濟南市河流水體污染源解析及空間分布特征

張欣 徐宗學 況新宇 竇同文 趙長森 王博涵

摘要：基于2014年5月、8月、11月對濟南市的4個一級水生態(tài)功能區(qū)48個采樣點的數(shù)據(jù)，選取電導率（EC）、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMo）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸氮（NO3--N）、亞酸鹽氮（NO2--N）、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等指標對濟南市河流水質進行分析。采用因子分析法提取了影響河流水質的主要因子，探尋污染源，并與綜合水質指數(shù)法評價結果進行對比。結果表明：所選4個主成分分別代表鹽離子水平、氮磷因子、有機污染因子及“三氮”污染因子，其河流水體污染主要受土地利用類型及人類活動影響；各污染因子主要分布在小清河山地一丘陵生態(tài)區(qū)和徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)，黃河山地生態(tài)區(qū)水環(huán)境較好。

關鍵詞：水體污染；水質；因子分析法；濟南市

中圖分類號：TV211.1+1 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.014

地表水水質對水生態(tài)系統(tǒng)健康起著決定性作用[1]。隨著城市化進程的加快，水資源供需矛盾突出，水污染嚴重、生態(tài)用水不足、水生態(tài)退化等問題日益凸現(xiàn)。從成因上看，水體污染和富營養(yǎng)化以及水體環(huán)境中化學成分的改變主要受城市化和農(nóng)業(yè)活動影響。遏制水質惡化并逐步改善水質成為管理部門的關鍵任務。影響河流水質的因素較多，受地理環(huán)境、氣候因素、土地利用方式、人類活動影響，河流水質在空間分布上呈較大異質性，做好水質監(jiān)測和管理，識別水質污染源及其分布，對水環(huán)境保護和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

近年來，各類數(shù)學及統(tǒng)計評價方法被廣泛應用于水質評價、時空分異及潛在污染源識別研究中，但以往的水質評價方法，如灰色聚類、綜合評價、單因子評價、神經(jīng)網(wǎng)絡等傳統(tǒng)方法很難找到影響地表水水質的主要因子，它們中大部分只能對當前水質進行評價和分級，忽略了水體污染的空間特征。因子分析法（FA）不但可將多指標轉化為少數(shù)綜合指標，避免信息的丟失，而且能用其因子得分將研究區(qū)各污染因子和綜合污染情況分布在圖上直觀表達出來，因此國內(nèi)外很多學者采用FA法對水環(huán)境進行污染源解析和空間分析。濟南市作為聞名遐邇的“泉城”，是全國首家水生態(tài)文明建設試點城市，其水環(huán)境直接影響經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，因此以濟南市為研究對象，基于濟南市一級水生態(tài)分區(qū)對水質差異性進行分析，在此基礎上，采用因子分析法對水環(huán)境污染狀況進行空間分析及污染源解析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

濟南市內(nèi)有三大水系，分別為小清河水系、黃河水系以及徒駭馬頰河水系。根據(jù)水系的空間異質性劃分了4個一級水生態(tài)功能區(qū)（見圖1），即Ⅰ黃河山地生態(tài)區(qū)、Ⅱ主城區(qū)、Ⅲ小清河山地-丘陵生態(tài)區(qū)和Ⅳ徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)，由于Ⅱ主城區(qū)內(nèi)水質受人類活動干擾較為嚴重，因此單獨分開，以便分區(qū)域統(tǒng)計其水質狀況。

黃河水系集水面積2778km2，流經(jīng)市境長度172.9km，支脈河流均從右岸匯入。小清河水系集水面積2792km2，其中山地、丘陵匯流面積占流域面積的54.7%，主干河道源于濟南市西郊，流經(jīng)淄博等市，全長232km，在濟南市境內(nèi)長度為70.3km。小清河是山東省排澇、灌溉、排污等綜合性大型人工河道。徒駭馬頰河水系集水面積2400km2，屬海河水系，承擔著排澇及灌溉任務。濟南市地形南高北低，地表水和地下水向城區(qū)匯集。市域年均降水量685mm，降水量年際變差大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2014年5月、8月、11月對濟南市4個一級水生態(tài)功能區(qū)的48個采樣點進行了調(diào)查采樣。把采集到的水樣置于低溫保溫箱中，48h內(nèi)帶回實驗室，根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）測定電導率（EC）、溶解氧（DO）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）、化學需氧量（COD）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、生化需氧量（BOD）、總磷（TP）等指標，研究數(shù)據(jù)取3次采樣均值。

