基于GPCA和CCME-WQI方法的保山市東河水質(zhì)分析

王學(xué)澤,朱長軍,2,張普,苗璐,李博勤

(1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,南京 210098)

云南省保山市位于長江經(jīng)濟帶上游區(qū)域,境內(nèi)的東河是怒江的一級支流,具有重要的經(jīng)濟開發(fā)價值.近年來,保山市城鎮(zhèn)化建設(shè)快速發(fā)展,但資源環(huán)境承載能力較弱,城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村污水處理體系不完善,存在大量污水直排現(xiàn)象,東河水質(zhì)自2018年以來持續(xù)惡化為劣Ⅴ類,東河水體的重度污染嚴重影響保山市居民的生產(chǎn)生活,也對國際河流怒江水質(zhì)構(gòu)成潛在威脅[1].因此為了切實消除保山市東河的水體污染問題、實現(xiàn)東河水質(zhì)達標,基于保山市隆陽區(qū)境內(nèi)東河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),即新東河流域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),對東河干流水質(zhì)質(zhì)量進行精準評價,闡釋其時空變化規(guī)律,確定污染嚴重河段,找出關(guān)鍵污染指標.

水質(zhì)指數(shù)是用來反映水質(zhì)的一種環(huán)境質(zhì)量指數(shù),其以數(shù)值方法為基礎(chǔ),用簡單清晰的數(shù)值反映水體的整體質(zhì)量[2].1965年Horton首次提出用水質(zhì)指數(shù)對水體水質(zhì)進行分類的概念,這種概念在全世界得到廣泛應(yīng)用,并有許多研究人員對其進行修改,如1970年Brown等人提出布朗水質(zhì)指數(shù),選用了9項水質(zhì)參數(shù)并進行賦權(quán)[3];1974年Nemerow提出內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù),根據(jù)水體用途計算水質(zhì)指數(shù)[4];中國地表水水質(zhì)評價標準以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB 3838-2002)》[5]為依據(jù),采用單因子水質(zhì)評價法,其中河流型地表水綜合評價中總氮不參與評價,該方法能夠清晰體現(xiàn)規(guī)定指標的污染程度,但其水質(zhì)評價結(jié)果是以最差指標類別為依據(jù),不能反映水質(zhì)的整體狀況[6].20世紀90年代中期,加拿大環(huán)境部長理事會將水質(zhì)指數(shù)法引入加拿大[7],加拿大環(huán)境部長理事會水質(zhì)指數(shù)(Canadian Conference of Ministers of the Environment Water Quality Index,CCME-WQI)利用超標范圍、超標頻次、超標幅度3個元素對水體水質(zhì)的整體狀況進行評價,其結(jié)果更為全面,評價指標選取更加靈活,現(xiàn)在CCME-WQI方法因其靈活的適用性已被廣泛應(yīng)用于許多國家,用以評價河流、湖泊、水庫、地表水和飲用水水質(zhì)[8-9].

本研究基于2020年6月到9月云南省保山市新東河流域主要干支流的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),對東河干流水質(zhì)狀況進行單因子評價,通過主成分分析篩選出新東河流域主要環(huán)境因子,分析其時間變化規(guī)律,利用CCME-WQI指數(shù)法對流域內(nèi)水體質(zhì)量進行綜合評價,分析并闡釋主要污染物的空間變化規(guī)律.本研究使用時序全局主成分分析和CCME-WQI結(jié)合的方法,通過理論方法提取主要環(huán)境因子,排除水質(zhì)指標選擇的人為干擾[10],在規(guī)定水質(zhì)指標要求上細分優(yōu)秀、良好、一般、邊緣和較差五類水質(zhì),評價更準確,計算過程無須考慮各指標權(quán)重,通過超標范圍、頻次、幅度3個因素降低單一指標對結(jié)果的影響,使評價結(jié)果更具有綜合性、全面性.本研究首次對保山市新東河流域水質(zhì)時空變化及水質(zhì)指標的相關(guān)性進行分析,以期為保山市乃至我國河流水質(zhì)和水環(huán)境保護及科學(xué)管理調(diào)度提供參考.

