王正冉,王笑峰,張明勝,溫玉強(qiáng),任小花
(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150050;3.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022)
山東省聊城市地處魯西地區(qū),位于華北、華中、華東三大行政區(qū)交界處,是輻射冀、魯、豫交界地區(qū)的中心城市。隨著聊城市工業(yè)化進(jìn)程推進(jìn),人口迅速增長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,水資源供需矛盾與水體污染問(wèn)題日益突出。河流水質(zhì)評(píng)價(jià)是合理開(kāi)發(fā)利用水資源及水環(huán)境管理的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前常用的河流水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單因子評(píng)價(jià)法[1]、綜合污染指數(shù)法[2]、水質(zhì)指數(shù)法[3-4]、多元統(tǒng)計(jì)分析法[5-9]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[10]、灰色系統(tǒng)理論[11]以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[12]等。
近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)聊城市水質(zhì)現(xiàn)狀開(kāi)展了相關(guān)研究。姚志遠(yuǎn)[13]通過(guò)分析徒駭河聊城段監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù),采用單因子評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出了污染防治措施。曹建榮等[14]采用單因子評(píng)價(jià)法分析了馬頰河的水質(zhì)數(shù)據(jù)并識(shí)別出了主要污染物。藺照蘭等[15]采用灰色聚類法對(duì)東昌湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行了評(píng)價(jià),并提出了可持續(xù)發(fā)展對(duì)策。王東麗等[16]運(yùn)用單因子指數(shù)與內(nèi)梅羅指數(shù)法分析了東昌湖水體的主要污染因子,并進(jìn)行了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。從以上研究成果可以看出,目前對(duì)聊城市內(nèi)單一河流或湖泊的水質(zhì)評(píng)價(jià)研究較深入,并獲得了科學(xué)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。
為了更加全面地了解聊城市主要河流的水質(zhì)現(xiàn)狀,并從大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中識(shí)別河流的主要污染因素,本文中以2016—2018年聊城市4條主要河流的16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用基于層次分析的水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)方法,分析聊城市主要監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的演變狀況;通過(guò)聚類分析方法識(shí)別聊城市河流水質(zhì)狀況的空間分布特征;利用主成分分析及因子分析方法識(shí)別污染嚴(yán)重?cái)嗝娴奶卣魑廴疚锊⑻接懳廴局饕梢?,以期為改善聊城市水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)水資源、水環(huán)境、水生態(tài)“三水”統(tǒng)籌管理提供科學(xué)參考。
聊城市位于山東省西部,西部與河北省邢臺(tái)市隔衛(wèi)運(yùn)河相望,南部和東南部隔金堤河、黃河分別與河南省及山東省濟(jì)寧、泰安、濟(jì)南市為鄰。區(qū)域內(nèi)主要河流包括衛(wèi)運(yùn)河、馬頰河、徒駭河、金堤河、黃河等。全市總面積為8 715 km2,南北長(zhǎng)度為159 km,東西寬度為114 km,占山東省總面積的5.6%。該市處于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū),屬半干旱半濕潤(rùn)大陸性氣候,多年平均氣溫為13.1 ℃,最低氣溫出現(xiàn)在每年1月,月平均氣溫為-4~-1 ℃;最高氣溫出現(xiàn)在7月,月平均氣溫為25~27 ℃。
聊城市地處華北平原,市區(qū)內(nèi)地形平緩,地勢(shì)西南高、東北低。1953—2019年降水資料顯示,全市多年平均降水量為559.5 mm,最大降水量為954.2 mm(2013年),最小降水量為301.0 mm(2002年),年內(nèi)降水量主要集中在汛期(6—9月),約占全年降雨量的71%。
16個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面(包括5個(gè)國(guó)控?cái)嗝妗?個(gè)省控?cái)嗝婧?個(gè)市控?cái)嗝?位置如圖1所示。從河流分布來(lái)看,衛(wèi)運(yùn)河有3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,即油坊橋、臨清大橋和稱溝灣;徒駭河有7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,即前油坊、博平橋、聊位路橋、王堤口、李鳳桃、莘縣橋和畢屯;馬頰河有4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,即董姑橋、三十里鋪、千戶營(yíng)和任堂橋;金堤河有2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,即張秋閘和仲子廟。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的監(jiān)測(cè)原則和方法,于2016—2018年對(duì)16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行采樣,采樣頻次為每月1次;按照文獻(xiàn)[17]中的方法進(jìn)行樣品預(yù)處理和污染物濃度測(cè)定。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性,選取10個(gè)常用的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析,即pH、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH4-N)、總磷(TP)、氟化物(F)、揮發(fā)酚(VP)、糞大腸桿菌(FC)。
