太湖流域(江蘇省)水質(zhì)污染空間特征*

胡開(kāi)明，李 冰，王 水，周家艷，田 穎

(1:江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，南京 210036)

(2:江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210036)

近十多年來(lái)隨著太湖流域工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、農(nóng)村城市化進(jìn)程的加快推進(jìn)，區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)污染程度嚴(yán)重，水生態(tài)問(wèn)題日益凸現(xiàn).“十一五”期間，通過(guò)實(shí)施“流域水污染防治專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃”、“國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)”等項(xiàng)目，加大了水污染治理投資，使得流域水污染防治工作取得了積極進(jìn)展，水質(zhì)總體呈改善趨勢(shì)，但由于社會(huì)發(fā)展引起的諸多因素，使得水環(huán)境污染的格局難以在短期內(nèi)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變.“十二五”期間，太湖流域總體上仍處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的階段，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)粗放的狀況仍將存在，環(huán)境壓力繼續(xù)加大.由于湖泊圍墾等因素導(dǎo)致湖區(qū)面積不斷減小，天然濕地逐漸消失，天然植被覆蓋面積大量萎縮，水生態(tài)系統(tǒng)不斷退化，流域水環(huán)境問(wèn)題日益加劇，制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.因此全面認(rèn)識(shí)太湖流域水質(zhì)現(xiàn)狀及污染空間特征對(duì)水環(huán)境保護(hù)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義.

目前，常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要包括指數(shù)法[1]、層次分析法[2]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]、灰色評(píng)價(jià)法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]等.由于水質(zhì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，水環(huán)境質(zhì)量受到諸多因素的影響，使得以上方法在進(jìn)行水質(zhì)分析時(shí)具有一定的局限性.主成分分析法與前述方法有著不同的原理和特性，可以將眾多指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)綜合指標(biāo)，最大程度地避免信息的丟失，提高分析結(jié)果的可靠性，在實(shí)際應(yīng)用中可以獲得很好的效果.

本文通過(guò)對(duì)2012年江蘇省太湖流域的全面水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，從流域水質(zhì)空間變化特征入手，結(jié)合流域污染情況，利用主成分分析法探討水質(zhì)的空間差異以及引起差異的可能原因，找出影響流域水環(huán)境的主要驅(qū)動(dòng)因子，以期為江蘇省太湖流域水環(huán)境保護(hù)和水污染防治提供科學(xué)參考.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

太湖流域地跨江蘇、浙江、安徽、上海三省一市，是長(zhǎng)江三角洲的核心區(qū)域，總面積3.69×104km2.江蘇省太湖流域包括太湖湖體、蘇州市、無(wú)錫市、常州市和丹陽(yáng)市的全部行政區(qū)域，以及句容市、高淳區(qū)、溧水區(qū)行政區(qū)域內(nèi)對(duì)太湖水質(zhì)有影響的河流、湖泊、水庫(kù)、渠道等水體所在區(qū)域，總面積約1.94×104km2，占太湖全流域的52.6%，其中陸地面積約為1.37×104km2，水面面積為0.57×104km2.全流域地勢(shì)平坦低洼，西南高，東北低，地形以平原水網(wǎng)為主，少量低山丘陵分布于流域西部，流域內(nèi)水網(wǎng)交錯(cuò)，湖泊眾多，水流流速緩慢[6].從太湖主要出入湖河道近年來(lái)水質(zhì)變化狀況分析，太湖流域水質(zhì)已逐年改善并逐步趨于穩(wěn)定，太湖綜合治理的效果正逐步顯現(xiàn)，但北部和西部入湖河流的污染問(wèn)題依然嚴(yán)峻[7-9].

