崇明島主要河道水質(zhì)評價及時空變化特征

孔 若 楠，蘇 敬 華，黃 沈 發(fā)，

(1.東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620； 2.上海市環(huán)境科學研究院，上海 200233)

0 引 言

崇明島是世界上最大的河口沖積島和中國第三大島，發(fā)揮著重要的生態(tài)服務(wù)功能。地表水作為崇明島重要的環(huán)境要素之一，是生態(tài)島建設(shè)工作的重點。2010年，上海市政府發(fā)布《崇明生態(tài)島建設(shè)綱要(2010～2020年)》，明確了“骨干河道水質(zhì)達到Ⅲ類水域比例”這一關(guān)鍵指標。因此，研究近年來崇明島地表水水質(zhì)變化特征和趨勢，對科學評估崇明生態(tài)島建設(shè)進程和成效、保障崇明島地表水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義[1-2]。

目前，較為典型的水質(zhì)評價方法主要有單因子評價法、污染指數(shù)法、主成分分析法、灰色系統(tǒng)評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[3-4]。葉焰中等[5]通過計算水質(zhì)綜合指數(shù)評價亞熱帶水源型水庫的水質(zhì)狀況，并通過多元線性回歸優(yōu)化水質(zhì)綜合指數(shù)；Minakshi等[6]采用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法分析了科隆河的季節(jié)性水質(zhì)狀況；楊浩等[7]采用主成分分析法對張家港市河道水質(zhì)時空分布特征進行了研究，識別了主導河道水質(zhì)的環(huán)境因子；劉彥龍等[8]基于層次聚類分析和主成分分析等多元數(shù)據(jù)分析方法，結(jié)合改進的綜合水質(zhì)標識指數(shù)，探究了黃河流域水質(zhì)的時空變化特征。由于各類方法的局限性和適用性，應(yīng)根據(jù)河流水質(zhì)的特點選擇合適的評價方法，以確保評價結(jié)果更加準確[9]。

本文基于崇明島生態(tài)環(huán)境預(yù)警監(jiān)測評估體系，選取島內(nèi)6個地表水質(zhì)斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用單因子評價法、均值綜合污染指數(shù)法進行水質(zhì)評價，采用主成分分析法、聚類分析法及Spearman秩相關(guān)系數(shù)法，對崇明島主要河道地表水環(huán)境質(zhì)量的水質(zhì)時空特征及變化趨勢進行研究，識別關(guān)鍵污染因子及其貢獻程度，綜合評價崇明島主要河道各斷面水質(zhì)狀況及年際變化特征，為生態(tài)島后續(xù)發(fā)展和水環(huán)境管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

崇明島位于西太平洋沿岸中國海岸線的中點地區(qū)，121°09′30″E～121°54′00″E，31°27′00″N～31°51′15″N，地處中國最大河流長江入?？凇Ｈ珝u面積1 269.1 km2，東西長80 km，南北寬13～18 km。島上地勢平坦，河網(wǎng)密集，共有河道12 000多條，除環(huán)島河(分南橫引河和北橫引河)貫通崇明島外，還有眾多豎河、橫河、泯溝等，構(gòu)成“1環(huán)、2湖、29豎、27閘”“南引北排”“西水東調(diào)”的引排格局(見圖1)。其地表水功能區(qū)目標為Ⅲ類水體。

圖1 監(jiān)測斷面分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

基于崇明島生態(tài)環(huán)境預(yù)警監(jiān)測評估體系，選取2010～2020年5個主要評估年份(2010，2012，2015，2018，2020年)6個地表水質(zhì)斷面，分別為南橫引河-三沙洪交匯口(Y1)、南橫引河-新河港交匯口(Y2)、南橫引河-堡鎮(zhèn)水廠(Y3)、南橫引河-奚家港交匯口(Y4)、北橫引河-前衛(wèi)村橋(Y5)、北橫引河-七滧港西橋(Y6)(見圖1)。水質(zhì)分析因子包括：溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(IMn)、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)。

2.2 評價方法

2.2.1單因子水質(zhì)標識指數(shù)法

單因子水質(zhì)指數(shù)Pi由一位整數(shù)、小數(shù)點后2位或3位有效數(shù)字組成，可判斷崇明島主要河道水質(zhì)類別、污染程度及首要污染因子[9-10]，表達式為

