喀斯特地區(qū)平水期水質污染綜合分析
——以貴州省白云巖喀斯特世界自然遺產地為例

張塵月, 劉子琦, 劉肇軍, 李 淵, 邢 鍇

(貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴州 貴陽55 001)

喀斯特地區(qū)是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，其脆弱性表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)變異敏感度高，災變承受能力低，環(huán)境容量小[1]。中國西南喀斯特地區(qū)是世界上最大的喀斯特集中連片分布帶[2]，面積約5.50×105km2,占全國喀斯特面積的15.97%[3]，其中貴州施秉發(fā)育著世界上古老、保存完整的質純白云巖喀斯特[4]，世界遺產委員會評價它是“白云巖喀斯特的典型范例[5]。施秉白云巖喀斯特在全球具有唯一性，對其生態(tài)環(huán)境的保護尤為重要?？λ固氐貐^(qū)貧困人口集中,人地矛盾尖銳，致使生態(tài)環(huán)境遭到破壞,出現(xiàn)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[6],主要集中體現(xiàn)在植被退化、水土流失及水環(huán)境污染方面[7-9]。保護水資源，成為喀斯特地區(qū)環(huán)境保護的主要目標之一[10]。

對水環(huán)境的保護與治理，首先要對其水環(huán)境質量現(xiàn)狀、污染特征進行分析評價，確定污染源[11-12]。通過閱讀文獻發(fā)現(xiàn)，關于水質評價學者們采用的方法較多且并不統(tǒng)一[13-17]，但國內外學者[18-22]統(tǒng)一認為通過多元統(tǒng)計分析可以更全面和精確地反映研究區(qū)的通過水質狀況，進而分析其污染源。因此，本研究結合實際情況，通過單因素評價法、均值型指數(shù)綜合評價法以及多元統(tǒng)計分析法對位于貴州省施秉縣的白云巖喀斯特遺產地的水質現(xiàn)狀進行分析評價，以期為遺產地的環(huán)境保護和流域水質的管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

施秉白云巖喀斯特世界自然遺產地位于貴州省東部施秉縣，地處中國云貴高原東部邊緣向湘西低山丘陵過渡的山原斜坡地帶，即中國階梯地勢第二級與第三級的過渡地區(qū)。地勢北高南低，平均海拔912 m。喀斯特強烈發(fā)育，地形破碎，成為一個河流深切的中亞熱帶喀斯特峽谷區(qū)[23-24]。該區(qū)年均溫度16 ℃，年均降水1 220 mm，具有春暖夏涼、四季如春、降水豐沛的中亞熱帶山地濕潤氣候特點[25-26]。黃洲河流域位于施秉喀斯特世界自然遺產地內，由遺產地的東部流向西南匯入杉木河，河流長度14 km。因其由緩沖區(qū)流經核心區(qū)，緩沖區(qū)白垛鄉(xiāng)一帶人口密度大，居民的生產生活都在此進行，而核心區(qū)旅游人數(shù)較多，易使河流健康受到威脅，進而影響到遺產地的生態(tài)環(huán)境[27]，故本文選取黃洲河流域作為遺產地內代表性河流，對其進行水質污染綜合分析。

1.2 樣品采集與處理

本研究選取黃洲河流域8個代表性采樣點分別為泉眼(DT)支流匯集處(CGH),水庫(SK)，大量居民居住處(BD)，施秉喀斯特遺產地核心區(qū)(DYQ)，黃洲河與杉木河交匯處(HZH)，杉木河漂流終點(NJY)，河流流出緩沖區(qū)前(JGY)。采樣點之間具有連續(xù)性，可反映河流水質在流動過程中的變化情況。采樣時間為2017年10月和2018年4月，樣品采集后裝于聚乙烯瓶中帶回實驗室。根據(jù)遺產地以及黃洲河流域的實際情況，共選取了TP，TN，NH3-N，CODMn，DO,水溫,濁度,糞大腸菌群、葉綠素a這幾種水質監(jiān)測指標作為評價因子進行研究分析。具體試驗數(shù)據(jù)詳見表1。

