 J.环境监测管理与技术，2016，28（4）：23-26.15董春燕，周运涛，李君轶，等.基于模糊综合评价的长江中游水质分析 J.淡水渔业，2021，51（2）：55-62.表2 太子河辽阳段水质指标的相关系数水质DO高锰酸盐指数COD五日生化需氧量氨氮TPTN粪大肠菌群水质1.00-0.760.980.980.940.990.960.680.73DO1.00-0.76-0.80-0.80-0.78-0.69-0.48-0.36高锰酸盐指数1.000.980.960.970.930.650.71COD1.000.960.980.970.730.68BOD51.000.930.870.680.70氨氮1.000.960.740.65TP1.000.790.60TN1.000.21大肠菌群1.00表3 主要污染指标对水质的通径分析因子a1a2a3a4a5a6a7直接通径系数0.03-0.260.220.890.23-0.150.09间接通径系数a1-0.02-0.03-0.03-0.02-0.02-0.01a20.20-0.25-0.25-0.24-0.17-0.18a3-0.180.21-0.210.190.150.16a4-0.690.860.83-0.860.660.58a5-0.160.220.200.23-0.180.14a60.07-0.10-0.10-0.11-0.12-0.03a7-0.030.060.060.060.050.02-0.801.230.720.100.720.830.65决策系数-0.05-0.570.370.970.39-0.230.12注：a1为 DO；a2为高锰酸盐指数；a3为 BOD5；a4为氨氮；a5为TP；a6为TN；a7为粪大肠菌群东北水利水电水生态环境2023年第3期 4416林涛，徐盼盼，钱会，等.黄河宁夏段水质评价及其污染源分析 J.环境化学，2017，36（6）：1388-1396.17王超.基于改进Froude数的太子河流域河相形态分析J.水利技术监督，2022（3）：122-125.18李选或.辽阳市太子河流域地下水水质评价 J.水土保持应用技术，2021（2）：44-46.19徐祖信.我国河流单因子水质标识指数评价方法研究J.同济大学学报（自然科学版），2005（3）：321-325.20徐祖信.我国河流综合水质标识指数评价方法研究J.同济大学学报（自然科学版），2005（4）：482-488.21张敏，李令军，赵文慧，等.密云水库上游河流水质空间异质性及其成因分析 J.环境科学学报，2019，39（6）：1852-1859.22连慧姝，刘宏斌，李旭东，等.太湖蠡河小流域水质的空间变化特征及污染物源解析 J.环境科学，2017，38（9）：3657-3665.23赵振华，阮晓红，邢雅囡，等.城市重污染河道水质及底栖附泥藻类生态特征 J.环境科学，2009，30（12）：3579-3584.24沈拥，何丽莉.太子河流域辽阳段河流水质污染状况分析 J.环境保护科学，2009，35（3）：20-22.25杨明珍.辽宁省太子河水质现状及影响因素研究 J.环境保护与循环经济，2022，42（2）：60-62.基金项目 国家自然科学基金项目（52009078）收稿日期 2022-11-29所增加，但研究区年降水量在研究时域内呈弱减少、局部波动频繁的趋势，所以预计该区域未来降水将总体趋于偏少。因此，建议加大对黑龙江、乌苏里江过境水量的利用，加快建设引水工程，减少因降水不足及过度开采地下水对生态的破坏；加大节水型灌溉方式的投入力度，优化水资源的利用结构，维护农业经济稳定，提高经济收入；调整作物种植结构，适当减少耗水量大的水稻种植面积，确保三江平原粮食产量，做好国家粮食安全的压舱石。参 考 文 献1陆向勤.三江平原松花江-挠力河流域地下水可持续开发利用方案分析 D.长春：吉林大学，2020.2束龙仓，王哲，袁亚杰，张凤海，刘武，鲁程鹏.近40年三江平原典型区土地利用变化及其对地下水的影响 J.水利学报，2021，52（8）：896-906.3邢贞相，张涵，纪毅，付强，李衡，宫兴龙.三江平原典型灌区近58年降水量及其丰枯特征分析 J.沈阳农业大学学报，2018，49（5）：513-5214王洪丽.三江平原多年降水演变分析 J.水利科学与寒区工程，2021，4（2）：168-1745李天霄，付强，孟凡香，崔嵩.三江平原年降水量19592013年演变趋势及突变分析 J.中国农村水利水电，2016（9）：201-204.6国世友.三江平原夏季旱涝变化特征 J.黑龙江农业科学，2021（1）：22-25.7郭玉琢，张伟.基于M-K法的绥芬河流域延边州境内径流变化趋势分析 J.吉林水利，2014（3）：39-42.8梁彩铭.基于小波变换的三江平原旬降水量主周期识别 J.水利科技与经济，2016，22（6）：95-98.9金钊，范伟.基于小波分析的华北地区近61年降水变化特征 J.安徽农业科学，2019，47（10）：197-199.10张欣欣.基于小波分析的吉林西部平原区降雨演变周期分析 J.黑龙江水利科技，2022（1）：28-33.图7 研究区降水量45年特征时间尺度小波实部过程线图收稿日期 2022-11-09（上接第34页）图8 研究区月降水量变化曲线图2003001000-100-20070小波系数605040302010时间尺度/a-3001001206040200月份降水量/mm801121110987654322023年第3期水生态环境东北水利水电 45Water Resources&Hydropower of NortheastNo.3 2023（Total No.464）Study on temporal-spatial distribution characteristics of water qualityand water quality evaluation in Liaoyang Section of Taizihe RiverQUAN Zhan-dongAbstractIn order to explore the current situation and temporal and spatial distribution characteristics of water quality in LiaoyangsectionofTaiziRiverduringfloodandnon-floodseasonsfrom 2014to2020,thisstudyadoptedcomprehensivewaterqualityidentificationindex method to analyze 8 water quality indexes including dissolved oxygen(DO),chemical oxygen demand(COD)and permanganateindex