1.3 分析方法

因子分析法是一種既可以降低變量維數(shù)，又可以對變量進行分類的方法。在水質分析中，根據(jù)因子荷載矩陣和特征根計算主成分綜合得分，其主成分分值越大，說明污染越嚴重。同時，采用綜合水質指數(shù)法與主成分得分結果進行對比。綜合指數(shù)法由1位整數(shù)和3～4位小數(shù)組成，它標識了綜合水質類別、水質情況及是否達到水環(huán)境功能區(qū)類別等信息。由各因子得分系數(shù)，得出各因子得分方程：

fk=ak1x1+ak2x2+…+aknxn （1）式中：fk為第k（k=1，2，…，n）個因子的標準化分數(shù)；akj為第j（j=1，2，…，k）個因子相對于第k個變量的因子荷載；xn表示第n個公共因子。

綜合因子得分計算公式如下：式中：F為綜合因子得分；xi為第i個因子的公因子得分；m為提取公因子的個數(shù)；wi為第i個因子的權重；λi為第i個公因子對應的特征根。

因子分析要求變量間具有一定相關性，適用性檢驗方法采用Bartlett球形檢驗和KMO檢驗。Bartlett球形檢驗的理論依據(jù)是多元正態(tài)總體協(xié)方差矩陣的檢驗理論，差異檢驗值顯著時認為適合進行因子分析；KMO檢驗統(tǒng)計量是用于比較變量間簡單相關系數(shù)和偏相關系數(shù)的指標，KMO值接近1，則變量適合進行因子分析。

2 結果與分析

2.1 基本特征

濟南市48個采樣點指標統(tǒng)計見表1，大部分指標最大值接近或超過Ⅴ類標準，個別指標平均值接近甚至超過Ⅴ類標準，其中以TN最為突出，平均值是Ⅴ類標準的2.3倍，達到4.59mg/L；其次是TP，接近Ⅴ類水標準。從變異系數(shù)上看，TP最大，DO最小。綜合來看，濟南市水體水質指標在各采樣點間差異較大，個別點位指標值異常偏高的原因可能是采樣點處于工業(yè)排污口下游或者人口密度較大區(qū)域。濟南市是山東省農(nóng)業(yè)重要產(chǎn)區(qū)及人口集中區(qū)，TP、TN和COD是地表水主要污染物，也是主要控制指標，研究該區(qū)域河流污染物變化情況具有重要意義。

2.2 污染源解析

根據(jù)KMO檢驗和Bartlett球形檢驗，得到KMO值為0.78，Bartlet球形檢驗值為0.000，表明因子間不相互獨立，適合進行因子分析。根據(jù)特征值大于1和累計貢獻率在80%以上的原則，采用最大方差法對因子進行旋轉，共提取出4個主成分F1～F4，累計貢獻率為84.883%。各主成分特征值、貢獻率、累計貢獻率及因子荷載見表2。

由表2可知，主成分F，的貢獻率為45.426%，為影響地表水水質的首要因素，其中EC、Cl-、SO42-所占的因子荷載較大，且與F1均成強正相關關系，主要代表水體鹽離子水平。主成分F2貢獻率為16.932%，其中NH4+-N、TP因子荷載較高，且與F2成正相關關系，代表了氮、磷營養(yǎng)物污染，主要來自城市居民生活及餐飲旅游等第三產(chǎn)業(yè)污水的排放。當水體污染含量增大時，水生生物會大量繁殖，導致水體中溶解氧含量降低，從而影響水質，這也是溶解氧與主成分F2成負相關關系的原因。主成分F3貢獻率為13.529%，其中BOD、COD因子荷載較大，F(xiàn)3主要與生化需氧量、化學需氧量相關，代表耗氧型有機物污染，主要因自然因素與人為排放的營養(yǎng)物質相互作用而造成富營養(yǎng)化。主成分F4貢獻率為8.996%，與F4相關聯(lián)性較強的指標有TN、NO2--N、NO3--N，總氮含量為0.25～24.84mg/L，含量較高的區(qū)域分布在市區(qū)工業(yè)與生活污水排放區(qū)附近、農(nóng)田耕作區(qū)下游等。由此水體“三氮”污染主要原因是農(nóng)藥、化肥長期施用、生活和工業(yè)廢水排放，市郊、北部平原區(qū)農(nóng)田和農(nóng)場區(qū)農(nóng)藥、含氮肥料的長期施用和流失是濟南市地表水氮污染的主要原因。