1.2 樣品采集與測(cè)定

圖1 太湖流域(江蘇省)水生態(tài)功能三級(jí)分區(qū)及采樣點(diǎn)分布Fig.1 LevelⅢaquatic ecological function regionalizations and sampling sites in Lake Taihu basin，Jiangsu Province

為了對(duì)江蘇省太湖流域水質(zhì)空間分布變化特征進(jìn)行研究，在研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)87 個(gè)采樣點(diǎn)，基本覆蓋全流域(圖1)，其中太湖湖體20 個(gè)，流域范圍67 個(gè)，各點(diǎn)位所處河道或湖區(qū)情況具體見(jiàn)表1.于2012年11月5-19日，對(duì)全部點(diǎn)位進(jìn)行采樣，調(diào)查的水環(huán)境指標(biāo)包括五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、硝酸鹽(NO3-)、亞硝酸鹽(NO2-)、磷酸鹽()、可溶性有機(jī)碳(DOC)、總有機(jī)碳(TOC)、懸浮物(SS)、總硬度(TH)、總堿度(TA)、碳酸鹽()、重碳酸鹽()、硫酸鹽()、氯化物(Cl-)、鈉(Na+)、鈣(Ca2+)、鉀(K+)、鎂(Mg2+)、鎘(Cd2+)、鉻(Cr6+)、銅(Cu2+)、汞(Hg2+)、鉛(Pb2+)、鋅(Zn2+)和砷(As3+).各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定方法見(jiàn)《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[10].采樣期間，天氣晴朗，沒(méi)有降雨.水樣采用有機(jī)玻璃采水器在水面下50 cm 處采集，所有水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后存于4℃冰箱，在48 h 內(nèi)分析測(cè)試完畢.

表1 各采樣點(diǎn)位所在河道或湖區(qū)位置Tab.1 Location of sampling sites

1.3 分析方法

本文采用主成分分析方法，在保證數(shù)據(jù)信息損失最小的前提下，經(jīng)線性變換舍棄一小部分信息，以少數(shù)的綜合變量取代原始采用的多維變量[11].在此基礎(chǔ)上，將提取出的主成分因子的得分與其對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分因子總的特征值之和的權(quán)重相乘，而后求和得到綜合評(píng)分，然后取水質(zhì)綜合得分來(lái)分析流域的水質(zhì)狀況.具體分析步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[12-13].

2 結(jié)果與討論

2.1 流域

2.1.1 水質(zhì)主成分分析 根據(jù)太湖流域水生態(tài)功能分區(qū)[14]，太湖流域21 個(gè)三級(jí)水生態(tài)功能區(qū)中，除湖體外江蘇境內(nèi)的有Ⅲ111、Ⅲ112、Ⅲ113、Ⅲ211、Ⅲ212、Ⅲ213、Ⅲ231、Ⅲ232 和Ⅲ233，共 9 個(gè)，具體分區(qū)見(jiàn)圖 1.

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化處理后各行數(shù)據(jù)平均值等于0，標(biāo)準(zhǔn)差等于1.利用SPSS 20.0 軟件分別對(duì)28 個(gè)水環(huán)境指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)和特征值進(jìn)行分析，并根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率確定主成分個(gè)數(shù).主成分個(gè)數(shù)提取原則有3 個(gè):①只取λ ＞1 的特征根對(duì)應(yīng)的主成分;②累計(jì)百分比達(dá)到80%～85%以上的λ 值對(duì)應(yīng)的主成分;③根據(jù)特征根變化的突變點(diǎn)決定主成分的數(shù)量[15].為了使具有較大因子載荷量的變量個(gè)數(shù)減到最低限度，采用方差最大的正交旋轉(zhuǎn)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的因子重新分配各個(gè)因子的原始變量的方差，使得因子的方差更接近，也更易于解釋.分析結(jié)果見(jiàn)圖2 和表2，圖2 反映了所有因子特征值信息，按照主成分分析因子選取原則，選取前5 個(gè)因子作為主成分因子，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到88.908%(表2)，能夠代表整體因子的情況.

選取前三個(gè)主成分的分值來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析，經(jīng)最大方差旋轉(zhuǎn)后，第一主成分(F1)的方差貢獻(xiàn)率為26.249%，其中TH、Ca2+、NH3-N、Mg2+、TP、TN、As3+和所占的因子載荷較大，可以代表水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀況;第二主成分(F2)的方差貢獻(xiàn)率為 19.222%，其中 Hg2+、Cr6+、NO3-、SS 和Cd2+所占的載荷較大，說(shuō)明第二主成分主要反映水體重金屬水平;第三主成分(F3)的方差貢獻(xiàn)率為15.582%，與第三主成分有關(guān)聯(lián)的主要是K+、DOC、TOC和Na+，主要代表水體有機(jī)污染狀況及農(nóng)業(yè)面源污染情況，各分區(qū)主成分得分及綜合得分具體見(jiàn)表3.

