渾太流域水質(zhì)演變特征及污染源解析

李 堯，劉建衛(wèi)，秦國(guó)帥，田 晶

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水環(huán)境研究所，遼寧大連116024）

近年來(lái)，地表水水質(zhì)問(wèn)題廣受關(guān)注，水質(zhì)情況的好壞，直接影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生產(chǎn)生活用水，良好的水生態(tài)環(huán)境也為水生生物提供良好的生存環(huán)境。通過(guò)水質(zhì)分析，我們可以明確水質(zhì)的主要情況，也可以對(duì)自然資源的開發(fā)和有效的利用提供幫助。而渾河、太子河作為遼寧省的2條重要河流，隸屬于大遼河水系，流經(jīng)省內(nèi)沈陽(yáng)、本溪、遼陽(yáng)、鞍山等多個(gè)城市，是遼寧省的重要經(jīng)濟(jì)命脈，其水質(zhì)情況與遼寧省的經(jīng)濟(jì)社會(huì)良好發(fā)展息息相關(guān)。

自渾太流域水污染問(wèn)題引起重視以來(lái)，不同政策、治理方案相繼出臺(tái)，河道內(nèi)水質(zhì)的治理結(jié)果較為良好。截至目前，渾太流域的研究多為只針對(duì)單一流域或個(gè)別站點(diǎn)進(jìn)行的水質(zhì)時(shí)空演變規(guī)律分析［1，2］，且水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列都較短，地區(qū)覆蓋面不夠廣，代表性不強(qiáng)；或是針對(duì)個(gè)別水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行特征分析（如，氨氮、化學(xué)需氧量和總磷等），進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，并從空間層面上對(duì)河流水體內(nèi)污染物的分布情況詳細(xì)的核算與污染源解析［3-5］。綜合以上情況可以發(fā)現(xiàn)，已有的研究?jī)?nèi)容中缺少針對(duì)全流域進(jìn)行系統(tǒng)性的時(shí)空演變特征分析、污染源解析和貢獻(xiàn)率的研究。因此，為研究渾太流域10年來(lái)水質(zhì)變化情況，本研究從2001-2007年、2015-2019年渾太流域的26 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)出發(fā)，對(duì)全流域水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空演變特征分析，掌握全流域水質(zhì)變化情況，并采用主成分分析法、絕對(duì)主成分多元線性回歸分析法進(jìn)行污染源解析與污染貢獻(xiàn)率的計(jì)算，以期為渾太流域水環(huán)境評(píng)估策略和有效的水質(zhì)管理提供一個(gè)合理有效的依據(jù)，為接下來(lái)渾太流域的污染防治工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

渾太流域主要是由渾河和太子河兩大水系組成，總流域控制面積為2.5 萬(wàn)km2，總長(zhǎng)度為828.3 km，年徑流量50～70 億m3。其中，渾河全長(zhǎng)415 km，流域面積1.15 萬(wàn)km2；太子河全長(zhǎng)413 km，流域面積13 883 km2。渾河與太子河在遼寧鞍山三岔河附近匯入大遼河，最終在營(yíng)口注入渤海。渾太流域的行政區(qū)包括撫順市、沈陽(yáng)市、本溪市等，行政區(qū)面積占全省面積的18.7%，是遼寧省乃至東北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)中心。渾河、太子河流經(jīng)我國(guó)東北老工業(yè)基地（撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)等），遭受工業(yè)點(diǎn)源污染較為嚴(yán)重，水環(huán)境污染問(wèn)題突出。

1.2 監(jiān)測(cè)斷面分布

本文從渾太流域已有的國(guó)控、省控水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面中選擇26個(gè)斷面（見圖1），2001-2007、2015-2019年的連續(xù)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，其中，8條支流的監(jiān)測(cè)資料始于2015年4月。所有斷面分布在渾河與太子河干流及8 條支流上，除2 個(gè)水庫(kù)外，其余均為河流斷面。其中，渾河流域干流監(jiān)測(cè)斷面為北雜木、大伙房水庫(kù)、戈布橋、東陵大橋、砂山、于家房，支流監(jiān)測(cè)斷面為古樓、臺(tái)溝、阿及堡、興國(guó)橋、于臺(tái)、蒲河沿；太子河流域干流監(jiān)測(cè)斷面為老官砬子、興安、葠窩壩下、下王家、下口子、劉家臺(tái)、小姐廟，支流監(jiān)測(cè)斷面為北太子河入觀音閣水庫(kù)口、南太子河入庫(kù)口、湯河橋、二道河入庫(kù)口、下達(dá)河入湯河水庫(kù)口、河洪橋、牛莊。

