大伙房水庫(kù)以上水體面源污染特征及污染源識(shí)別研究

曹 丹

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

渾河大伙房以上水體為大伙房控制流域內(nèi)的全部河流和水庫(kù)，主要包括大伙房水庫(kù)及渾河上游、社河和蘇子河3條主要入庫(kù)支流[1]。大伙房水庫(kù)為遼寧中東部等城市的飲用水源地，控制流域內(nèi)水體具有連續(xù)的空間性，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水庫(kù)控制流域內(nèi)的水體污染程度發(fā)生變化，對(duì)區(qū)域的飲水安全產(chǎn)生不同程度的影響[2]。為加大大伙房水庫(kù)飲用水源地保護(hù)力度，亟需結(jié)合大伙房水庫(kù)控制流域水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水庫(kù)以上水體水質(zhì)變化特征進(jìn)行分析，并對(duì)水體主要污染來(lái)源進(jìn)行識(shí)別，從而為大伙房水庫(kù)水體保護(hù)規(guī)劃和具體措施的制定提供支撐依據(jù)[3]。近些年來(lái)，對(duì)于大伙房水庫(kù)以上控制水體水污染特征取得一定研究成果[4-14]，但這些研究存在樣點(diǎn)少、研究時(shí)間早、采樣時(shí)段窄等問(wèn)題，污染源空間和時(shí)間分布特征不清晰。為提高水源地飲水安全和利用價(jià)值，本文結(jié)合大伙房水庫(kù)以上控制水體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合主成分分析方法[15]和水質(zhì)指標(biāo)之間、水質(zhì)指標(biāo)與環(huán)境因素之間相關(guān)性分析，建立水體污染源識(shí)別技術(shù)，對(duì)大伙房水庫(kù)以上控制水體的污染源及時(shí)空分布特征進(jìn)行識(shí)別。成果為《大伙房飲用水水源保護(hù)條例》的落實(shí)和最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 污染影響因素識(shí)別方法

1.1 識(shí)別方法

針對(duì)水體污染識(shí)別的方法研究，對(duì)不同水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與影響因子之間采用主成分分析方法進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合區(qū)域污染特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別。通過(guò)對(duì)線性變化的多個(gè)變量進(jìn)行主要因子分析是主成分分析的常用的多元統(tǒng)計(jì)方法。其主要優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行主成分分析，采用“降維、去相關(guān)”對(duì)原始指標(biāo)主成分綜合分析。將一定關(guān)聯(lián)的因子進(jìn)行重新組合分析，確定其綜合指標(biāo)是主成分分析的主要方式，該方法將原始隨機(jī)變量進(jìn)行正交變換成隨機(jī)新變量。采用協(xié)方差將原隨機(jī)變量進(jìn)行對(duì)角轉(zhuǎn)換，新的正交坐標(biāo)系對(duì)原坐標(biāo)系進(jìn)行幾何表現(xiàn)，使得具有p個(gè)正交方向的樣點(diǎn)分布，采用降維方式對(duì)多變量進(jìn)行處理，新變量中具有較大方程的可以對(duì)多個(gè)原始變量進(jìn)行主要信息的綜合反映，使其包含原始變量信息，主要變量構(gòu)建方程為：

Zp=up1X1+up2X2+…uppXp

(1)

式中，Zp—p個(gè)主成分；Xp—p個(gè)變量；u—權(quán)重。

1.2 主成分分析的基本步驟

(1)對(duì)原有變量進(jìn)行坐標(biāo)變化，可得：

Zp=u1px1+u2px2+…uppxp

(2)

其中：

(3)

(2)提出主成分，z1稱為第一主成分，其滿足條件：

u′1u1=1

(4)

var(zi)=maxvar(u′x)

(5)

z2稱為第二主成分，其滿足條件：

cov(z1，z2)=0

(6)

u′2u2=1

(7)

var(z2)=maxvar(Ux)

(8)

其余主成分所滿足的條件以此類推。

2 大伙房水庫(kù)以上控制水體污染特征

采用GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)大伙房水庫(kù)以上水體水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)其主要污染因子進(jìn)行時(shí)空分布特征的識(shí)別，對(duì)控制流域內(nèi)主要入庫(kù)河流富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)評(píng)價(jià)。