圖1 山東省聊城市16個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面位置(地圖從標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站下載,審圖號(hào)為GS(2019)1822號(hào)(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/download.html?searchText=GS),根據(jù)山東省聊城市生態(tài)環(huán)境局公布的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù),經(jīng)地理信息軟件ArcGIS數(shù)據(jù)化處理繪制。)
1.3.1 水質(zhì)指數(shù)法
水質(zhì)指數(shù)(WQI)法是一種將多種水質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為單一指標(biāo)來(lái)描述水質(zhì)整體狀況的數(shù)值方法。水質(zhì)指數(shù)Iwq計(jì)算公式[4]為
(1)
式中:n為水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù);wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,采用層次分析法[18]進(jìn)行設(shè)定;ci為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值,每個(gè)監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002中的水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
Iwq各指標(biāo)權(quán)重的設(shè)定依據(jù)文獻(xiàn)[4,19]采用在線計(jì)算工具AHP Priority Calculator進(jìn)行劃分計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1。Iwq取值范圍為0~100,數(shù)值越大表示水質(zhì)越好[4]。
表1 水質(zhì)指數(shù)法各指標(biāo)權(quán)重及標(biāo)準(zhǔn)化值
1.3.2 系統(tǒng)聚類分析法
系統(tǒng)聚類分析法是一種應(yīng)用廣泛的探索性識(shí)別技術(shù),其實(shí)質(zhì)是根據(jù)系統(tǒng)的近似性或相似性將具有類似特性的待評(píng)價(jià)目標(biāo)以逐次聚合的方法進(jìn)行歸類[20-21],可以直觀反映類與類之間數(shù)據(jù)的相似性和差異性。本文中采用系統(tǒng)聚類分析法中變量聚類分析法對(duì)所有監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚類分析。采用離差平方和(WARD)法[22]和平方歐氏距離法作為度量標(biāo)準(zhǔn)[22]。
假設(shè)類Gp與類Gq合并成新類Gr(p、q、r分別為不同樣本的維度,p、q、r=1,2,…,n),則Gr與任一類Gi的距離遞推公式為
(2)
(3)
1.3.3 主成分分析及因子分析法
主成分分析通過(guò)研究原始變量間的內(nèi)部關(guān)系,采用降維的方法將原始變量歸納為少數(shù)不相關(guān)的新變量,從而達(dá)到用少數(shù)新變量可以反映原始變量大部分信息的目的[4,22]。因子分析通過(guò)因子的旋轉(zhuǎn)使因子載荷矩陣中的每一列元素盡可能地拉開(kāi)距離,每一個(gè)新變量只對(duì)少數(shù)幾個(gè)原始變量具有高載荷,其余載荷很小,簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[23]。本文中在對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析過(guò)程中,保留累計(jì)方差占比大于80%的新變量作為因子[24]。
以2016—2018年16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的月度水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用WQI法得到每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)指數(shù)平均值,如圖2所示。由圖可知:從整體來(lái)看,大部分監(jiān)測(cè)斷面的WQI平均值為40~70,說(shuō)明4條河流的總體水質(zhì)狀況良好,大部分監(jiān)測(cè)斷面能達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水的要求。從河流來(lái)看,衛(wèi)運(yùn)河3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的WQI平均值為60~65,變化范圍較小,表明衛(wèi)運(yùn)河水質(zhì)整體狀況最好,且水質(zhì)較穩(wěn)定;金堤河2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的WQI平均值相差較大,說(shuō)明金堤河上游和下游段水質(zhì)差別較大,水質(zhì)不穩(wěn)定;馬頰河4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的WQI平均值相差較大,說(shuō)明馬頰河從上游到下游沿程水質(zhì)狀況變化較大;徒駭河7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的WQI平均值都在60左右,相差較小,表明徒駭河沿程水質(zhì)較穩(wěn)定。從監(jiān)測(cè)斷面看,仲子廟、任堂橋、李鳳桃、王堤口監(jiān)測(cè)斷面的WQI平均值相對(duì)較小,說(shuō)明這4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)相對(duì)較差。
