闽江流域水质时空分布特征及污染源解析

卢毅敏吴 升

(1.福州大学 福建省空间信息工程研究中心，福州 350003 ； 2.福州大学 数据挖掘与信息共享教育部重点实验室， 福州 350003； 3.福州大学 海西政务大数据应用协同创新中心，福州 350003)

1 研究背景

河流是区域生态环境可持续发展的重要因素，气候气象、地形地貌、人类活动、工农业生产等具有显著的时空差异，不同时间和空间下，径流量、污染物浓度不同，河流水质具有时空异质性。识别河流水质的时空分布特征和污染源对全面认识河流的水质状况和河流管理具有重要意义。研究表明多元统计方法可以发现水质的时空分布特征、识别污染源，并已得到广泛应用，如九龙江流域[1]、太湖流域江苏省段[2]、密云水库[3]、漳卫南运河[4]、苏州古城区[5]等流域和地区的水质时空分布特征分析和污染源解析。

闽江是福建省第一大水系，是重要水源地，对福建省经济和社会发展意义深远。近年来，闽江流域面临水质污染指标季节性变化明显[6]、化肥农药和禽畜污染物排放增加[7]、工业排污量大[8]、各子流域污染类型复杂且差异大等问题[9-10]。针对闽江流域的水质研究主要包括面源污染、工业结构、城市扩展对水质的影响分析[8，11-13]，流域污染负荷分析[9]，有机污染物和重金属污染物空间分布[14-15]，水质时空分布特征[6，10，16]；但根据长时间序列水质监测数据分析水质时空分布特征研究的较少，缺少不同时空分布特征下污染源解析的研究。基于此，本文运用多元统计方法中的系统聚类分析方法对2014—2017年闽江流域内20个水质监测断面进行聚类研究，分析闽江流域水质的时空分布特征，运用因子分析和绝对主成分多元线性回归分析识别和影响水质的主要因素及污染源和源贡献率，以期为闽江流域的污染治理和水质改善提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

闽江流域范围为116°23′E—119°35′E，25°23′N—28°16′N，全长577 km，流域面积6.1万km2。闽江发源于武夷山脉，上游是建溪、沙溪、富屯溪三大主要支流，在南平九峰桥汇入闽江干流，沿途有吉溪、尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流汇入。年平均径流量621亿m3，年均降水量>1 000 mm，汛期为4—9月份，非汛期为10月份—翌年3月份。覆盖福州、南平、三明、龙岩、宁德、泉州等市的36个县(市、区)。

2.2 数据来源

选择流域20个监测断面，如图1所示，首字母编号表示断面所在的子流域：D为大樟溪，F为富屯溪，J为建溪，S为沙溪，M为闽江干流。监测数据为2014年1月—2017年2月水质监测断面的水质指标月均值数据，由福建省环保厅提供，监测和测试均符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)。为了保证数据的完整性和一致性，选取8项常规水质监测指标：水温(T)、酸碱度(pH值)、电导率(CON)、浊度(DT)、溶解氧(DO)、高锰酸钾指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)。

图1 监测断面分布Fig.1 Distribution of monitoring sites

2.3 研究方法

本文研究方法包括：①聚类分析。采用离差平方和法(ward法),使用平方欧式距离法作为度量标准,分析各个监测断面水质时空分布的相似性和差异性；②因子分析。采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett球形检验进行适宜性分析，利用因子分析识别各个时段、空间群组的污染源；③绝对主成分多元线性回归。计算污染源对8项水质监测指标的贡献率；④综合水质标识指数法。根据一组主要的水质指标，采用综合水质标识指数对监测断面的水质等级进行综合评价，具体计算方法参见文献[17]—文献[18]。

3 结果与分析

3.1 聚类分析

3.1.1 时空分布特征

图2 时间尺度和空间尺度聚类分析Fig.2 Temporal cluster analysis and spatialcluster analysis

时间尺度聚类分析结果如图2(a)所示，全年可划分为2个时段：T1时段(4—12月份)；T2时段(1—3月份)。空间尺度聚类分析结果如图2(b)所示，20个监测断面可划分为3组：S1组位于建溪下游、沙溪、大樟溪、闽江干流，包括回垅大桥、南蛇渡、南平水汾桥、梅州大埔、清流安砂水库、永安贡川桥、闽侯大樟溪、古田黄田站、闽侯竹岐、福州原厝、福州白岩潭11个断面；S2组位于沙溪下游、富屯溪，包括三明东牙溪、梅口悬索桥、顺昌谟武3个断面；S3组位于建溪中上游、富屯溪中上游，包括松溪岩下、坪洲大桥、建瓯蓬墩、建阳将口、邵武和顺、顺昌富文6个断面。