in 8 sections.This study provides a scientific basis for understanding water quality and its temporal and spatial distribution inLiaoyang section of Taizi River.Key wordstemporal-spatial distribution；water quality evaluation；comprehensive water quality identification index method；Taizihe RiverStudy on bending-yield resistance of inverted siphon steelpipe during constructionSHI Zhen-quan，LI Xing-jiang，XU LinAbstractBased on Guanyinshan inverted siphon project of Central Yunnan Water Diversion Project,a three-dimensional finiteelement model of inverted siphon steel pipe is established by using ANSYS finite element software to simulate the bending-yieldresistance of inverted siphon steel pipe with different pipe lengths and wall thickness under external pressure load during construction.The results show that the bending-yield modes are mainly four peaks,two peaks and strip shapes,and the length of the pipe remainsunchanged.The greater the wall thickness,the greater the bending-yield load.The research results can provide reference for the designand construction of inverted siphon and similar engineering practice.Key wordsinverted siphon；during construction；finite element analysis；ANSYS；bending-yield loadExperimental study on hydraulic concrete mixed with tuff powderin northern cold regionSUN KaiAbstractIn this paper,combined with the test and detection data of hydropower engineering in cold areas,from the perspectivesof concrete thermodynamics,physics,mix ratio,physical and chemical properties,etc.,the paper proposes that tuff powder can replaceall or part of fly ash for hydraulic concrete in cold areas in north China,and puts forward the corresponding technical requirementscombined with the current norms,which can provide data reference for effectively solving the problem of fly ash replacement.Key wordsnorthern cold region；concrete；mix ratio；tuff powderStudy on numerical simulation of water flow characteristics andtreatment scheme in hub section of canal head in ShuangshanIrrigation DistrictLI Qi，YU Hong-li，JIANG Xue-binAbstractIn order to effectively solve the safety risks caused by severe flood damage to the canal head junction of ShuangshanIrrigation District due to the tail-water river protection project,this paper establishes a planar two-dimensional hydrodynamic model,simulates the flow characteristics of the canal head section,focuses on the analysis of adverse flow conditions threatening the safety ofthe hub,and puts forward a project treatment scheme combining the secondary hydrostatic pool and the fall water.The results showthat the treatment scheme can effectively improve the flow condition of the tailwater channel of the junction,and the research resultscan provide technical support for the safety treatment of the canal head junction in Shuangshan Irrigation District.Key wordsShuangshan Irrigation District；canal head junction；numerical simulation；treatment 72