圖2 山東省聊城市16個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)指數(shù)平均值
為了進(jìn)一步分析聊城市主要河流水質(zhì)的空間特性,以16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的WQI平均值為基礎(chǔ),采用WARD法進(jìn)行聚類分析,結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出,監(jiān)測(cè)斷面可以聚類為5組[25]。第1組包括董姑橋(馬頰河)、千戶營(yíng)(馬頰河)、博平橋(徒駭河)、畢屯(徒駭河)和前油坊(徒駭河),結(jié)合監(jiān)測(cè)斷面位置的分布(圖1)可以看出,本組除畢屯外,其余監(jiān)測(cè)斷面均位于聊城市東北部;第2組包括李鳳桃(徒駭河)、王堤口(徒駭河)和仲子廟(金堤河)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,均位于聊城市西南部;第3組只有1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,即任堂橋(馬頰河),位于聊城市西南部;第4組包括臨清大橋(衛(wèi)運(yùn)河)、油坊橋(衛(wèi)運(yùn)河)和稱溝灣(衛(wèi)運(yùn)河)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,均位于聊城市西北部;第5組包括莘縣橋(徒駭河)、聊位路橋(徒駭河)、三十里鋪(馬頰河)和張秋閘(金堤河)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,除莘縣橋外,其余斷面均位于聊城市東部。結(jié)合水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可知,水質(zhì)相對(duì)較差的李鳳桃、王堤口、仲子廟和任堂橋4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面集中于聊城市西南部,具有一定的空間聚集性。
圖3 山東省聊城市16個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面空間聚類分析
為了明確水質(zhì)較差監(jiān)測(cè)斷面的污染因素,結(jié)合水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)和空間聚類分析的結(jié)果,選取任堂橋、李鳳桃、仲子廟、王堤口4個(gè)水質(zhì)較差的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行主成分及因子分析。由于數(shù)據(jù)量綱和數(shù)量級(jí)的不同,首先分別對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,之后在因子分析中采用最大方差法進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)因子載荷值的絕對(duì)值為大于0.75、>0.5~0.75和0.3~0.5時(shí),分別代表強(qiáng)載荷、中度載荷和弱載荷[26]。
任堂橋監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)因子分析結(jié)果見(jiàn)圖4,共提取了5個(gè)主要因子(累計(jì)方差占比為83.9%>80%)。因子1方差貢獻(xiàn)率為28.9%,對(duì)NH4-N、TP、F具有很強(qiáng)正載荷,CON具有中度正載荷,pH具有較強(qiáng)的負(fù)載荷,主要反映了人類活動(dòng)產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)鹽元素對(duì)水質(zhì)的影響。NH4-N、TP可能來(lái)自于農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染,NH4-N在畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生廢水中含量較高,雨季會(huì)被沖刷進(jìn)河流,因此反映了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的非點(diǎn)源污染[27]。因子2方差貢獻(xiàn)率為21%,CODMn、BOD、FC具有強(qiáng)正載荷,體現(xiàn)了有機(jī)污染,說(shuō)明可能受到市政污水排放的影響。因子3方差貢獻(xiàn)率為12%,DO具有較強(qiáng)正載荷,河流中DO含量受多種因素影響,如溫度、微生物種群數(shù)量、水體中物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等。由于溫度升高會(huì)促進(jìn)水生生物的生長(zhǎng)繁殖而消耗大量的DO,而在低溫條件下水中的氧氣溶解度增大,并且水生生物活動(dòng)受到抑制[28],因此,因子3可以視為水質(zhì)的自然變化過(guò)程。因子4方差貢獻(xiàn)率為11%,對(duì)VP具有明顯的正載荷,CON具有中度正載荷,可能與當(dāng)?shù)鼗て髽I(yè)塑料生產(chǎn)加工廠廢水的排放有關(guān)。因子5方差貢獻(xiàn)率為10.9%,COD具有顯著的正載荷,反映出工業(yè)廢水中有機(jī)物污染嚴(yán)重。
李鳳桃監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)因子分析結(jié)果見(jiàn)圖5,共提取了5個(gè)主要因子(累計(jì)方差占比為81.9%>80%)。因子1方差貢獻(xiàn)率為24.9%,BOD、COD、CODMn具有很強(qiáng)的正載荷,說(shuō)明水質(zhì)受到生活污水排放的較大影響。該監(jiān)測(cè)斷面臨近聊城市莘縣縣城,人口較密集,人類活動(dòng)頻繁,因此產(chǎn)生大量的生活污水排放至徒駭河上游。因子2方差貢獻(xiàn)率為19%,NH4-N、TP具有強(qiáng)正載荷,反映了農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水的面源污染物,這些污染物在上游莘縣區(qū)域內(nèi)排入到河流。因子3方差貢獻(xiàn)率為14%,CON、VP具有較強(qiáng)的正載荷,代表化工企業(yè)廢水的點(diǎn)源污染。因子4方差貢獻(xiàn)率為13%,F(xiàn)具有較強(qiáng)的正載荷,pH呈現(xiàn)較明顯的負(fù)載荷,可以認(rèn)為是河流中自然發(fā)生的物理化學(xué)變化。因子5方差貢獻(xiàn)率為11%,F(xiàn)C具有較強(qiáng)的正載荷,可能與生活污水點(diǎn)源排放有關(guān)。
