永定河上游張家口地區(qū)主要河流污染物來源解析*

邵志江 劉 蓮 汪 濤

(1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，四川 成都 610041)

隨著城市和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水環(huán)境問題已成為全球最重要的環(huán)境問題之一[1]，[2]1333，[3-4]。根據(jù)原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《2016年中國環(huán)境狀況公報》，全國112個重要湖泊(水庫)中，Ⅲ類水以下比例占33.9%；全國地表水1 940個評價、考核和排名斷面中，Ⅲ類水以下比例占31.3%。地表水是一個地區(qū)生活、工業(yè)和農(nóng)田灌溉用水的主要水源，其水質(zhì)優(yōu)劣將直接影響人類和生物的健康[5]。

多元統(tǒng)計分析已廣泛應(yīng)用于研究水質(zhì)時空變化和污染源解析。例如，F(xiàn)AN等[6]利用多元統(tǒng)計分析研究珠江水質(zhì)的時空變化特征，總結(jié)出珠江東部和西部的污染原因；WU等[7]綜合應(yīng)用主成分分析、多元線性回歸分析研究長江流域南京段有機(jī)污染的來源；WANG等[8]采用線性回歸分析法對上海地表水水質(zhì)進(jìn)行時空分析，發(fā)現(xiàn)城市化水平對水質(zhì)時空變化起主導(dǎo)作用；朱琳等[9]2150運用聚類分析和主成分分析等方法分析武水河水環(huán)境時空變化特征，揭示不同干支流水質(zhì)狀況，識別出工業(yè)污染、生活污水和畜禽養(yǎng)殖等主要污染來源；馬嵐等[10]運用因子分析法研究晉江流域水體污染的來源，總結(jié)認(rèn)為水環(huán)境整治需分水期針對性制定相應(yīng)措施。

永定河上游主要河流包括洋河、桑干河和清水河，是官廳水庫的主要水源。而官廳水庫是永定河上游一座大型水庫，曾作為北京城市飲用水水源。由于水質(zhì)污染原因，1997年退出北京飲用水體系。為緩解北京飲用水壓力，修復(fù)永定河上游主要河流迫在眉睫。同時，張家口將在2022年承辦冬奧會重要項目。因此，改善永定河上游主要河流水質(zhì)對冬奧會水質(zhì)保障和樹立中國美好形象尤為重要。查清張家口地區(qū)主要河流的污染物來源是改善水環(huán)境質(zhì)量的前提。盡管張家口地區(qū)的水污染排放研究已有許多報道[11-13]，但都是通過總量計算來分析污染物來源，并未分流域來評估，尤其缺乏利用多元統(tǒng)計方法來解析水污染主要來源的研究。因此，本研究主要利用多元統(tǒng)計方法解析永定河上游張家口地區(qū)主要河流污染物來源，以期為永定河上游流域水環(huán)境保護(hù)和冬奧會水質(zhì)保障提供基礎(chǔ)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于永定河上游張家口地區(qū)(見圖1)，該地區(qū)位于河北西北部，處于113°50′E～116°30′E、39°30′N～42°10′N，東靠河北承德，東南毗連北京，南鄰河北保定，南、西南與山西接壤，北、西北與內(nèi)蒙古交界，南北長289.2 km，東西寬216.2 km，總面積3.68×104km2。整體地勢西北高、東南低。地勢條件決定了張家口是京津冀城市群水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙和水土保持三大功能的交匯地帶，是維護(hù)京津冀生態(tài)安全的重要屏障，在京津冀協(xié)同發(fā)展中具有不可替代的生態(tài)地位。張家口氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，一年四季分明，冬季長而寒冷干燥，夏季短且炎熱。多年平均降水量為393.2 mm，年內(nèi)、年際降雨變化較大，降雨集中在6—8月，約占全年的80%[14]。張家口地區(qū)人均水資源量為399 m3，遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的人均500 m3的“極度缺水標(biāo)準(zhǔn)”。

圖1 研究區(qū)域概況及監(jiān)測斷面示意圖Fig.1 Overview of the study area and schematic diagram of the monitoring section