2.3 污染源分布特征

根據(jù)各成分得分系數(shù)矩陣和原始數(shù)據(jù)得到各采樣點主成分得分，結合采樣點所在位置，得出各污染源在濟南市內(nèi)的分布特征及水體的污染程度。因子得分越高，監(jiān)測點所在位置污染越嚴重。

通過圖2（a）可以看出，主成分F1污染區(qū)域主要集中在濟南市北部及東部區(qū)域，涉及濟陽縣、商河縣及章丘市大部。這可能與區(qū)域內(nèi)土地利用類型及地形有關。該區(qū)域高程和水流坡降較小，造成河道水流長年滯流，水體自凈能力差。土地利用類型以耕地為主，農(nóng)業(yè)化肥等污染物易由南向北擴散，在遷移一富集作用下，河流徑流末端及徒駭河干流附近因子得分較高。同時春季和夏季的灌溉需水量較大，在人類活動影響下，大部分河道被修整為人工河網(wǎng)，在一定程度上改變了河道原有結構及徑流方式，經(jīng)長時間積累，最終形成了F1值分布規(guī)律。

主成分F2在研究區(qū)出現(xiàn)高值及污染區(qū)較多，其中北部徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)、東部小清河山地-丘陵生態(tài)區(qū)及南部黃河山地生態(tài)區(qū)西北部污染較為嚴重（F2>1.5）。研究發(fā)現(xiàn)，污染區(qū)多位于當?shù)刂匾Z食生產(chǎn)地，農(nóng)作物以小麥和玉米為主，且存在不少小型化工廠、煤礦等鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，致使該區(qū)域河流水體以氮、磷等污染物為主，同時過量的氮、磷會隨著地表徑流和地下徑流遷移。水體中溶解氧與F2成負相關關系，生活污水中含有大量氨氮，氨氮過多將消耗水體中的溶解氧，抑制水生生物生長，導致細菌大量繁殖，水質惡化，造成F2值偏高。只有黃河山地生態(tài)區(qū)東南部山區(qū)污染程度較低，基本以淺藍色為主（F2<0），其原因是該區(qū)域大多是天然林地和次生林地，對攜帶營養(yǎng)物質的地表徑流具有很強的攔截作用，也可理解為林地降低了水土流失率，營養(yǎng)物質進入河流較少。同時該區(qū)域大部分為河流源頭，海拔較高，受人類干擾較少，且其支流有地下泉水補給。

主成分F3代表有機污染，與高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量和生化需氧量成強正相關關系。2015年濟南市水功能區(qū)水質通報顯示，主要污染物為化學需氧量、生化需氧量等有機污染物。由圖2（c）可知，研究區(qū)有機污染主要發(fā)生在徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)南部及小清河山地一丘陵生態(tài)區(qū)北部，說明流域水體受到快速城市化引起的市政污水排放的強烈影響。小清河北部區(qū)域位于章丘市，化工及化學制品業(yè)較為發(fā)達，工業(yè)廢水排放占全市工業(yè)廢水總量的11.6%，主要污染源為食品制造業(yè)、造紙業(yè)及冶煉加工業(yè)。F3污染范圍與F1和F2的基本相同，該區(qū)域的污染同樣受生活污水及農(nóng)業(yè)施肥造成的面源污染的影響。

主成分F4得分的高低代表該區(qū)地表水中“三氮”含量的多少，主要分布在濟南市中部主城區(qū)周邊及小清河山地-丘陵生態(tài)區(qū)大部。該范圍內(nèi)人類活動密集，產(chǎn)生的大量城市污水和工業(yè)污水排入河道中，并且河道底部和兩岸人工固化，難以保持自然河道狀態(tài)下的自我恢復能力。市內(nèi)TN的污染負荷較大，濟南市生活污水氮排放量占全市排放總量的96.4%，全市施用化肥強度為401kg/hm2，除部分被農(nóng)作物吸收外，其余殘留部分隨地表徑流排人河道。

綜合得分在一定程定上反映各采樣點水質污染程度，對各采樣點的污染程度進行排序和分級。綜合得分越高，水質狀況越差。將48個采樣點各因子得分代入式（2），得出綜合污染得分F，具體綜合因子得分插值分布見圖2（e）?？梢钥闯?，徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)及小清河山地一丘陵生態(tài)區(qū)北部、黃河山地生態(tài)區(qū)西南部污染較為嚴重，只有黃河山地生態(tài)區(qū)東南部水質較好。從水質污染分布狀態(tài)進一步證明水質與人類活動（土地利用、化肥農(nóng)藥施用等）和自然因素（地形地貌）有著密不可分的關系。海拔較高、林地覆蓋率高、人類干擾少的地區(qū)水質較好。而水質較差區(qū)域土地利用類型大多為城建用地和農(nóng)業(yè)用地，地勢較為平坦?？偟膩砜矗瑵鲜兴|狀況由南至北逐漸變差，這與境內(nèi)水流走向較為一致。人類活動和自然因素導致了濟南市水質污染因子的空間差異性。