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

東河又名勐波羅河,是怒江流域下游左岸的最大一級支流,因其位于保山市東部而被稱為東河.東河發(fā)源于云南省保山市隆陽區(qū)王家箐山梁北麓(99°16′23″E,25°10′97″N),主河道自北向南流經(jīng)保山壩(99°25′51″E,24°59′56″N),隆陽區(qū)境內(nèi)河長95.4 km,流域面積1 431 km2,平均坡降1.21%,河源分水嶺海拔約2 920 m,多年平均流量約為12.4 m3/s,最大流量約為83 m3/s,最小流量約為0.02 m3/s.一級干流先由西北流向東南,途經(jīng)老營、傅家山等地,到小河口后轉(zhuǎn)為由北向南流,途經(jīng)北廟水庫、板橋鎮(zhèn)、河圖街道、青華街道、漢莊鎮(zhèn)、永盛街道、辛街鄉(xiāng)的眾多村寨,在象山峽谷流出保山壩,然后流向轉(zhuǎn)為由西向東,途經(jīng)西邑鄉(xiāng)清水溝、石龍坪、石花洞、補麻,丙麻鄉(xiāng)、橋頭寨、落水洞等地后進入昌寧縣境內(nèi),見圖1.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究共收集2020年6月至9月(豐水期)新東河流域16個干流和30個支流共計46個斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),包括水溫(Water Temperature,WT)、pH、溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)、高錳酸鹽指數(shù)(Permanganate Index,CODMn)、五日生化需氧量(Five-day Biochemical Oxygen Demand,BOD5)、化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)、總氮(Total Nitrogen,TN)、總磷(Total Phosphorus,TP)、氨氮(Ammonia Nitrogen,NH3-N)、陰離子表面活性劑(Linear Alkylbenzene Sulfonates,LAS)和糞大腸菌群(Fecal coliform,F.coli)共11個指標.按照東河流向,干流斷面分別為:東河源頭(DH1)、沙壩(DH2)、侯家莊(DH3)、板橋鎮(zhèn)與河圖街道交界(DH4)、河圖街道與青華街道交界點(DH5)、青華街道與漢莊鎮(zhèn)交界點(DH6)、漢莊鎮(zhèn)與永盛街道交界點(DH7)、雙橋(DH8)、永盛街道與辛街鄉(xiāng)交界點(DH9)、辛街鄉(xiāng)與永盛街道交界點(DH10)、青華閘(DH11)、永盛街道與西邑鄉(xiāng)交界點(DH12)、石龍坪(DH13)、西邑鄉(xiāng)與丙麻鄉(xiāng)交界點(DH14)、疊水河橋(DH15)、浪壩塘出境斷面(DH16),其中沙壩和石龍坪斷面為國控斷面,其他為常規(guī)監(jiān)測斷面,水質(zhì)數(shù)據(jù)、污染源普查數(shù)據(jù)均來自保山市生態(tài)環(huán)境局.

2 研究方法

2.1 時序全局主成分分析方法

2.2 CCME-WQI方法

3 結(jié)果與討論

3.1 新東河流域基本水質(zhì)情況

保山市新東河流域水體污染主要有點源和面源污染,其中面源污染受降水影響,在豐水期污染嚴重[17],本文選擇2020年豐水期水質(zhì)數(shù)據(jù),評價結(jié)果更能反映水質(zhì)和污染物濃度變化情況.根據(jù)《保山市地表水環(huán)境功能區(qū)劃(2010-2020年)》及《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB 3838-2002)》,新東河流域內(nèi)除水庫外,“東河源頭-入怒江口”段水環(huán)境功能為“農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、一般景觀用水”,水環(huán)境功能區(qū)類別為Ⅳ類.由于河流型地表水綜合評價中不考慮水溫、總氮和糞大腸菌群,于是選擇pH、DO、CODMn、BOD5、COD、TP、NH3-N和陰離子表面活性劑對東河干流豐水期水質(zhì)進行評價,發(fā)現(xiàn)東河干流多段河道水質(zhì)惡化為Ⅴ類和劣Ⅴ類,占比62.5%,主要超標污染物為BOD5和TP(表1).