2.1 全部樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

選取的18個(gè)水質(zhì)采樣點(diǎn)分別位于渾河、社河和蘇子河作為大伙房水庫(kù)以上控制水體內(nèi)，各采樣點(diǎn)分布見(jiàn)表1。按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》，進(jìn)行29項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 水質(zhì)采樣點(diǎn)位置

由表2可知，除總氮外，其他指標(biāo)均低于Ⅱ類地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，表明大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)水體整體具有良好的水質(zhì)狀況。超標(biāo)嚴(yán)重的2個(gè)指標(biāo)為總氮和糞大腸菌群，2個(gè)指標(biāo)最低值均大于對(duì)應(yīng)的Ⅱ類水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值，全年總氮在整個(gè)控制流域水體內(nèi)污染指數(shù)較高。渾河和蘇子河2個(gè)支流是超標(biāo)樣本糞大腸菌群的主要來(lái)源，全年各月份均超過(guò)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。大伙房水庫(kù)、紅升水庫(kù)、腰堡水庫(kù)在7月份有10個(gè)樣本pH值超標(biāo)，其他各指標(biāo)最高值均不超標(biāo)。變異系數(shù)高于100%的水質(zhì)指標(biāo)分別為氨氮、汞、揮發(fā)酚、糞大腸菌群、硫酸鹽、鐵、錳、葉綠素、懸浮物、渾濁度、色度，表明各指標(biāo)具有較為明顯的異質(zhì)性時(shí)空分布特征。

表2 所有樣品29項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)性描述

2.2 總氮變化特征

考慮到大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)總氮和糞大腸菌群超標(biāo)嚴(yán)重，結(jié)合各采樣點(diǎn)總氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)河流2014—2018年總氮時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，如圖1所示。

由圖1可知，各采樣點(diǎn)總氮濃度均值為2.76mg/L，濃度區(qū)間主要在0.63～9.25之間變化。有98%的樣本超過(guò)了地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(1.0mg/L)，各樣本中濃度超過(guò)1.5mg/L(Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))的比例達(dá)到92%，超過(guò)2.0mg/L(Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn))的樣本比例達(dá)到77%，總氮污染程度較高。從總氮污染空間分布特征可看出，渾河上游總氮濃度均值為3.35mg/L，超標(biāo)樣本個(gè)數(shù)達(dá)到71個(gè)，總氮污染程度最高，其次是蘇子河，其總氮濃度均值為2.95mg/L，超標(biāo)樣本的個(gè)數(shù)為114個(gè)，社河總氮污染程度在3條主要河流中最低，其總氮濃度均值為2.45mg/L，有132個(gè)樣本超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 全部樣點(diǎn)總氮濃度分布圖

2.3 糞大腸菌群變化特征

大伙房水庫(kù)控制流域全部樣點(diǎn)糞大腸菌群濃度如圖2所示，共454個(gè)樣本，糞大腸菌群濃度范圍為0～198000個(gè)/L，其中33%滿足地表水Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(200個(gè)g/L)，59%滿足Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(2000個(gè)g/L)，76%滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(10000個(gè)g/L)，81%滿足Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(20000個(gè)g/L)，89%滿足Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(40000個(gè)g/L)。整體渾河上游糞大腸菌群濃度均值為121226個(gè)/L，84個(gè)樣本超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，為濃度最高的河流，其次為蘇子河，其糞大腸菌群濃度均值為17371個(gè)/L，超標(biāo)樣本的個(gè)數(shù)為152個(gè)，社河及庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)糞大腸菌群濃度最低，其糞大腸菌群濃度均值分別為6165個(gè)/L和149個(gè)/L，超標(biāo)樣本的個(gè)數(shù)90個(gè)和130個(gè)。

圖2 全部樣點(diǎn)糞大腸菌群濃度分布圖

2.4 富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)變化特征

結(jié)合綜合加權(quán)指數(shù)法對(duì)大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)2014—2017年富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)變化特征進(jìn)行分析，如圖3所示。