圖2 碎石圖Fig.2 Gravel map

由表3 可以看出，2012年江蘇省太湖流域各三級(jí)分區(qū)的水質(zhì)污染程度排序?yàn)?Ⅲ213 ＞Ⅲ233 ＞Ⅲ211 ＞Ⅲ112 ＞Ⅲ212 ＞Ⅲ111 ＞Ⅲ232 ＞Ⅲ231 ＞Ⅲ113，各分區(qū)綜合得分分布見(jiàn)圖3.

從第一主成分F1 得分的排名來(lái)看，排在前三位的是Ⅲ111、Ⅲ112 和Ⅲ233，說(shuō)明這3 個(gè)分區(qū)水質(zhì)因子NH3-N、TP 和TN 等營(yíng)養(yǎng)鹽含量相對(duì)較高;第二主成分F2 得分列前三位的分別是Ⅲ213、Ⅲ211 和Ⅲ232，說(shuō)明Hg2+等重金屬污染是這些分區(qū)的主要問(wèn)題;Ⅲ233、Ⅲ231 和Ⅲ213 在第三主成分F3 上的得分較高，反映這3 個(gè)區(qū)域受有機(jī)污染影響相對(duì)較大.

表2 太湖流域各分區(qū)方差分解主成分提取分析Tab.2 Principal component extraction analysis of variance decomposition in each region in the Lake Taihu basin

表3 太湖流域各分區(qū)主成分得分及綜合得分Tab.3 Principal component scores and composite scores in each region in the Lake Taihu basin

圖3 太湖流域(江蘇省)水生態(tài)功能三級(jí)分區(qū)得分分布Fig.3 Distribution of composite scores in each region of the Lake Taihu basin，Jiangsu Province

2.1.2 水質(zhì)污染空間分布特征 從水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，主成分分析結(jié)果較真實(shí)地反映了實(shí)際情況.在第一主成分F1 上得分較高的Ⅲ111、Ⅲ112 和Ⅲ233 區(qū)域里所設(shè)的4、5 和11 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，分別有3、4 和8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TN 超標(biāo)都很?chē)?yán)重，超標(biāo)1.13 ～8.80 倍，位于Ⅲ233 區(qū)的測(cè)點(diǎn)81，其TP 超標(biāo)達(dá)9.00 倍;主要受第二主成分F2 影響的各分區(qū)中的Ⅲ213 和Ⅲ232 區(qū)域，監(jiān)測(cè)點(diǎn)53 的 Hg2+超標(biāo)3.40 倍，監(jiān)測(cè)點(diǎn)54 的 Cd2+、Hg2+分別超標(biāo)0.20 倍和1.80 倍，監(jiān)測(cè)點(diǎn)42 和72 的Hg2+分別超標(biāo)1.00 倍和0.40 倍.