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于張家口市生態(tài)環(huán)境局國控或省控斷面長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標(biāo)包括pH、DO、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、TP、BOD5和氟化物。流域內(nèi)共有9個監(jiān)測斷面(見圖1)，分別為洋河的左衛(wèi)、響水鋪、雞鳴驛和八號橋，桑干河的小渡口、石匣里和溫泉屯，清水河的北泵房和老鴉莊。其中，左衛(wèi)、八號橋、溫泉屯和老鴉莊為國控監(jiān)測斷面。

1.3 評價方法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價法是美國內(nèi)梅羅教授在其所著《河流污染科學(xué)分析》一書中提出的一種水質(zhì)評價方法[15-16]。該方法根據(jù)所選水質(zhì)指標(biāo)的實測濃度和標(biāo)準(zhǔn)值，計算內(nèi)梅羅污染指數(shù)(P)，與相應(yīng)的等級標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)相對照，即可得到評價等級。計算公式為：

(1)

式中：n為評價因子總數(shù)；Ci為第i個評價因子實測質(zhì)量濃度，mg/L；Si為第i個評價因子類的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度，mg/L；pmax為Ci/Si的最大值。

標(biāo)準(zhǔn)基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，內(nèi)梅羅污染指數(shù)等級劃分見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 聚類分析

聚類分析通過在變量之間定義相似系數(shù)，代表變量之間的接近程度或相似程度。它通過相似程度的大小，將變量進(jìn)行分類，形成一個表達(dá)相似程度的譜系圖。流域水質(zhì)評價中常通過監(jiān)測時間和監(jiān)測斷面的地理位置進(jìn)行聚類，分析流域水質(zhì)的時空變化特征[17]。

表1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)與水質(zhì)等級劃分

表2 水質(zhì)參數(shù)和超標(biāo)率

注：1)除pH外，其余單位均為mg/L。

表3 各指標(biāo)的相關(guān)性1)

注：1)“*”表示顯著相關(guān)(p<0.05)；“**”表示極顯著相關(guān)(p<0.01)。

1.4.2 因子分析

因子分析是既可達(dá)到數(shù)據(jù)降維處理，又可將變量進(jìn)行分類的統(tǒng)計分析方法。在多個原始變量中提取較少、互不相關(guān)的綜合指標(biāo)，稱之為因子[18]。再對所歸納的因子進(jìn)行解析，得出主要污染物來源。

使用Excel 2013計算內(nèi)梅羅污染指數(shù)，使用Origin Pro 9.0作圖，使用SPSS 21進(jìn)行相關(guān)性、單因素方差、聚類和因子分析。在多元統(tǒng)計分析前，為消除原始數(shù)據(jù)量綱和數(shù)量級的影響，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化處理(均值為0，方差為1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 永定河上游主要河流水質(zhì)特征

對2013—2016年9個監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。永定河上游主要河流pH為6.42～8.58，基本穩(wěn)定呈弱堿性，其中小渡口監(jiān)測斷面在2015年11月pH偏高(pH=8.58)。永定河上游主要河流水體DO為4.90～14.10 mg/L，與BOD5呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與TP呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(見表3)。永定河上游主要河流水體高錳酸鹽指數(shù)變異較大，其中最大值為8.10 mg/L，最小值為0.70 mg/L，且與BOD5、氨氮、氟化物均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(見表3)。值得注意的是，主要超標(biāo)的水質(zhì)指標(biāo)為TP和氟化物。TP均值為0.16 mg/L，與GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/L)接近，但超標(biāo)率最高，為28.24%。氟化物均值為0.86 mg/L，超標(biāo)率為22.59%。

2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價法綜合評價

由表4可見，洋河監(jiān)測斷面水質(zhì)2013-2014年污染較重，除左衛(wèi)斷面外其余3個斷面基本呈中度污染；2014年后，洋河監(jiān)測斷面水質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)好，其中2015年僅響水鋪斷面出現(xiàn)中度污染；2016年洋河水質(zhì)基本轉(zhuǎn)好，4個斷面均達(dá)到清潔水平。2013以來，桑干河監(jiān)測斷面水質(zhì)均處于清潔水平，水質(zhì)較好。清水河監(jiān)測斷面僅在2014年水質(zhì)受到輕微污染，其他年份水質(zhì)污染程度均處于清潔水平?？傮w而言，永定河上游主要河流水質(zhì)在2013-2016年逐漸改善。