Pi=X1.X2X3

(1)

式中：X1表示所監(jiān)測水體的水質(zhì)類別；X2表示監(jiān)測值在X1類水質(zhì)變化區(qū)間所處的位置，水質(zhì)變化區(qū)間由監(jiān)測值與GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中標準值比較確定。X1.X2代表單項水質(zhì)指標的類別和污染程度，其意義為：1.0≤X1.X2≤2.0,Ⅰ類水；2.06.0,劣Ⅴ類水，數(shù)值越大,水質(zhì)越差。X3表示所監(jiān)測水體水質(zhì)類別與所屬功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果，X3=0表示水質(zhì)達到功能區(qū)類別，X3=1表示水質(zhì)劣于功能區(qū)1個類別，X3=2表示水質(zhì)劣于功能區(qū)2個類別，以此類推[11]。

2.2.2均值型綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法能夠較為準確地反映水質(zhì)綜合狀況，廣泛應(yīng)用于地表水水質(zhì)分析中[12]。根據(jù)崇明島地表水環(huán)境的污染特點及功能區(qū)劃，選取具有代表性的污染物，按照Ⅲ類功能區(qū)標準計算水質(zhì)綜合污染指數(shù)，評價水質(zhì)的綜合狀況，評價指標包括DO、IMn、COD、BOD5、NH3-N、TP。表達式為

Pi=Ci/Si

(2)

(3)

式中：Ci表示污染物監(jiān)測值；Si表示相應(yīng)類別的標準值；n表示評價指標數(shù)量，Pi表示單項污染指數(shù)；P表示綜合污染指數(shù)。

2.2.3主成分分析法

主成分分析法是利用降維思想把多維因子轉(zhuǎn)換為同一系統(tǒng)中從而實現(xiàn)定量化研究的統(tǒng)計分析方法[13]?；?個主要評估年份7項指標的月份監(jiān)測結(jié)果，利用SPSS 26.0軟件進行Z-Score標準化處理與主成分分析，得到特征值和方差貢獻率，提取特征值>1的主成分；采用最大方差法進行因子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣，篩選與各主成分高度相關(guān)的主要污染指標，并在此基礎(chǔ)上進行量化排序；根據(jù)特征值和得分系數(shù)矩陣，分別以時間和空間為出發(fā)點計算各主成分得分與綜合得分。主成分得分值越高，說明水環(huán)境中污染物含量越高，水質(zhì)越差[14]。通過對各斷面主成分綜合得分值排序，反映水質(zhì)空間分布特征。

2.2.4Spearman秩相關(guān)系數(shù)法

秩相關(guān)系數(shù)法可用于檢驗水質(zhì)指標數(shù)據(jù)序列與其響應(yīng)時間序列間的相關(guān)性，從而判斷水質(zhì)序列在時間序列上是否存在趨勢變化[15]。以時間為出發(fā)點計算主成分得分及秩相關(guān)系數(shù)，將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對值同spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp進行比較，從而研究崇明島主要河道在評價時段的水質(zhì)變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)評價

3.1.1單因子評價結(jié)果

2010～2020年5個主要評估年份，主要河道各監(jiān)測斷面水質(zhì)維持在Ⅱ～Ⅲ類，水質(zhì)達標率控制在100%。根據(jù)單因子水質(zhì)標識指數(shù)，南橫引河各監(jiān)測斷面(Y1、Y2、Y3、Y4)，DO、COD、BOD5達到Ⅰ類水標準，IMn、NH3-N達到Ⅱ類水標準；北橫引河各監(jiān)測斷面(Y5、Y6)所有指標均符合Ⅲ類水標準，其中DO達到Ⅱ類水標準。此外，TP單因子水質(zhì)標識指數(shù)偏高，最高值出現(xiàn)在2020年北橫引河斷面Y6，達到3.60，有超出Ⅲ類水標準的趨勢(見表1)。

表1 單因子水質(zhì)標識指數(shù)