由此看出，江蘇省太湖流域9 個(gè)三級(jí)水生態(tài)功能區(qū)中，常規(guī)化學(xué)污染物主要為T(mén)N，重金屬污染物則主要是Hg2+，這也與主成分分析得出的富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)占優(yōu)，其次為重金屬指標(biāo)的結(jié)論較吻合.徐前榮[16]統(tǒng)計(jì)得知，太湖流域TN 自濃度最高的1996年開(kāi)始到2001年，基本處于下降狀態(tài)，2001年濃度最低，且接近Ⅴ類(lèi)地表水標(biāo)準(zhǔn)，而2001年以后，太湖湖體TN 濃度逐年上升.監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)[17]河流TN 濃度均值遠(yuǎn)高于湖泊Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)氮污染是環(huán)太湖河流的主要污染特征，環(huán)太湖河流總氮年均入湖量為3.70×104t[18]，控制入湖河流中氮負(fù)荷的輸入仍然是太湖治理的重點(diǎn).流域受農(nóng)業(yè)與工業(yè)污染的雙重影響，從污染源類(lèi)型分布來(lái)看，北部工業(yè)污染突出，排污量居流域之首，西部化工業(yè)污染貢獻(xiàn)較大，小化工、印染、造紙業(yè)是污染貢獻(xiàn)最大的三大產(chǎn)業(yè);流域種植業(yè)發(fā)達(dá)，面源污染負(fù)荷重，據(jù)統(tǒng)計(jì)太湖流域各類(lèi)化肥中氮肥所占比例最大[19]，且每畝耕地平均化肥施用量約為40 kg，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平0.0277 kg/m2[16]，而作物吸收的氮不到40%[20]，雖然截止到2011年江蘇省太湖地區(qū)氮肥的施用量比2005年降低了18%左右[21]，但仍有很大削減空間.環(huán)太湖河道水質(zhì)差異的一般規(guī)律為:除望虞河水質(zhì)好于或接近于出湖河道太浦河水質(zhì)外，其它入湖河道的水質(zhì)較差，而出湖河道的水質(zhì)較好.太湖下游水質(zhì)優(yōu)于上游水質(zhì)，太湖的稀釋擴(kuò)散作用極為明顯.大城市河道的水質(zhì)要好于鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村的一些小河道.河網(wǎng)污染與鄉(xiāng)鎮(zhèn)治污控制力度有直接關(guān)系，鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)較發(fā)達(dá)的錫西、武東地區(qū)目前處于嚴(yán)重污染時(shí)期[19]，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量空間特征大體表現(xiàn)為北高南低、西高東低的趨勢(shì)，這與流域內(nèi)水流走向一致，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)以湖體為中心，水環(huán)境質(zhì)量基本上由流域周界向湖體逐漸變好，說(shuō)明以湖體輻射流域的環(huán)太湖水體保護(hù)及污染治理工作取得了一定的成效，但改善水環(huán)境的任務(wù)依然艱巨.

2.2 湖體

2.2.1 水質(zhì)主成分分析 對(duì)太湖湖體用同樣的方法進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，前5 個(gè)主成分因子的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了94.410%(表4).經(jīng)最大方差旋轉(zhuǎn)后，第一主成分(F1)的方差貢獻(xiàn)率占到了39.671%，遠(yuǎn)大于其他主成分，其中TN 所占的因子載荷最大，第二主成分(F2)的方差貢獻(xiàn)率為17.467%，其中Hg2+所占的載荷超過(guò)其他因子，呼應(yīng)流域水質(zhì)分析的結(jié)果，反映了流域外源輸入是導(dǎo)致湖體水質(zhì)污染的主要原因之一.

2012年太湖湖體各湖區(qū)的水質(zhì)污染程度排序?yàn)?竺山灣＞梅梁灣＞貢湖灣＞西部沿岸區(qū)＞五里湖＞東部沿岸區(qū)＞湖心區(qū)＞東太湖＞南部沿岸區(qū).其中竺山灣、梅梁灣、五里湖以及西部沿岸區(qū)仍然是湖體中氮、磷污染較嚴(yán)重的區(qū)域(表5).

表4 太湖湖體方差分解主成分提取分析Tab.4 Principal component extraction analysis of variance decomposition in Lake Taihu

表5 太湖湖體主成分得分及綜合得分Tab.5 Principal component scores and composite scores in Lake Taihu

2.2.2 水質(zhì)污染空間分布特征 從水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，竺山灣TN 超標(biāo)最顯著，平均超標(biāo)3.14 倍，TP 平均超標(biāo)1.60 倍，TP 超標(biāo)居首的是西部沿岸區(qū)，平均超標(biāo)2.60 倍.值得注意的是，苕溪和太浦河兩條太湖主要出湖河流與太湖交界河口附近的湖區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo).對(duì)于重金屬指標(biāo)而言，湖體中竺山灣、梅梁灣以及貢湖灣3 個(gè)灣口與湖心區(qū)交匯處重金屬Hg2+超標(biāo)非常嚴(yán)重，超標(biāo)倍數(shù)在5.40 ～29.80 之間.