從圖3中可以看出，從2014年起，大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)逐年遞減，29%的樣本在2014年富營(yíng)養(yǎng)化程度處于輕度-中度之間，7%的樣本在2017年處于輕度等級(jí)。除2017年外，每年7、8、9月富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)高，5、10、11月低，夏季富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)總體較高，秋冬季營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)較低，富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)在2017年總體處于中等程度，月際沒(méi)有顯著差異。其中2017年5月富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)整體偏高，接近富營(yíng)養(yǎng)化警戒線，主要是總氮濃度超標(biāo)導(dǎo)致，濃度高樣點(diǎn)渾73是大伙房水庫(kù)內(nèi)渾河入庫(kù)后的樣點(diǎn)，北雜木位于渾河入庫(kù)口。渾73與北雜木2點(diǎn)的富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)高于其他樣點(diǎn)，處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化水平，并且在大部分時(shí)間下，北雜木富營(yíng)養(yǎng)程度低于渾73水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)。位于蘇子河和社河入庫(kù)口的古樓、臺(tái)溝2個(gè)采樣點(diǎn)處于中等富營(yíng)養(yǎng)化程度，因此大伙房水庫(kù)庫(kù)區(qū)主要受渾河上游來(lái)水導(dǎo)致的富營(yíng)養(yǎng)化可能性較高。樣點(diǎn)渾37左和渾37右位于水庫(kù)中部的同一監(jiān)測(cè)斷面，富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)大小及變化趨勢(shì)一致。2014—2015年渾37左富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)高于渾37右，是由于靠近渾37左的岸邊農(nóng)業(yè)種植更加密集。撫順取水口和壩前2點(diǎn)位于大伙房水庫(kù)出庫(kù)口附近，除2014年7月和2017年5月外，其他時(shí)間均處于中營(yíng)養(yǎng)水平。

圖3 庫(kù)區(qū)及入庫(kù)口富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)分布圖

3 大伙房水庫(kù)以上控制水體面源污染識(shí)別

3.1 污染識(shí)別結(jié)果

分別選取渾河上游、蘇子河、社河的5個(gè)采樣點(diǎn)，進(jìn)行總氮、總磷、糞大腸菌群等18個(gè)指標(biāo)污染源識(shí)別，將354個(gè)樣本的18個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，分析矩陣見(jiàn)表3。

表3 主成分分析矩陣

第一個(gè)主成分解釋了總體方差的20.8%，包括總磷、氟化物、鐵、錳等指標(biāo)，推測(cè)為地下水污染與底泥釋放源，來(lái)自于地下水補(bǔ)給及河流底泥沉積的污染物釋放?？偭缀丸F的Spearman相關(guān)系數(shù)為0.513，具有顯著相關(guān)性，撫順地區(qū)地下水質(zhì)中根據(jù)《撫順市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)成果報(bào)告》超標(biāo)的指標(biāo)主要有氟化物、鐵、錳，地表水和地下水的互相補(bǔ)給過(guò)程中會(huì)使得超標(biāo)污染物相互遷移。同時(shí)通過(guò)調(diào)查顆粒形態(tài)磷沉積在底泥之中主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)面源，底泥在厭氧條件下其鐵、磷等污染物能夠與氫氧化三鐵進(jìn)行吸附和釋放，因此地下水污染及底泥釋放是其第一個(gè)主成分的主要污染源。

氣溫、水溫和溶解氧在第二主成分中總體方差為15.5%，其中負(fù)貢獻(xiàn)率指標(biāo)為溶解氧。溶解氧和水溫按照Spearman相關(guān)性分析具有顯著相關(guān)，水中溶解的氧因?yàn)樯叩乃疁厥沟闷錆舛容^低，水溫和氣溫屬于氣候自然變化，而不是污染來(lái)源，因此氣候因素是第二主成分。

總氮和硝酸鹽氮在第三主成分中總體方差為9.9%，且具有顯著相關(guān)性。大氣沉降、化肥流失、動(dòng)物排泄、生活污水等是水體氮素的主要來(lái)源，化肥流失和動(dòng)物糞便是硝酸鹽氮的主要來(lái)源，因此第三主成分中農(nóng)田流失是總氮和硝酸鹽氮的主要來(lái)源，控制流域內(nèi)尿素用量較高，其耕地主要分布在流域兩岸丘陵地區(qū)，夏季化肥受降水和水土流失影響流失風(fēng)險(xiǎn)較高，因此農(nóng)業(yè)種植源是第三主成分污染主要來(lái)源。