各種水質監(jiān)測指標均按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》[28]在貴州師范大學山地重點實驗室進行，其中DO、水溫采用多參數(shù)水質監(jiān)測儀現(xiàn)場測定：TP采用堿性過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法；TN采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法；NH3-N采用納氏分光光度法；CODMn采用酸性高錳酸鉀滴定法；Chl-a采用乙醇和分光光度法；糞大腸菌群的測定采用多管發(fā)酵法。

表1 黃洲河流域各監(jiān)測點水質指標平均值和標準差

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文數(shù)據(jù)采用Excel以及IBM SPSS Statistics 19.0處理。Excel代入公式進行水質指標的平均值和標準差計算繪制表格并利用數(shù)據(jù)繪制春秋平水期水質狀況特征圖，SPSS進行水質指標的聚類分析以及主成份分析。本文采用系統(tǒng)聚類，通過組間連接以及平方Euclidean距離法生成平水期采樣點聚類樹狀圖。并對春秋平水期水質指標進行主成分分析。

1.4 評價標準

根據(jù)《中國南方喀斯特第二期申遺文本》及《中國南方喀斯特第二期世界自然遺產提名地保護管理規(guī)劃文本》中的要求，遺產地核心區(qū)地表水環(huán)境質量按(GB3838-2002)Ⅰ類標準控制，緩沖區(qū)地表水環(huán)境質量按(GB3838-2002)Ⅲ類水標準控制，具體限制詳見表2。其中DYQ,HZH執(zhí)行國家地表水Ⅰ類標準，其余采樣點執(zhí)行國家地表水(GB3838-2002)Ⅲ類標準。

表2 水質監(jiān)測指標評價標準及標準值

2 結果與分析

2.1 黃洲河流域春、秋平水期水質狀況特征對比

由圖1—8可知，研究區(qū)不同采樣點的水質指標差異明顯。個別水質指標10月和4月折線圖變化具有明顯相似性，變化規(guī)律較為一致，折線呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。表明秋季平水期和春季平水期水質總氮、高錳酸鹽、溶解氧，濁度差異較小且隨著河流由上游至下游具有一定的變化規(guī)律，由上游至下游水質污染減少，水體具有一定的自凈能力。10月份各采樣點均未測出糞大腸菌群，4月份BD，JGY檢測出極少量糞大腸菌群。10月份水質氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧含量、葉綠素a整體優(yōu)于4月份，4月份水質總磷含量整體優(yōu)于10月份，其他水質指標差別較小。

圖1 研究區(qū)4月和10月總磷含量變化 圖2 研究區(qū)4月和10月總氮含量變化

圖3 研究區(qū)4月和10月氨氮含量變化 圖4 研究區(qū)4月和10月高錳酸鹽含量變化

圖5 研究區(qū)4月和10月溶解氧含量變化 圖6 研究區(qū)4月和10月濁度含量變化

圖7 研究區(qū)4月和10月糞大腸菌群含量 圖8 研究區(qū)4月和10月葉綠素a含量

2.2 黃洲河流域水質現(xiàn)狀及污染分析

2.2.1 黃洲河流域水質單因素分析[29]單項污染指數(shù)計算方法如下所示:其中Ci為指標i的實測濃度；Si為指標i的評價標準值。Pi>1說明該污染物超標，Pi≤1說明該污染物沒有超標。