表1 2020年豐水期東河干流監(jiān)測點水質(zhì)等級和主要超標污染物

3.2 時序全局主成分分析結(jié)果

3.2.1新東河流域水質(zhì)指標相關(guān)性分析

為探究新東河流域內(nèi)各水質(zhì)指標之間的相互影響,本研究首先對新東河流域46個監(jiān)測點所檢測的11種水質(zhì)指標WT、pH值、CODMn、DO、TN、TP、NH3-N、BOD5、COD、陰離子表面活性劑和F.coli進行正態(tài)分布檢驗,發(fā)現(xiàn)NH3-N和F.coli不符合正態(tài)分布,因此采用Spearman相關(guān)性分析.

由圖2可知,在豐水期(6至9月),BOD5和COD呈現(xiàn)強烈的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均為0.99(P<0.05),說明BOD5和COD具有同源性,可能與部分城鎮(zhèn)生活源和農(nóng)村生活源污水直排入河以及分散式禽畜養(yǎng)殖污染源有關(guān)[18];新東河流域的主要污染指標中TN與TP均有顯著正相關(guān)性(r=0.67,P<0.05),可能與新東河流域氮肥、磷肥和復(fù)合肥的施用有關(guān).TN與NH3-N也具有顯著相關(guān)性(r=0.78,P<0.05),NH3-N主要來源于禽畜糞便[19],可能與部分監(jiān)測點的TN主要由于禽畜糞便中產(chǎn)生的NH3-N組成有關(guān),TP還與NH3-N和CODMn具有顯著相關(guān)性(r=0.64,P<0.05;r=0.63,P<0.05),可能是由于TP含量超標導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化,進而導(dǎo)致水體溶解氧降低水生生物死亡加劇,產(chǎn)生大量有機物并在厭氧細菌作用下分解[20].

3.2.2主成分得分情況和主要污染物時間分布差異

從圖2可知,水溫、pH、DO和糞大腸菌群與其他水質(zhì)指標相關(guān)性較低,因此選取CODMn、BOD5、COD、TP、TN、NH3-N、陰離子表面活性劑7項水質(zhì)指標進行時序全局主成分分析,滿足KMO檢驗和Bartlett檢驗,并提取出3個主成分FAC1、FAC2、FAC3;第一、第二、第三主成分的特征值分別為3.156、1.430和10.520,3個主成分的方差貢獻率分別為45.079%、20.432%和15.027%.第一主成分的主要載荷為TN、TP、BOD5和COD,反映了原始變量45.079%的信息,是關(guān)鍵的污染因子;第二主成分的主要載荷為CODMn和NH3-N;陰離子表面活性劑是第三主成分的主要載荷.