五日生化需氧量、氨氮、總磷和糞大腸菌群等指標(biāo)在第四主成分中方差總體較高，畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活是其污染主要來(lái)源，糞大腸菌群濃度較高的采樣點(diǎn)主要分布在大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)農(nóng)村居民人口較多的區(qū)域。糞大腸菌群和人口數(shù)按照Spearman相關(guān)性分析具有較高的關(guān)聯(lián)度，區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖廠主要分布在大伙房水庫(kù)控制流域河流沿岸，排放的污染物易流失進(jìn)入水體。因此定義PC4為農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖源。

第五個(gè)主成分解釋了總體方差的7.4%，包括高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量，代表有機(jī)物污染。高錳酸鹽指數(shù)與水體中各指標(biāo)均具有較高的關(guān)聯(lián)度，其主要污染為工業(yè)、生活廢水。

砷、硫酸鹽和氯化物在第六主成分中總體解釋方差為6.3%，其主要污染指標(biāo)主要受地質(zhì)影響。

pH值為第七主成分，其主要和鉀鈉鈣鎂等離子具有較高的關(guān)聯(lián)度，其主要受歷史積累所影響。

3.2 主要識(shí)別污染源時(shí)空分布

對(duì)識(shí)別出2大超標(biāo)水質(zhì)的污染源時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，確定污染源的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間與樣點(diǎn)位置。

(1)農(nóng)業(yè)種植源

對(duì)大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)種植源得分進(jìn)行時(shí)空分布統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。

從圖4中可看出從2014—2018年大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植源呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化特征，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)從2017年開(kāi)始春季主成分值高，到夏季有所減小，到秋季再逐步增加的變化分布，這主要受地區(qū)農(nóng)業(yè)施肥方式有關(guān)，春季施肥量較高，污染流失率較大，夏季由于作物較為茂盛減低了降雨影響的化肥流失濾。農(nóng)作物在秋季收割后由于裸露地表增加了其流失率。渾河上游北雜木、蘇子河紅升水庫(kù)、永陵和古樓等樣點(diǎn)由于有面積較大的耕地，其農(nóng)業(yè)種植源影響下的污染物流失率均較高。

圖4 農(nóng)業(yè)種植源得分分布圖

(2)農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖源

對(duì)大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)的農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖源得分進(jìn)行時(shí)空分布統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。

圖5 農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖源得分分布圖

北雜木、木奇和永陵采樣點(diǎn)的農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖源得分均高于其他水質(zhì)采樣點(diǎn)，渾河上游和蘇子河是采樣點(diǎn)的主要分布河流，農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖是渾河上游和蘇子河較為嚴(yán)重的污染來(lái)源。通過(guò)對(duì)渾河、蘇子河、社河入庫(kù)口家禽調(diào)查，其數(shù)量超過(guò)7萬(wàn)只，2016—2017各采樣點(diǎn)農(nóng)村生活及畜禽養(yǎng)殖源得分具有明顯遞減變化，這主要是因?yàn)閲?yán)格劃定了畜禽禁養(yǎng)區(qū)。

4 結(jié)論及建議

(1)大伙房水庫(kù)控制流域2個(gè)污染因子具有相似的空間變化特征，即渾河上游>蘇子河>社河和庫(kù)區(qū)?？偟獫舛瓤傮w呈現(xiàn)逐年降低趨勢(shì)，年內(nèi)變化為春季高、夏季下降、秋冬季升高。糞大腸菌群濃度年際間無(wú)差異，同年內(nèi)先增加再降低，峰值常出現(xiàn)在7—9月。

(2)庫(kù)區(qū)水體整體處于中營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，營(yíng)養(yǎng)水平為磷限制型，且富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)。應(yīng)在庫(kù)區(qū)上游設(shè)置污染修復(fù)區(qū)，以降低上游污染對(duì)入庫(kù)水質(zhì)影響。

(3)本文未對(duì)大伙房水庫(kù)控制流域內(nèi)面源污染調(diào)控措施進(jìn)行深入分析，存在不足，在后續(xù)研究中還應(yīng)對(duì)流域內(nèi)面源污染調(diào)控措施進(jìn)行深入分析。