圖1 渾太流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of water quality monitoring stations in Huntai River Basin

1.3 研究方法

本研究選擇在水質(zhì)評(píng)價(jià)中最具有代表性的高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚、化學(xué)需氧量這5 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到渾太流域的水質(zhì)時(shí)空演變特征，并用主成分分析法提取水質(zhì)影響因子，識(shí)別污染源；基于絕對(duì)主成分因子得分，結(jié)合多元線性回歸分析法確定各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)相應(yīng)影響因子的貢獻(xiàn)率，量化分析污染源對(duì)水體重要理化因子的影響程度。

（1）水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。采用單因子指數(shù)法對(duì)渾太流域各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。單因子指數(shù)法的概念明確，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，可以直觀地體現(xiàn)出水質(zhì)指標(biāo)的污染程度。它是以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）［6］規(guī)定的水質(zhì)類別為標(biāo)準(zhǔn)，從單個(gè)水質(zhì)指標(biāo)入手，算出其超標(biāo)倍數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果中最差的指標(biāo)評(píng)價(jià)級(jí)別作為整體水質(zhì)的評(píng)價(jià)等級(jí)［7］。

（2）污染源解析方法。應(yīng)用主成分分析和多元線性回歸方法可有效地預(yù)估地表水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，識(shí)別破壞水體的潛在污染因子，多元統(tǒng)計(jì)方法是研究水質(zhì)空間變化和識(shí)別污染源的有效工具。主成分分析法（PCA）是采用降維的方法，在大量的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中選取幾個(gè)具有代表性的影響因子，得到主要污染源的信息。將APCS 分析和多元線性回歸綜合運(yùn)用的APCS-MLR 是一種較為有效的方法，通過(guò)PCA 分析得到主要影響因子的特征向量和絕對(duì)主成分的分（APCS），進(jìn)行多元線性回歸分析，確定各污染因子的貢獻(xiàn)率［8-11］。

本研究通過(guò)SPSS 25.0進(jìn)行主成分分析，將提取到的各水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分和最大方差進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到各水質(zhì)指標(biāo)特征值及其方差貢獻(xiàn)率，且確定公因子個(gè)數(shù)依據(jù)Kaiser標(biāo)準(zhǔn)，即特征值大于1的原則，采用KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)法驗(yàn)證該數(shù)據(jù)主成分因子分析的適用性。

2 水質(zhì)分析結(jié)果

2.1 渾太流域水質(zhì)的時(shí)間變化特征及其影響因素

2.1.1 渾太流域水質(zhì)年際變化特征

通過(guò)對(duì)全流域26 個(gè)斷面2001-2007年、2015-2019年的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)分析，得出不同年份各水質(zhì)級(jí)別的斷面數(shù)及達(dá)標(biāo)（符合經(jīng)過(guò)處理后也能供人類生活飲用的水質(zhì)）率。具體計(jì)算結(jié)果見表1，其中由于數(shù)據(jù)缺失，渾河干流北雜木、大伙房水庫(kù)斷面及全流域支流的數(shù)據(jù)均從2015年起開始統(tǒng)計(jì)。

由表1可知：全流域整體水質(zhì)符合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的斷面數(shù)變化很大，從2001-2005年開始減少，2005年的達(dá)標(biāo)數(shù)最少，僅有9.09%，2006年起開始回升。2007-2015年間人們對(duì)水污染問(wèn)題的重視程度開始加強(qiáng)，防治措施的力度加大，渾太流域得到有效治理，水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，2015年達(dá)標(biāo)斷面數(shù)較2007年顯著增加近六倍。在2017年，達(dá)標(biāo)斷面數(shù)首次出現(xiàn)最高值，達(dá)標(biāo)率為80.77%。近年來(lái)，渾太流域的水質(zhì)狀況較為理想，滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的河段增多，水質(zhì)總體呈現(xiàn)變好趨勢(shì)。