Pi=Ci/Si

通過相關文獻及實地調查，發(fā)現(xiàn)施秉喀斯特世界自然遺產提名地遠離城市和工廠，較少受到“三廢”的污染。但是緩沖區(qū)內有農業(yè)生產，化肥和農藥的使用對提名地水環(huán)境的保護存在威脅且上游緩沖區(qū)的河流周邊居民隨意丟棄的生活垃圾會隨著大水流到下游提名地內，造成水面污染[27]。故確定TP,TN，NH3-N,CODMn作為評價指標。表3為2017年10月和2018年4月水質單因素評價結果。10月位于遺產地核心區(qū)的DYQ，HZH總磷含量超Ⅰ類水標準，DYQ總氮含量超I類水標準，HZH總氮含量超Ⅱ類水標準。位于緩沖區(qū)的DT，CGH，SK總氮含量超出Ⅲ類水標準。BD，NJY，JGY所有指標均符合Ⅲ類水標準。4月位于遺產地核心區(qū)的DYQ，HZH總氮含量超Ⅰ類水標準，其他指標均符合Ⅰ類水標準。位于緩沖區(qū)的DT，CGH，SK總氮含量超出Ⅲ類水標準，BD，NJY，JGY所有指標均符合Ⅲ類水標準。

表3 10月和4月水質單因素評價結果

2.2.2 黃洲河流域水質均值型指數(shù)綜合評價 水質單因素評價法僅能夠清晰的表現(xiàn)出不同月份各采樣點的每種水質指標是否超標，為了綜合評價各采樣點的水質狀況，則采用均值型指數(shù)評價法進行評價，并通過表4查詢[30]各采樣點水質污染級別，繪制水質污染狀況詳見表5。綜合污染指數(shù)計算方法為：

式中：Pi——單項污染指數(shù);P——綜合污染指數(shù);n——所選取的指標個數(shù)。

由于采樣點由上至下反映的是河流上游至下游的關系，由表4可知，河流的上游到下游水質狀況逐漸改善(DYQ，HZH水質評價標準相對于其他點不同)，由重污染轉變?yōu)橹匚廴据p污染以及尚清潔。且10月份和4月份水質污染狀況保持一致。通過折線圖、水質單因素評價以及水質均值型指數(shù)評價可知，從黃洲河上游至下游，水質污染狀況相對改善，水體有較強的自凈能力，但由于核心區(qū)和緩沖區(qū)執(zhí)行的地表水環(huán)境質量標準不同，上游產生的大量污染雖然隨著河流流動得到凈化，但仍會對遺產地核心區(qū)水質產生較大影響，找出上游的污染源并對其進行控制才是保護遺產地核心區(qū)的水環(huán)境質量的關鍵，因此本文將繼續(xù)對黃洲河流域水質進行多元統(tǒng)計分析。

表4 地表水質量分級標準

表5 研究區(qū)10月和4月水質指標均值型指數(shù)

2.3 黃洲河流域水質多元統(tǒng)計分析

2.3.1 聚類分析 基于黃洲河流域采樣點聚類結果如圖9所示。在空間區(qū)域上劃分為A，B兩類A又分為A1和A2兩類。A1類水質較好，包括HZH，JGY，DYQ，NJY，表示遺產地核心區(qū)以及核心區(qū)下游的水質狀況，遺產地提名地遠離城市和工廠，較少受到污染，因此水質較好。A2類水質中等，主要包括SK，BD，表示核心區(qū)上游的緩沖區(qū)內的水質狀況，此區(qū)域流經小型水庫、耕地和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，居民生活污水以及農業(yè)面源污染以及上游污染負荷對該區(qū)域水質影響較大。B類水質較差，包括DT，CGH，表示更為上游的緩沖區(qū)內泉眼以及支流交匯處水質狀況，此區(qū)域流經大面積耕地區(qū)以及零散的居民區(qū)，主要受到農業(yè)面源污染影響。黃洲河流域采樣點水質聚類分析結果跟水質均值型指數(shù)綜合評價結果一致，表現(xiàn)為流域內上游緩沖區(qū)污染較嚴重，水質較差，下游核心區(qū)主要為河水流動帶來的上游污染，由于水體有一定的自凈能力，因此水質較好，且水質由上游至下游逐漸轉好。

圖9 黃洲河流域采樣點空間聚類

2.3.2 主成分分析 在本研究中，KMO統(tǒng)計量為0.517,Bartlett的球形檢驗值小于0.001,說明獨立變量存在相互關系,符合主成分分析要求。利用特征值大1.0的原則篩選提取出前3個主成分(表6),它們解釋了原始變量81.009%的結果,基本反映了原數(shù)據(jù)所包含的信息。各主成分的特征值、方差貢獻率詳見表7。