表4 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結(jié)果

圖2 空間和時間的聚類分析Fig.2 Temporal-spatial cluster analysis

2.3 聚類分析結(jié)果

對2013—2016年永定河上游主要河流的9個監(jiān)測斷面進(jìn)行空間聚類分析，采用Ward算法，以歐氏距離平方(SED)為度量標(biāo)準(zhǔn)，SED越小，聚類結(jié)果越顯著[2]1337。當(dāng)SED =5時，9個斷面聚類為3組，如圖2(a)所示。第1組為雞鳴驛、響水鋪和八號橋，主要位于洋河中下游，水污染相對較嚴(yán)重，屬于中污染斷面；第2組為北泵房和左衛(wèi)，主要位于洋河上游和清水河上游，水質(zhì)屬于輕污染；第3組為石匣里、溫泉屯、老鴉莊和小渡口，主要位于桑干河和清水河下游，其中石匣里、溫泉屯和小渡口離市區(qū)遠(yuǎn)、靠近農(nóng)村區(qū)域，而老鴉莊位于市區(qū)內(nèi)，水質(zhì)均屬于清潔斷面。根據(jù)每個月的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行時間聚類分析，采用最近鄰元素方法，以歐氏距離為度量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)歐氏距離為23時，可將12個月分為2組(見圖2(b))。第1組為4—10月，屬于張家口的主要降水月份，稱之為豐水期。第2組為1—3、11—12月，降水量低，屬于張家口的枯水期。這與張家口月份降水量有一定的相似性，但不完全一致。GU等[19]研究千島湖時得出，盡管周期的劃分可給采樣提供一定的實用性，但水質(zhì)變化與自然季節(jié)和干濕時期并不嚴(yán)格一致。

2.4 空間聚類不同指標(biāo)對比分析

將永定河上游張家口地區(qū)主要河流水質(zhì)指標(biāo)按空間分類結(jié)果輸入到Origin Pro 9.0中，制成箱線圖，并采用單因素方差分析進(jìn)行不同組之間的均值比較，結(jié)果如圖3所示。DO均值第1組最大，各組之間差異顯著。高錳酸鹽指數(shù)均值第1組最大，與其他兩組之間差異顯著。BOD5均值第1組最大，3組之間無顯著差異。氨氮均值第1組>第3組>第2組，第1組與其他兩組之間差異顯著。TP均值第1組>第2組>第3組，最大值出現(xiàn)在第1組，最小值出現(xiàn)在第2組，第3組與其他兩組之間差異顯著。氟化物均值第1組>第2組>第3組，最大值和最小值均出現(xiàn)在第1組，第1組與其他兩組之間差異顯著。

2.5 時間聚類不同指標(biāo)對比分析

由圖4可知，豐水期和枯水期之間有顯著差異的只有DO和TP。DO平均值為枯水期>豐水期，可能原因是枯水期主要在冬季，溫度低。值得注意的是，豐水期TP平均值明顯高于枯水期，這可能與豐水期降雨徑流較多而導(dǎo)致農(nóng)田土壤磷素隨徑流遷移有關(guān)。

注：圖上標(biāo)注字母不同表示差異顯著(p<0.05)，圖4同。圖3 比較不同空間分組的指標(biāo)數(shù)據(jù)Fig.3 Comparison of indicator data of different spatial groups

2.6 污染源解析

對3組監(jiān)測斷面(空間聚類分析結(jié)果)的水質(zhì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)度量和Bartlett檢驗，KMO值一般認(rèn)為其值大于0.6(其值域為0～1)適合做因子分析。經(jīng)計算得到第1、2、3組KMO值分別為0.68、0.64和0.62。因此，3組均適合做因子分析?？臻g分析的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣見表5。