水质监测指标时间尺度的差异性如图3(a)所示,T1时段电导率、氨氮和总磷浓度低于T2时段，浊度和高锰酸钾浓度高于T2时段，溶解氧浓度低于T2时段。水质监测指标空间尺度的差异性如图3(b)所示，电导率、浊度、氨氮、总磷：S1>S3>S2，高锰酸钾：S2>S3>S1，溶解氧：S2>S3>S1。

图3 水质监测指标时段差异性和群组差异性Fig.3 Spatial and temporal differences of waterquality indicators

3.1.2 水质评价

对聚类分析得到的2个时段和3个空间群组的水质监测样本，根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，选取DO，CODMn，NH3-N，TP作为评价指标，采用综合水质标识指数法对水质等级进行统计分析，如表1所示。T1，T2时段Ⅰ类和Ⅱ类占整体的比例是0.987，0.967，S1，S2，S3组Ⅰ类和Ⅱ类占整体的比例是0.961,1,0.995。

3.2 因子分析与绝对主成分多元线性回归

3.2.1 T1,T2时段因子分析与绝对主成分多元线性回归

根据特征因子>1的原则，对T1,T2时段分别提取4,3个因子，累积方差贡献率分别为68.3%,58.6%。采用绝对主成分多元线性回归法计算T1,T2时段内各因子对水质监测指标的源贡献率。旋转因子载荷和源贡献率如表2所示。

表1 T1，T2时段和S1，S2，S3组综合水质标识指数

Table 1 Values of comprehensive water quality identification index of T1 and T2 periods and S1, S2 and S3 regions

时段/群组监测断面各水质类别占整体的比例ⅠⅡⅢⅣⅤⅥT1全部断面0.2500.7370.013000T2全部断面0.3390.6280.033000D-10.1840.8160000J-10.3420.6580000J-30.2370.7630000M-10.3420.6580000M-20.1840.7890.027000 S1M-30.0260.9210.053000M-40.3680.5790.053000S-10.1840.7890.027000S-20.2630.7370000S-40.0260.7110.263000S-50.3420.6580000S1组0.2270.7340.039000F-10.3150.6850000 S2F-30.3950.6050000S-30.3420.6580000S2组0.3510.6490000F-20.2630.7370000F-40.1840.8160000J-20.1320.8680000S3J-40.4470.5530000J-50.2890.6840.027000J-60.4740.5260000S3组0.2980.6970.005000

表2 T1，T2时段旋转因子载荷矩阵与源贡献率Table 2 Matrix of rotated factor loadings and source contribution rates in T1 and T2 periods

注：黑体字表示因子载荷强相关

表3 S1，S2，S3组旋转因子载荷矩阵Table 3 Matrix of rotated factor loadings of S1, S2 and S3 regions

注：黑体字表示因子载荷强相关和中度相关

通过因子分析中的因子得分系数矩阵计算各因子得分，并根据各因子的方差贡献率计算因子总得分。因子得分反映各监测断面上不同污染源的分布状况，在T1，T2时段，除T1时段的因子2以外，因子得分越高，水质越差。计算结果表明，S2组包含的3个断面顺昌谟武、梅口悬索桥、三明东牙溪在2个时段的因子总得分均最低。梅州大埔、南平水汾桥、福州白岩潭、建瓯蓬墩和闽侯竹岐总得分相对较高。

3.2.2 S1，S2，S3组因子分析

根据特征因子>1的原则，S1，S2，S3组分别提取4，3，3个因子，累积方差贡献率分别为69.8%，72.2%，61.0%，旋转因子载荷如表3所示。

4 讨 论

4.1 水质时空分布特征成因分析

闽江流域水质具有明显的时空变异特征。根据水质的时间差异性和水质评价结果，T1时段水质比T2时段好。T1时段包含汛期，汛期径流量占全年75%，流速较快，对污染物有稀释作用，因此T1的电导率、氨氮和总磷浓度均低于T2时段。降雨形成的地表径流携带大量的泥沙和有机污染物进入水体，浊度和高锰酸钾浓度上升。汛期在9月底结束，但10—12月份被归并到T1时段，与T2时段水质差异明显，7—9月份流域内以台风引起的暴雨天气为主，这可能说明汛期大量的降水对污染物的稀释作用改善了河流的水质。