仲子廟監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)因子分析結(jié)果見(jiàn)圖6,共提取了5個(gè)主要因子(累計(jì)方差占比為84.9%>80%)。因子1方差貢獻(xiàn)率為33.3%,BOD、COD、CODMn具有強(qiáng)的正載荷,CON具有中度正載荷,pH具有強(qiáng)的負(fù)載荷,反映了生活污水引起的有機(jī)物污染。該監(jiān)測(cè)斷面臨近莘縣古城鎮(zhèn),人類活動(dòng)頻繁,生活污水產(chǎn)排量較大,而且金堤河作為界河,水質(zhì)也可能受到上游河南省濮陽(yáng)市的影響。因子2方差貢獻(xiàn)率為18.4%,pH、F具有中度正載荷,TP具有強(qiáng)的負(fù)載荷,反映了營(yíng)養(yǎng)鹽元素的污染。因子3方差貢獻(xiàn)率為12.2%,DO具有很強(qiáng)的正載荷,體現(xiàn)了自然要素變化對(duì)水質(zhì)的影響。因子4方差貢獻(xiàn)率為11%,F(xiàn)C呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)載荷,為大量生活污水帶來(lái)的污染。因子5方差貢獻(xiàn)率為10%,VP具有較強(qiáng)的正載荷,可能與周邊較多的化工企業(yè)污水排放有關(guān)。
王堤口監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)因子分析結(jié)果見(jiàn)圖7,共提取了5個(gè)主要因子(累計(jì)方差占比為81.5%>80%)。因子1方差貢獻(xiàn)率為29.9%,BOD、COD、CODMn具有很強(qiáng)的正載荷,CON具有中度正載荷。因子2方差貢獻(xiàn)率為16.3%,NH4-N、F具有強(qiáng)的正載荷,F(xiàn)C呈現(xiàn)較明顯的負(fù)載荷。因子3方差貢獻(xiàn)率為13.6%,TP具有很強(qiáng)的正載荷,pH呈現(xiàn)較明顯的負(fù)載荷。因子4方差貢獻(xiàn)率12.2%,VP具有較強(qiáng)的正載荷。因子5方差貢獻(xiàn)率為9.5%,DO具有較強(qiáng)的正載荷。該監(jiān)測(cè)斷面位于李鳳桃監(jiān)測(cè)斷面的下游,距離較近,因此因子分析結(jié)果呈現(xiàn)出較強(qiáng)相似性,說(shuō)明2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)受到莘縣人類活動(dòng)的影響較大。
綜合4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面污染源分析,任堂橋監(jiān)測(cè)斷面的主要污染因素是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素污染,李鳳桃、仲子廟、王堤口3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的污染主要來(lái)自于有機(jī)物污染,與聚類分析得到的4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的分組結(jié)果一致。主成分分析與因子分析結(jié)果表明,與自然因素相關(guān)載荷相比,與人類活動(dòng)有關(guān)的載荷能夠解釋更多的水質(zhì)變化特征,說(shuō)明人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物對(duì)聊城市水質(zhì)具有重要影響。莘縣的畜禽養(yǎng)殖業(yè)與農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá),同時(shí)快速工業(yè)化發(fā)展引入大量化工企業(yè),導(dǎo)致水質(zhì)相對(duì)較差。
基于2016—2018年聊城市16個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用基于層次分析的WQI法對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),然后對(duì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行空間聚類分析,最后采用主成分分析及因子分析,對(duì)斷面水質(zhì)主要影響因素進(jìn)行分析,得到主要結(jié)論如下:
1)4條主要河流中,衛(wèi)運(yùn)河水質(zhì)整體狀況最好,且水質(zhì)較穩(wěn)定;金堤河和馬頰河從上游到下游沿程水質(zhì)狀況變化較大,水質(zhì)較不穩(wěn)定;徒駭河沿程水質(zhì)較穩(wěn)定。從監(jiān)測(cè)斷面看,仲子廟、任堂橋、李鳳桃、王堤口4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的WQI平均值相對(duì)較小,水質(zhì)相對(duì)較差。
2)空間聚類分析結(jié)果表明,16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面可以分為5組,其中水質(zhì)相對(duì)較差的李鳳桃、王堤口、仲子廟和任堂橋4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面主要集中于聊城市西南部,具有一定的空間聚集性。
3)主成分分析及因子分析結(jié)果表明,4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面都可以提取5個(gè)因子。馬頰河任堂橋監(jiān)測(cè)斷面的主要污染物是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素,農(nóng)業(yè)活動(dòng)和畜禽養(yǎng)殖對(duì)水質(zhì)影響較大;金堤河仲子廟監(jiān)測(cè)斷面的主要污染是有機(jī)污染,水質(zhì)受到市政污水點(diǎn)源排放的影響;徒駭河李鳳桃、王堤口監(jiān)測(cè)斷面位置接近,主要是有機(jī)物污染,來(lái)自生活污水與工業(yè)廢水的排放。
本文中的研究結(jié)論對(duì)于厘清聊城市主要河流水質(zhì)時(shí)空演變規(guī)律與污染成因,為水污染控制與水資源管理提供決策參考,對(duì)促進(jìn)聊城市水資源可持續(xù)發(fā)展具有科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。