在第1組，F(xiàn)1的貢獻(xiàn)率為39.05%，其中高錳酸鹽指數(shù)具有較大因子載荷，與F1呈正相關(guān)關(guān)系。高猛酸鹽指數(shù)是一種有機(jī)污染指標(biāo)，主要來自工業(yè)污染廢水排放和快速城市化造成的不受控制的生活污水排放[20]。第1組區(qū)域主要為洋河中下游，區(qū)內(nèi)包括下花園區(qū)、宣化區(qū)和懷來縣等，區(qū)域內(nèi)主要有鋼鐵、制藥、印染和釀造等重大工業(yè)企業(yè)，河道接納大量工業(yè)廢水，可能是造成高錳酸鹽指數(shù)具有較大因子載荷的原因，因此將F1的污染源定義為工業(yè)污染。F2的貢獻(xiàn)率為21.69%，其中氟化物具有較大因子載荷，氟化物一般來自水泥廠、氟化工廠和冶煉廠[21]。并且第1組氟化物平均值超過GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值(1.0 mg/L)(見圖3(f))，說明受氟化物的污染較嚴(yán)重。查閱2016年各縣區(qū)工業(yè)數(shù)據(jù)[22]可知，洋河中下游區(qū)域的水泥和冶煉等相關(guān)企業(yè)廢水排污量占總排污量的18.9%，因此將F2的污染源也定義為工業(yè)污染。F3的貢獻(xiàn)率為15.59%，其中TP具有較大因子載荷，TP的污染一般來自農(nóng)業(yè)徑流、市政污水和化肥廠廢水等[23]，由于該組城鎮(zhèn)化發(fā)展水平較快，部分區(qū)域市政處理設(shè)施未配套完整，仍存在污水未處理就排放進(jìn)入河道，因此F3污染源可能為城市生活污水。

圖4 比較不同時間分組的指標(biāo)數(shù)據(jù)Fig.4 Comparison of indicator data for different temporal groups

在第2組，F(xiàn)1的貢獻(xiàn)率為34.01%，其中TP具有較大因子載荷，該組斷面主要位于洋河上游和清水河上游，流域內(nèi)主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，區(qū)域氣候惡劣，植被稀少，加上人為開墾力度大，水土流失相對嚴(yán)重，暴雨使土壤中氮磷隨徑流進(jìn)入河流，引起水體污染物濃度升高，從而影響水環(huán)境[24]，因此污染可能來源于農(nóng)業(yè)面源污染。F2的貢獻(xiàn)率為22.29%，其中氨氮具有較大因子載荷，高濃度氨氮一般主要是來自生活污水和化肥廠廢水等[25]，萬全區(qū)和崇禮區(qū)化肥企業(yè)并不多見，且在清水河上游崇禮區(qū)還存有部分生活污水直排進(jìn)入河流現(xiàn)象，因此污染可能來源于生活污水。F3的貢獻(xiàn)率為16.56%，其中BOD5具有較大因子載荷，BOD5主要來源是畜禽養(yǎng)殖和生活污水[9]2153，崇禮區(qū)自冬奧會申請成功后，旅游業(yè)發(fā)展較快，游客較多，因此污染源可能為生活污水。

表5 空間分析的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

在第3組，F(xiàn)1的貢獻(xiàn)率為32.17%，其中氨氮具有較大因子載荷，第3組斷面主要位于桑干河和清水河下游，其中桑干河流域的陽原縣和涿鹿縣為張家口農(nóng)業(yè)大縣，種植業(yè)發(fā)展較好，而清水河下游的張家口市區(qū)出現(xiàn)氨氮具有較大因子載荷的可能原因是城市內(nèi)源污染排放和城鄉(xiāng)結(jié)合部的農(nóng)業(yè)面源污染，因此將F1污染來源定義為農(nóng)業(yè)面源污染。F2的貢獻(xiàn)率為23.25%，其中BOD5和TP具有較大因子載荷，陽原縣和涿鹿縣畜禽養(yǎng)殖業(yè)較多，因此將F2歸于畜禽養(yǎng)殖污染。F3的貢獻(xiàn)率為16.06%，其中DO具有較大因子載荷，DO主要是有機(jī)物質(zhì)以DO為代價進(jìn)行氧化，陽原縣的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)主要為煤炭物流、皮毛加工和陶瓷等，其中皮毛加工可能為有機(jī)物污染的主要來源，因此將F3解釋為有機(jī)物污染。