根據(jù)主成分綜合得分結(jié)果和DH3～DH13段干支流監(jiān)測點的污染物質(zhì)量濃度變化情況,制作東河干流水質(zhì)得分情況時間序列圖(圖3)和污染物質(zhì)量濃度分布圖(圖4).主成分得分越高水質(zhì)越差,東河源頭處水質(zhì)較好(DH1和DH2),水質(zhì)受人為活動影響小,水質(zhì)波動小.東河干流DH3～DH5和DH7區(qū)域(圖3(b)),主成分綜合得分隨時間呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢,水質(zhì)質(zhì)量變化趨勢則相反,該區(qū)域主要污染物為TN、TP和BOD5(圖4(a,b,c)),其中TN、TP污染最嚴重,TN污染水平在6、7月高,ρ(TN)范圍為1.72～20.20 mg/L,平均值為8.29 mg/L,在8和9月ρ(TN)范圍為0.98～12.90 mg/L,平均值為3.63 mg/L;TP質(zhì)量濃度在6月最高,平均值為0.54 mg/L,在8月最低,平均值為0.19 mg/L.在6至8月監(jiān)測點DH8(圖3(c))和DH9(圖3(d))水質(zhì)明顯改善,在8至9月,DH8監(jiān)測點水質(zhì)出現(xiàn)惡化情況,DH6水質(zhì)則繼續(xù)提高.在DH3～DH8段,影響水質(zhì)趨勢的主要指標在6至7月為TP,在7至9月為TN和TP(圖4(a,b,c)).與DH3～DH8段相比,DH9～DH13段主成分綜合得分更高,水質(zhì)更差,主要污染物為TN、BOD5和TP(圖4(d,e,f)),其中TN和TP質(zhì)量濃度較DH3～DH8河段明顯降低,BOD5質(zhì)量濃度顯著上升.TN和TP質(zhì)量濃度隨時間變化情況與前段相同,TN質(zhì)量濃度呈現(xiàn)6、7月高,8、9月低的水平,在6月和7月,ρ(TN)范圍為2.95～8.37 mg/L,平均值為6.92 mg/L,在8和9月ρ(TN)范圍為2.29～4.61 mg/L,平均值為3.35 mg/L,TP質(zhì)量濃度在6月最高,平均值為0.43 mg/L,在8月最低,平均值為0.22 mg/L.BOD5呈現(xiàn)6、7月污染加重之后降低的趨勢,在7月污染質(zhì)量濃度最高,ρ(BOD5)范圍為7.4～24.6 mg/L,平均值為14.7 mg/L.在DH14～DH16段,主成分綜合得分隨時間整體呈下降趨勢(圖3(d)),水質(zhì)逐漸改善.TN質(zhì)量濃度在6月最高,平均值為6.91 mg/L,在8月最低,平均值為2.08 mg/L,TP質(zhì)量濃度在6月最高,為0.76 mg/L,到7月降低為0.24 mg/L,在8、9月質(zhì)量濃度基本不變.BOD5污染情況在7月略有上升,之后下降,在7月平均質(zhì)量濃度最高,為10.00 mg/L,到9月降低為4.40 mg/L.根據(jù)主成分分析結(jié)果,主要污染物為TN、BOD5和TP,整體污染情況呈現(xiàn)6、7月污染程度高于8月和9月.

3.3 CCME水質(zhì)分析結(jié)果與主要污染物空間分布差異

根據(jù)3.1部分,新東河流域水質(zhì)應(yīng)達到GB 3838-2002規(guī)定的IV類水標準.CCME-WQI方法選擇主成分分析得到的7項水質(zhì)指標,以GB 3838-2002規(guī)定的IV類水質(zhì)為標準,對新東河流域46個干支流監(jiān)測點進行超標范圍、超標頻率和超標幅度的計算,得到新東河流域CCME-WQI水質(zhì)評價空間分布圖(圖5)和水質(zhì)得分圖(圖6).

結(jié)果顯示(圖5),東河源頭來水水質(zhì)較好,在保山市主城區(qū)段水體污染嚴重,之后水質(zhì)有所改善,在46個干支流監(jiān)測點中,水質(zhì)質(zhì)量為良的監(jiān)測點占總監(jiān)測點的17.39%,19.56%監(jiān)測點水質(zhì)質(zhì)量為一般,54.35%監(jiān)測點水質(zhì)質(zhì)量處于邊緣和8.70%監(jiān)測點水質(zhì)質(zhì)量較差,沒有水質(zhì)質(zhì)量達到優(yōu)秀的監(jiān)測點,表明新東河流域內(nèi)干支流水質(zhì)質(zhì)量較差,未達到《保山市地表水環(huán)境功能區(qū)劃(2010-2020年)》要求的水質(zhì).根據(jù)CCME-WQI和主成分綜合得分情況(圖6)看,由兩種方法得到的水質(zhì)空間分布情況基本一致,而與單因子評價結(jié)果(表1)相比,主成分分析和CCME-WQI方法得到的水質(zhì)得分減少了水質(zhì)突變點,清楚反映了水質(zhì)變化的趨勢.靠近東河源頭的水體質(zhì)量更好(DH1和DH2),其CCME-WQI得分更高,分別為90.57和88.25,各水質(zhì)參數(shù)達標情況較好,可能與此處污水收集管道完善(圖7(a)),水體受人為活動的影響小有關(guān),水質(zhì)較為健康.從DH3到DH4監(jiān)測點處,水質(zhì)得分迅速降低,DH3監(jiān)測點處為85.43,DH4為69.64,主要污染物為TN,兩個監(jiān)測點的TN質(zhì)量濃度平均值分別為3.37 mg/L和4.82 mg/L,可能與此處干流附近排污企業(yè)和禽畜養(yǎng)殖戶聚集(圖7(b)),存在大量的點源污染有關(guān).