3.1.2水體污染程度

根據(jù)水質(zhì)均值型指數(shù)，南橫引河各監(jiān)測斷面歷年水質(zhì)均優(yōu)于北橫引河，其中南橫引河2012年水質(zhì)達到最優(yōu)，4個斷面均處于尚清潔狀態(tài)；北橫引河Y5、Y6在主要年份均處于輕污染狀態(tài)，2018年水質(zhì)最差(見表2)。

表2 水質(zhì)指標均值型指數(shù)

3.2 主要影響因子

基于5個主要評估年份的監(jiān)測結(jié)果，對6個監(jiān)測斷面中的7項指標做主成分分析。統(tǒng)計檢驗得到KMO檢驗結(jié)果為0.617，大于0.6；Bartlett球形檢驗P值小于0.001，表明差異檢驗值顯著，適合進行主成分分析。依據(jù)Kaiser-Harris準則，篩選出特征值大于1的主成分，累計貢獻率達到75.486%，第一主成分(F1)方差貢獻率為35.959%，在IMn、BOD5、COD上有較大載荷，可作為反映水體中有機污染物含量的指標；第二主成分(F2)方差貢獻率為21.978%，在TN、NH3-N上有較大載荷，可作為表征水體氮素污染程度的指標；第三主成分(F3)方差貢獻率為17.549%，在TP、DO上有較大載荷，可作為解釋水體富營養(yǎng)化水平的指標(見表3～4)。通過主成分篩選及貢獻程度計算，確定影響水質(zhì)關(guān)鍵因子的貢獻程度，從大到小依次為IMn、BOD5、COD、TN、NH3-N、TP、DO。崇明島主要河道水環(huán)境中有機污染與氮素污染并存，有機型污染是其面臨的最主要水質(zhì)問題，這與居民生活污水排放及作為崇明島主要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)造成的面源污染有關(guān)。

表3 特征值及主成分貢獻率

表4 旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷矩陣

3.3 水質(zhì)空間特征

3.3.1水質(zhì)空間聚類

對7組水質(zhì)數(shù)據(jù)歸一化處理后進行系統(tǒng)聚類(見圖2)，聚類算法選用組間連接法，距離測量采用平方歐式距離，得到聚類譜系圖。6個監(jiān)測斷面在空間區(qū)域上按水質(zhì)綜合相似性，分為2個集群，監(jiān)測斷面Y1、Y2、Y3、Y4歸為一類，Y5、Y6歸為一類，表明南、北橫引河水質(zhì)情況有較大差異。

圖2 水質(zhì)空間聚類分析結(jié)果

3.3.2水質(zhì)空間分布

以空間為出發(fā)點計算主成分得分(見表5)，各監(jiān)測斷面主成分綜合得分值排序為：Y5>Y6>Y3>Y4>Y1>Y2，說明崇明島主要河道水質(zhì)南部優(yōu)于北部。這主要是由于崇明島北部的部分河道淤淺嚴重，部分水閘失去“南引北排”的功能[16]，造成北部地區(qū)排引不暢，河道稀釋自凈能力降低。南橫引河水質(zhì)中上游總體優(yōu)于下游河段，而北橫引河中上游水質(zhì)劣于下游。Y1地處崇明島主城區(qū)，人類活動對水質(zhì)影響較大，因此Y1雖位于上游但水質(zhì)略差。從各項主成分得分上看，北橫引河F1得分值均大于1，明顯高于南橫引河，特別是位于崇明島重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的Y5，達到1.817 0，表明該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源造成的有機型污染對水質(zhì)狀況影響顯著。

表5 各監(jiān)測斷面主成分分值及排序

3.4 水質(zhì)時間變化

從圖3的各指標年際變化趨勢看，IMn、TP年均值相對較穩(wěn)定，BOD5、TD、NH3-N呈下降趨勢，崇明島主要河道氮素污染有所改善，而COD年均值有較明顯升高，意味著水環(huán)境中還原性污染物大量增加，其中主要是有機污染物，這些有機物污染的來源可能是農(nóng)藥、化工廠、有機肥料等，下一步需重點關(guān)注。