太湖流域氮、磷污染占的比重大，方差貢獻(xiàn)率最大，總體上屬于面源污染類(lèi)型，來(lái)源主要是流域陸上農(nóng)村生活污染和農(nóng)業(yè)面源污染排放[22].湖體營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)最高的是西北部湖灣，東太湖的營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)較小，為全湖最低水平，呈現(xiàn)自北向南、自西向東以高營(yíng)養(yǎng)程度向低營(yíng)養(yǎng)程度擴(kuò)散的趨勢(shì)，這與已有的文獻(xiàn)報(bào)道[23-24]一致.營(yíng)養(yǎng)鹽含量的增加是水體營(yíng)養(yǎng)程度提高的前提，一方面，竺山灣、梅梁灣及西部沿岸區(qū)一帶受入湖污染源影響較大，其上游有多條太湖主要入湖河道，是太湖沿岸污染源最為集中的區(qū)域，故營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)高，東太湖水生植被覆蓋面積大，對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽吸收較好，說(shuō)明F1 的高值與主要河流入湖口排污量以及水生植被等生物凈化作用密切相關(guān)[11，25];另一方面，太湖北部區(qū)域，由于工業(yè)、旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口集中，以及竺山灣、梅梁灣的地形不利于水中污染物擴(kuò)散，同時(shí)該地區(qū)夏季盛行東南風(fēng)等不利的氣候水文條件，致使夏季在太湖西北湖區(qū)經(jīng)常形成嚴(yán)重水華現(xiàn)象，加重了太湖北部的污染，太湖調(diào)水引流工程也只能增強(qiáng)局部地區(qū)的水體流動(dòng).湖體營(yíng)養(yǎng)鹽含量還可能與內(nèi)源釋放有關(guān)，太湖除梅梁灣、五里湖、竺山灣、貢湖灣和東太湖幾個(gè)湖灣淤積較重之外，還存在3 個(gè)明顯的底泥蓄積帶:①自大浦口、茭瀆港向東北至金墅港底泥蓄積帶;②自新瀆港西部沿岸向南至長(zhǎng)興分港底泥蓄積帶;③自沉瀆港向東北至漫山湖底泥蓄積帶.這3 條底泥蓄積帶底泥深一般超過(guò)1 m，泥量占總底泥量的2/3[26].水體重金屬Hg2+的污染主要來(lái)自氯堿、塑料、電池、電子等工業(yè)排放的廢水，燃煤、火電等行業(yè)排向大氣和土壤的Hg2+也將隨著水循環(huán)回歸水體，因此在太湖流域需加強(qiáng)對(duì)這些行業(yè)污染的重視.

3 結(jié)論

1)采用主成分分析法研究江蘇省太湖流域水質(zhì)特征，從原始水質(zhì)數(shù)據(jù)中提取占總方差的比例較大的5個(gè)因子來(lái)反映水體的污染程度，經(jīng)過(guò)分析識(shí)別得到江蘇省太湖流域的主成分因子:以氮、磷等為主的營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)和以Hg2+為主的重金屬指標(biāo).

2)江蘇省太湖流域水環(huán)境質(zhì)量空間特征大體表現(xiàn)為北高南低、西高東低的走向，這與流域內(nèi)水流走向一致，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)以湖體為中心，水環(huán)境質(zhì)量基本上由流域周界向湖體逐漸變好，對(duì)應(yīng)流域水質(zhì)分析的結(jié)果，太湖湖體也呈現(xiàn)自北向南、自西向東以高營(yíng)養(yǎng)程度向低營(yíng)養(yǎng)程度擴(kuò)散的趨勢(shì)，反映了流域外源輸入是導(dǎo)致湖體水質(zhì)污染的主要原因之一.

3)解決太湖水環(huán)境問(wèn)題的根本出路是減少水體的污染.通過(guò)減少外源輸入來(lái)降低湖體所承納的污染負(fù)荷，主要控制太湖流域農(nóng)村生活污水、畜禽糞便、化肥農(nóng)藥等面源污染，同時(shí)加快全流域轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)由粗放型向集約、節(jié)約型轉(zhuǎn)變，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整.

4)根據(jù)主成分分析法得出的結(jié)論，在今后的研究中重點(diǎn)考慮排名靠前的指標(biāo)，刪除次要的指標(biāo)，確定造成污染的主要成分，這樣不僅避免了選擇指標(biāo)的隨意性，更節(jié)省了監(jiān)測(cè)所需的人力物力，同時(shí)考慮不同區(qū)域污染特征的差異，有針對(duì)性地實(shí)施污染控制措施，使太湖水污染防治工作更加科學(xué)與準(zhǔn)確.

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