2.4 河流污染原因

從水環(huán)境污染物濃度空間分布來看，F(xiàn)1、F2、F3、F4值較高區(qū)域集中在同一區(qū)域，即Ⅱ主城區(qū)、Ⅲ小清河山地-丘陵生態(tài)區(qū)及Ⅳ徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)，而Ⅰ黃河山地生態(tài)區(qū)污染程度低。主要原因：一是主城區(qū)、小清河山地一丘陵生態(tài)區(qū)及徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)所處河段不能得到自然水體的補給，污水無法得到有效稀釋，并且所在地區(qū)污水處理設施不健全，很多污水未經(jīng)處理直接排人河道，使得所在地區(qū)水體污染較為嚴重。二是城市河流不同范圍內(nèi)的土地利用結構和格局對水質的影響。馬小雪等研究表明土地利用中綠化用地與溶解氧含量成正相關關系，與電導率成負相關關系；城建用地與氨氮、電導率成正相關關系。結合本次研究，污染區(qū)域多集中在城建用地和農(nóng)業(yè)用地兩種土地利用類型?？梢姡墙ㄓ玫厥峭恋乩媒Y構中最主要的污染源輸出類型，其中商業(yè)、工礦用地及居民住宅用地對水質影響最為嚴重。三是人口密度對水環(huán)境的影響。濟南市經(jīng)濟發(fā)展對勞動力的需求使得人口不斷向主城區(qū)及北部農(nóng)業(yè)平原帶集中，造成環(huán)境質量惡化。利用所獲取采樣點水質參數(shù)與相應人口密度進行相關分析，結果顯示人口密度與溶解氧成負相關關系，相關系數(shù)為-0.359，與總氮、電導率、總磷成正相關關系，相關系數(shù)分別為0.337、0.440、0.355。

2.5 合理性檢驗

為了驗證本次水質評價的合理性，將《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）作為評價標準，結合采樣數(shù)據(jù)，運用綜合水質指數(shù)法對濟南市水體水質進行評價，并將評價結果與上述主成分綜合得分進行對比，見圖3。

由圖3可以看出，綜合水質指數(shù)評價結果與主成分綜合評價結果相似。水質狀態(tài)較差點位于徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)的J33和小清河山地-丘陵生態(tài)區(qū)J47采樣點。根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）對各采樣點位水質進行分級評價，發(fā)現(xiàn)J20、J29、J33、J37、J47為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質。南部黃河山地生態(tài)區(qū)水質較好，大多為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類水質，這與現(xiàn)場調(diào)查情況較為一致。

解決城市水體污染問題，最重要的是控制點源排放，加強排污管理，同時保證受污染河段得到一定量的生態(tài)用水補給，使污染物得到物理稀釋。加強城市管理部門之間的協(xié)調(diào)管理，另外還需要重視管理，減少非點源污染影響，減少生活垃圾排放和人類活動干擾，以維持河道生態(tài)系統(tǒng)健康。

3 結論

從原始數(shù)據(jù)提取出4個反映濟南市河流水體污染狀況的主成分因子：第1主成分影響因子主要為水體鹽離子水平，第2主成分影響因子以氮、磷元素為主，第3主成分影響因子為以化學需氧量、生化需氧量為主的有機污染指標，第4主成分影響因子為氨氮、硝酸氮和亞硝酸氮。第1、2、3、4主成分的方差貢獻率分別為45.426%、16.932%、13.529%、8.996%。濟南市地表水污染主要原因為生活污水、工業(yè)廢水等含有有機質的污水直接排人河流，及城市周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥不當或過量施用。F1～F3各污染因子得分空間分布大致相同，主要原因可能是各污染源存在相同的空間分布，尤其是黃河山地生態(tài)區(qū)南部區(qū)域水環(huán)境較好，而北部徒駭馬頰河平原生態(tài)區(qū)及東部小清河山地一丘陵生態(tài)區(qū)污染較為嚴重，大致呈現(xiàn)自南向北、自西向東污染程度加重的趨勢，這與濟南市境內(nèi)水流走向較為一致。通過主成分綜合得分與綜合水質指數(shù)得分對比可知，其結果較為接近，表明該研究結果是合理的。