從DH4到DH9監(jiān)測點,水質(zhì)得分先有升高,又迅速降低,主要污染物為TN、BOD5和TP,TN、TP和BOD5質(zhì)量濃度整體呈上升趨勢,其中TN和TP在DH8監(jiān)測點質(zhì)量濃度達到最高,平均質(zhì)量濃度分別為6.70 mg/L和0.42 mg/L,BOD5在DH9監(jiān)測點質(zhì)量濃度最高,平均質(zhì)量濃度為8.25 mg/L.污染情況可能與此處排污企業(yè)減少,主要點源污染從農(nóng)村生活源和排污企業(yè)變成城鎮(zhèn)生活源,化肥施用強度高(圖7(c)),導(dǎo)致面源污染增加有關(guān),保山市新東河流域2020年施用化肥主要為氮肥、磷肥和復(fù)合肥,與分析結(jié)果一致.

在DH9監(jiān)測點之后,河流離開保山市主城區(qū),城鎮(zhèn)生活源污染減少,化肥施用強度降低,從DH10到DH14監(jiān)測點化肥施用強度為中,之后化肥施用強度為低,從水質(zhì)得分看,除DH9監(jiān)測點水質(zhì)為較差外,其他監(jiān)測點水質(zhì)均為邊緣,水質(zhì)得分持續(xù)回升,TN和BOD5質(zhì)量濃度整體呈下降趨勢,TP質(zhì)量濃度在0.29和0.41 mg/L之間波動,在DH14監(jiān)測點質(zhì)量濃度最高,可能與磷肥施用增加、污水收集管道不健全禽畜養(yǎng)殖戶和農(nóng)村生活源直排入河有關(guān).浪壩塘出境斷面(DH16)監(jiān)測點CCME-WQI水質(zhì)得分最高為61.37,處于邊緣和一般水質(zhì)的臨界區(qū)域,主要污染物為TN.

整體來看,主要超標污染物來源于城鎮(zhèn)生活源、農(nóng)村生活源、化肥、工業(yè)源和分散式禽畜養(yǎng)殖污染源.在DH4監(jiān)測點前,主要污染來源為農(nóng)村生活源、分散式禽畜養(yǎng)殖污染源和工業(yè)源,在DH5～DH9監(jiān)測點,主要受施肥強度和城鎮(zhèn)污染源影響,在DH9監(jiān)測點之后,施肥強度影響降低,主要與分散式禽畜養(yǎng)殖污染源和農(nóng)村生活源直排有關(guān).

4 結(jié) 論

(1)云南省保山市東河污染嚴重,單因子評價結(jié)果顯示,存在62.5%的干流監(jiān)測點,其水質(zhì)不滿足GB 3838-2002中要求的Ⅳ類水質(zhì).

(2)時序全局主成分和CCME-WQI分析結(jié)果與單因子評價結(jié)果基本一致,但與單因子評價相比,GPCA和CCME-WQI分析結(jié)果能更清楚反映水質(zhì)變化趨勢,降低了單個指標對結(jié)果的影響,評價結(jié)果更全面,同時CCME-WQI可以更好地判斷新東河流域水體對Ⅳ類水質(zhì)的符合情況.

(3)根據(jù)時序全局主成分和CCME-WQI分析結(jié)果,新東河流域主要污染物為TN、BOD5和TP,且其質(zhì)量濃度具有顯著的時空分布差異.時間上,6、7月污染程度高,8、9月污染程度低;空間上,污染程度總體分布由重到輕為中部、東南部、北部,東河源頭處來水水質(zhì)較好.