表6 黃洲河流域水質監(jiān)測指標相關性分析

注：*表示顯著相關，**表示極顯著相關。

表7 相關矩陣的特征值、方差和累積方差貢獻率

黃洲河流域平水期水質指標主成分分析結果詳見表8，載荷圖如圖10所示，共提取3個主成分。第1主成分的方差差貢獻率為40.247%，其中濁度、CODMn和Chl-a所占因子載荷較大，與第1主成分的相關系數(shù)均超過了0.900。CODMn是有機污染的標志，Chl-a間接反應了水體富營養(yǎng)化水平，而濁度則表示水中懸浮物質造成的渾濁現(xiàn)象，中上游分布大量居民區(qū)，生活污水、固體垃圾隨雨水流入河流，烤煙等農作物的大量種植，水質主要受到居民生活污水以及農業(yè)面源污染的影響。第1主成分反映了大量有機污染影響下水體的富營養(yǎng)狀態(tài)以及浮游植物繁殖而造成的水體渾濁。該區(qū)域第2主成分的方差貢獻率為23.636%，與第2主成分密切相關的因子載荷是TN和DO，TN第2主成分呈正相關，DO與第2主成分成負相關，高濃度的總氮一般反應農業(yè)徑流引起的地表水中氮物質超標，引起微生物大量繁殖，消耗水中溶解氧。第3主成分的方差貢獻率為17.126%，與第3主成分密切相關的因子載荷是糞大腸菌群，是人、畜糞便流入水體帶來的污染，反映了水體受到生活污染以及家禽養(yǎng)殖的影響。

表8 黃洲河流域平水期水質指標主成分分析

圖10 黃洲河流域平水期水質主成份載荷圖

3 結論與討論

3.1 結 論

(1) 水質指標單因素分析法顯示，黃洲河流域春季和秋季平水期緩沖區(qū)水質總體符合(GB3838-2002)Ⅲ類水標準，核心區(qū)水質部分不滿足(GB3838-2002)Ⅰ類水標準，污染物質主要為總氮。

(2) 水質均值型指數(shù)綜合評價法結果表明，春季平水期和秋季平水期水質污染情況基本相同，總體10月優(yōu)于4月。黃洲河上游至下游，水質污染狀況相對改善，水體有較強的自凈能力，上游產生的大量污染雖然隨著河流流動得到凈化，但還是會對遺產地核心區(qū)水質產生較大影響，找出上游的污染源并對其進行控制才是保護遺產地核心區(qū)的水環(huán)境質量的關鍵。

(3) 為了便于流域水質管理，利用聚類分析將采樣點的水污染情況在空間上分為三組：核心區(qū)上游的緩沖區(qū)內的水質狀況；更為上游的緩沖區(qū)內泉眼以及支流交匯處水質狀況；遺產地核心區(qū)以及核心區(qū)下游的水質狀況。相關性分析和主成分分析結果表明：平水期黃洲河流域的污染源主要為生活污水、固體垃圾以及農業(yè)面源污染。

3.2 討 論

由研究可知，施秉白云巖喀斯特黃洲河流域平水期的主要污染因子為總氮，污染源主要是農業(yè)面源污染，以及生活污水、固體垃圾的排放。因此對施秉白云巖喀斯特遺產地進行環(huán)境保護和流域水質綜合管理時應大力推行生態(tài)平衡施肥技術和生態(tài)防治技術，減少遺產地居民對氮、磷肥料的長期大量施用，防止未被土壤吸收的肥料通過地表徑流、農田排水流入周邊地表和地下水體從而引發(fā)氮、磷等污染物超標,造成水體富營養(yǎng)化和有機污染。同時在農田與水體之間設置植被緩沖帶,緩沖農業(yè)面源污染物對水體帶來的污染；因地制宜選擇適應性強的污水處理模式、垃圾處理方式，防止生活污水的隨意排放以及生活垃圾進入地下水和河道，造成水體嚴重污染。