圖3 主要水質(zhì)參數(shù)年際變化

以時間為出發(fā)點計算主成分得分，采用 Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法，對各監(jiān)測斷面主成分得分值與時間序列進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表6所列。結(jié)果表明，崇明島主要河道總體上水質(zhì)穩(wěn)定，且水質(zhì)隨時間變化趨勢無顯著意義。由于自然演變、地區(qū)開發(fā)等原因，崇明河道存在較多斷頭河浜，水系連通性較差，水動力嚴重不足，水體自凈能力較弱[17]，因此其水環(huán)境易受外界環(huán)境及人為擾動影響。在崇明生態(tài)島建設(shè)發(fā)展的背景下，污水處理能力不斷提升，治水管水成效初步顯現(xiàn)。

表6 各監(jiān)測斷面主成分得分值與時間變化相關(guān)性分析

4 討 論

從空間變化上看，南、北橫引河水質(zhì)情況有較大差異。北橫引河監(jiān)測斷面Y5、Y6在主要年份均處于輕污染狀態(tài)，且F1得分值均大于1，即兩斷面主控因素為IMn、BOD5、COD。根據(jù)遙感影像解譯分析，Y5、Y6河段存在大面積農(nóng)用耕地[18]，說明該河段農(nóng)業(yè)面源造成的有機型污染對水質(zhì)狀況有顯著影響。根據(jù)均值綜合污染指數(shù)與主成分綜合得分值，南橫引河各監(jiān)測斷面水質(zhì)均優(yōu)于北橫引河，南橫引河水質(zhì)中上游總體優(yōu)于下游河段，表明“南引北排”“西水東調(diào)”的引排格局促使污染物隨河流向下游運移，水體自凈能力不足以消除污染。

從時間變化上看，各監(jiān)測斷面水質(zhì)維持在Ⅱ～Ⅲ類，總體上水質(zhì)穩(wěn)定；氮素污染在2015年后有顯著改善。十年來，按照《崇明生態(tài)島建設(shè)綱要(2010-2020)》《上海市水污染防治行動計劃實施方案》及《崇明世界級生態(tài)島發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求，崇明島大力開展河道專項整治，推進污染源污水截污納管、提標改造等[19]，在水環(huán)境治理上，取得了一定成果。

針對TP潛在超標性強、COD年均值有較明顯升高的問題，建議進一步采取農(nóng)藥化肥施用管控措施，加強農(nóng)業(yè)面源污染治理；研究相關(guān)污染物排放溯源清單，為精準實施污染物總量控制提供支撐。針對北部地區(qū)水動力不足導致污染累積的問題，建議進一步加強河道清理疏浚，保障水系暢通，提高水體稀釋自凈能力。此外，根據(jù)崇明島主要河道水質(zhì)評價結(jié)果與時空變化特征，建議實施分區(qū)管理，重點針對主城區(qū)、重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)等區(qū)域，拓展現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境預(yù)警監(jiān)測體系覆蓋面及監(jiān)測指標，提高預(yù)警監(jiān)測評估能力；并基于區(qū)域土地利用和產(chǎn)業(yè)分布特征，進行專項溯源監(jiān)測及調(diào)查，制定分區(qū)水質(zhì)提升綜合方案，有效改善水環(huán)境現(xiàn)狀。

5 結(jié) 論

(1)2010～2020年5個主要評估年份，崇明島主要河道水質(zhì)達標率維持在100%，TP單因子水質(zhì)標識指數(shù)偏高，最高值出現(xiàn)在北橫引河Y6，有超出Ⅲ類水標準的趨勢；南橫引河2012年水質(zhì)最優(yōu)，4個斷面均處于尚清潔狀態(tài)，北橫引河Y5、Y6歷年均處于輕污染狀態(tài)。

(2)影響水質(zhì)關(guān)鍵因子的貢獻程度從大到小依次為IMn、BOD5、COD、TN、NH3-N、TP、DO，水環(huán)境中有機污染與氮素污染并存，有機型污染是崇明島河道面臨的最主要水質(zhì)問題。

(3)南橫引河水質(zhì)優(yōu)于北橫引河，南橫引河水質(zhì)中上游總體優(yōu)于下游河段，北橫引河中上游水質(zhì)劣于下游；崇明島主要河道總體水質(zhì)穩(wěn)定，且水質(zhì)隨時間變化趨勢無顯著意義，氮素污染有所改善，但水環(huán)境中有機污染物有所增加。