3 對策建議

在對永定河上游張家口地區(qū)主要河流的污染物來源解析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)河流湖泊治理的經(jīng)驗，對永定河上游張家口地區(qū)的水污染問題提出治理對策：

(1) 嚴(yán)控工業(yè)污染，提升生產(chǎn)綠色化水平。工業(yè)污染治理主要以下花園區(qū)、宣化區(qū)和懷來縣為主，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，實施綠色清潔生產(chǎn)。加快清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)園建設(shè)，提高工業(yè)廢水集中處理率，嚴(yán)格要求鋼鐵、制藥、印染和釀造等重大工業(yè)企業(yè)的廢水排放必須達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 加強(qiáng)城市生活污水處理。城市生活污水排放是張家口地區(qū)水污染中的重要來源，因此必須嚴(yán)格控制城市生活污水排放，加強(qiáng)城市水污染治理。對于張家口地區(qū)城市水污染治理問題，首先完善給排水管網(wǎng)系統(tǒng)，鼓勵實施海綿城市建設(shè)，提高城市水系統(tǒng)的蓄水和自凈能力。其次，加大投入，在維持現(xiàn)有污水處理廠正常運行的情況下，引進(jìn)國際先進(jìn)污水處理工藝和技術(shù)，提高污水處理效率。

(3) 加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染治理。永定河上游張家口地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理方面，主要包括農(nóng)田面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染和農(nóng)村生活污染。面源污染具有來源分散和復(fù)雜、污染物濃度低和治理難等特征[26]，需從污染物的源頭、遷移等過程入手，建議結(jié)合“4R”技術(shù)[27]進(jìn)行控制。近年來，農(nóng)藥、化肥使用量日益增多，建議減少使用并提倡使用有機(jī)肥料和生物農(nóng)藥。對于畜牧養(yǎng)殖區(qū)域，推廣種養(yǎng)結(jié)合，大力提高糞便資源化利用水平，建設(shè)污水收集和處理設(shè)施，實現(xiàn)廢水達(dá)標(biāo)排放。對于農(nóng)村生活污水，建議建設(shè)分散式小型生活污水處理設(shè)施，或利用周邊自然環(huán)境建設(shè)生態(tài)溝渠等工程措施，削減氮磷濃度后再排放進(jìn)入河網(wǎng)。

4 結(jié) 論

(1) 2013—2016年，TP、氟化物的超標(biāo)率分別為28.24%、22.59%。基于內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價，桑干河水質(zhì)所有監(jiān)測斷面水質(zhì)污染均為清潔，水質(zhì)最優(yōu)；洋河的3個監(jiān)測斷面污染相對較嚴(yán)重，大部分?jǐn)嗝鎸儆谥卸任廴?；清水河斷面?014年受到輕度污染，其他年份水質(zhì)均為清潔?？傮w而言，永定河上游主要河流水質(zhì)在2013—2016年逐漸改善。

(2) 時空聚類分析結(jié)果表明，在空間上，9個監(jiān)測斷面可分為3組，第1組為雞鳴驛、響水鋪和八號橋，主要位于洋河中下游，水污染相對較嚴(yán)重；第2組為北泵房和左衛(wèi)，主要位于洋河上游與清水河上游，水污染較輕；第3組為石匣里、溫泉屯、老鴉莊和小渡口，主要位于桑干河和清水河下游，水質(zhì)清潔。在時間上，12個月可分為兩組，分別為豐水和枯水期。

(3) 空間聚類不同指標(biāo)對比結(jié)果表明，第1組與其他兩組之間高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和氟化物差異顯著，3組之間DO差異均顯著，3組之間BOD5差異均不顯著，第3組與其他兩組之間TP差異顯著。時間聚類不同指標(biāo)對比結(jié)果表明，豐水期和枯水期之間有顯著差異的只有DO和TP。

(4) 污染物來源分析結(jié)果表明，洋河中下游主要污染物來源于工業(yè)污染和城市生活污水，洋河上游和清水河上游污染物來源于農(nóng)業(yè)面源污染和生活污水，桑干河和清水河下游主要污染物來源于農(nóng)業(yè)面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染和有機(jī)物污染。