表1 2001-2019年渾太流域監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)類別Tab.1 Water quality classification of monitoring section in Huntai River Basin from 2001 to 2019

2.1.2 渾太流域水質(zhì)季節(jié)性變化特征

通過(guò)對(duì)比各水質(zhì)指標(biāo)在不同水平年的汛期（6-9月）與非汛期（1-5月、10-12月）的含量，分析渾太流域河道內(nèi)水質(zhì)隨季節(jié)變化的特征。具體情況如表2所示。

表2 渾太流域水質(zhì)季節(jié)性變化Tab.2 Seasonal variation of water quality in Huntai River Basin

由表2可知：渾太流域2015-2019年各指標(biāo)數(shù)據(jù)明顯低于2001-2007年，水質(zhì)整體上會(huì)受到季節(jié)變化的影響，水質(zhì)指標(biāo)在汛期、非汛期會(huì)有濃度差異，受降雨、流量變化等因素影響，出現(xiàn)非汛期水質(zhì)比汛期水質(zhì)差的情況。因此，非汛期可作為水質(zhì)治理和控制的重點(diǎn)時(shí)段。

2.2 渾太流域水質(zhì)的空間分布特征及其影響因素

渾太流域干流斷面4 種水質(zhì)指標(biāo)（化學(xué)需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮）的多年平均濃度見圖2，斷面由左到右依次代表河流的上游至下游。

圖2 渾太流域各干流斷面主要水質(zhì)指標(biāo)多年平均濃度Fig.2 Annual average concentration of main water quality indexes in main stream sections of Huntai River Basin

綜合渾太流域水質(zhì)變化的整體情況，可以得到以下結(jié)論：①太子河流域的水質(zhì)整體優(yōu)于渾河流域的水質(zhì)。如，渾河流域生化需氧量濃度最大值為7.89 mg/L，最小值為1.08 mg/L；太子河流域生化需氧量濃度最大值為4.67 mg/L，最小值為0.94 mg/L等。②流域水質(zhì)由上游至下游逐漸惡化，在匯流的三岔口處達(dá)到峰值。③河道流經(jīng)市區(qū)，其出市后水質(zhì)劣于入市前水質(zhì)。如，老官砬子斷面位于本溪市上游，興安斷面在其下游，前者化學(xué)需氧量濃度為8.52 mg/L，后者化學(xué)需氧量濃度升高至13.07 mg/L。④水庫(kù)入庫(kù)前水質(zhì)比出庫(kù)后水質(zhì)差。如，北雜木斷面在大伙房水庫(kù)上游，大伙房水庫(kù)斷面位于水庫(kù)壩后，前者生化需氧量濃度為1.68 mg/L，后者生化需氧量濃度降為1.29 mg/L。

2.3 渾太流域污染物來(lái)源解析

本研究對(duì)2015-2019年渾太流域13個(gè)干流斷面的8種水質(zhì)指標(biāo)（化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、總磷、石油類、pH值、溶解氧）數(shù)據(jù)進(jìn)行污染源特征分析。

2.3.1 污染源識(shí)別

采用KMO 和Bartlett 球形檢驗(yàn)對(duì)變量間的相關(guān)程度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。其中KMO 取樣適切性量數(shù)均大于0.6，適合做主成分分析；Bartlett 球形度檢驗(yàn)的顯著性滿足P＜0.05 的置信區(qū)間，表明這8個(gè)變量之間有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，該主成分分析有效。

表3 渾太流域各水質(zhì)指標(biāo)主成分矩陣Tab.3 Principal component matrix of water quality indexes in Huntai River Basin

根據(jù)表3和圖3可知：在渾河流域的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析中，共提取出3 個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率為72.37%。主成分1 在化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量具有較強(qiáng)正載荷，其方差貢獻(xiàn)率為44.37%，河道流經(jīng)撫順、沈陽(yáng)等城市，大量城鎮(zhèn)居民生活污水排入水體，使有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽的含量不斷增加，故認(rèn)定其為城鎮(zhèn)污水排放因子。主成分2主要為石油類和pH，方差貢獻(xiàn)率為14.44%，流域內(nèi)有多家大中型鋼鐵企業(yè)，大量工業(yè)廢水的排入會(huì)造成重金屬污染，故認(rèn)定其為工業(yè)生產(chǎn)污染因子。主成分3為溶解氧，其方差貢獻(xiàn)率為13.56%，由于溶解氧受氣候條件的影響比較明顯，故認(rèn)為本因子為氣象因子。

太子河流域的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析情況與渾河流域情況大體相似，提取出3個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率為68.35%。主成分1為城鎮(zhèn)污水排放因子，其方差貢獻(xiàn)率為37.19%，在高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷具有較強(qiáng)正載荷，流域途徑本溪、遼陽(yáng)、鞍山等城市，由于居民生活污水、農(nóng)業(yè)污水等大量排放，水體內(nèi)有機(jī)物含量不斷累積、水體富營(yíng)養(yǎng)情況發(fā)生變化。主成分2為氣象因子，主要是pH 和溶解氧，其方差貢獻(xiàn)率為17.96%。主成分3 為工業(yè)生產(chǎn)污染因子，方差貢獻(xiàn)率為13.20%，主要是石油類。

2.3.2 污染源貢獻(xiàn)率估算

通過(guò)上述PCA 分析，可以確定研究區(qū)域內(nèi)各主要污染源的組成、數(shù)量和空間分布特征，接下來(lái)利用絕對(duì)主成分得分多元線性回歸受體模型（APCS-MLR）計(jì)算各主成分因子的污染源貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表4。

表4 渾太流域主要污染指標(biāo)的污染源貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution rate of pollution sources of main pollution indexes in Huntai River Basin

根據(jù)表4可知：①渾太流域各項(xiàng)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的R2值較高，代表性較好，說(shuō)明此次線性回歸分析是有效的，結(jié)果較為可靠。②渾河流域：第一主成分中總磷、生化需氧量和化學(xué)需氧量的污染貢獻(xiàn)率分別為93.29%、89.55%和83.08%；第二主成分中石油類的污染貢獻(xiàn)率為69.78%；第三主成分中溶解氧的污染貢獻(xiàn)率為93.19%。③太子河流域：第一主成分中化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的污染貢獻(xiàn)率分別為83.45%、77.79%和77.38%；第二主成分中pH 和溶解氧的污染貢獻(xiàn)率為93.23%和82.21%；第三主成分中石油類的污染貢獻(xiàn)率為95.27%。

3 結(jié) 論

本文在渾太流域26 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的10年水質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合斷面流量數(shù)據(jù)，對(duì)渾太流域的水質(zhì)及其時(shí)空分布特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，探討水質(zhì)變化的影響因素，并研究渾太流域污染物來(lái)源及其貢獻(xiàn)率，得出以下結(jié)論。

（1）截止到2019年，渾太流域水環(huán)境質(zhì)量治理情況整體較好，汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期水質(zhì)，太子河流域的水質(zhì)優(yōu)于渾河流域的水質(zhì)，流域主要污染物為化學(xué)需氧量、氨氮。

（2）全流域水質(zhì)由上游至下游逐漸惡化，污染物含量在匯流的三岔口處達(dá)到峰值。由于人類活動(dòng)、水庫(kù)調(diào)節(jié)等因素影響，河道經(jīng)過(guò)城市群時(shí)，水質(zhì)變差；流經(jīng)水庫(kù)時(shí)，水質(zhì)會(huì)變好。

（3）全流域水環(huán)境污染主要來(lái)源于城鎮(zhèn)生活污水污染、工業(yè)生產(chǎn)污染和部分氣象原因造成的污染。渾河流域3個(gè)主成分因子的累計(jì)污染貢獻(xiàn)率為72.37%，太子河流域3 個(gè)主成分因子的累計(jì)污染貢獻(xiàn)率為68.35%?！?/p>