根据水质的空间差异性和水质评价结果，S2组水质最好，S3组次之，S1组最差。S2组的梅口悬索桥和顺昌谟武位于上游流域，森林覆盖率高，水利工程少，人口密度低，污染物排放量较小。而三明东牙溪作为三明市区的饮用水源，水污染整治措施到位，水质良好。S2组的电导率、浊度、氨氮、总磷浓度最低，溶解氧浓度最高，3个断面因子得分最低，水质最好。S3组位于南平市，南平市是福建省的重工业基地，粮食主产区，畜牧业发达，上游来水流经南平市后，汇入生活污水、重工业废水、农业和畜牧业污水后，各项污染物浓度上升，导致建瓯蓬墩因子得分较高，水质较差。S1组位于三明市、南平市区、干流至闽江河口，三明市作为重工业基地，90%以上的工业废水排入沙溪[19]，沙溪水质较差，导致梅州大埔、永安贡川桥因子得分高。南平水汾桥是三明市和南平市的交接断面，沙溪流经三明后水质显著下降，并汇入南平市延平区的生活污水，导致南平水汾桥因子得分较高，水质较差。三大支流汇合后流至古田黄田站，经过河道的自净过程，水质改善，但在流经古田县和闽侯县时接受了大量的生活污水使得闽侯竹岐的水质下降。福州白岩潭位于闽江河口，工业源和城镇生活源是闽江流域福州段的主要污染源，水质受到各种点源污染的影响，同时子流域内不透水面密集，地表径流形成大量的面源污染进入水体，导致电导率、氨氮、总磷和浊度变大，福州白岩潭水质明显下降。

4.2 流域污染源识别

4.2.1 T1,T2时段污染源识别

由表1可知T1时段影响流域水质有4个主要因素，T2时段有3个主要因素，选取因子载荷>0.7的水质监测指标进行解释(部分选择>0.6)[20]。

T1时段，因子1方差贡献率为23.4%，与电导率、氨氮呈正相关，代表农业污染。闽江中上游流域是全省主要的粮农生产基地，农业生产活动主要集中在T1时段，氮是农业水体污染的主要贡献者，广泛存在于农田径流和畜牧业排污中。而农田水土流失、水产养殖、禽畜粪尿是闽江流域农业面源污染中的主要污染源，三者总和占整个流域污染率的87.67%[21]，农业污染携带大量营养盐进入河道。因子2方差贡献率为17.0%，与温度呈负相关，与溶解氧呈正相关，代表水体的自净能力。T1时段河流的径流量大、流速快，水体自净能力良好。因子3方差贡献率为15.0%，与浊度、总磷浓度呈正相关，代表营养盐污染。磷来源于城镇生活污水、工业废水等点源污染，土壤侵蚀、降雨径流造成的农田、城镇面源污染和禽畜养殖排泄物等面源污染。这一时段降雨对土壤的侵蚀作用和地表径流会携带大量泥沙入河，以及降雨对河道底泥的扰动作用均会导致水体浊度增大。因子4方差贡献率为12.9%，与高锰酸钾浓度呈正相关，代表有机物污染。汛期降雨形成的地表径流会携带有机污染物进入水体[22]。

T2时段，因子1方差贡献率为31.2%，与溶解氧呈负相关，与电导率、氨氮和总磷浓度呈正相关，代表水体富营养化指标。T2时段处于流域的冬、春季，水体富营养化主要集中在这2个季节发生。因子2方差贡献率为13.8%，与温度呈正相关。因子3方差贡献率为13.6%，与pH呈负相关，与浊度呈正相关。

4.2.2 S1,S2,S3组污染源识别

由表3可知影响S1组水质有4个主要因素，S2组有3个主要因素，S3组有3个主要因素。因子载荷值>0.75表示强相关，0.75～0.5表示中度相关，0.5～0.3表示弱相关。

对于S1组，因子1与电导率、氨氮浓度呈强正相关，方差贡献率为22.5%，代表营养盐污染指标。因子2与溶解氧呈中度负相关，与温度、高锰酸钾浓度呈中度正相关，方差贡献率为19.6%，代表耗氧有机物污染[23]。S1组的城市化发展水平高，耗氧有机物污染反映水体受到快速城市化引起的市政污水排放的影响[24-25]。因子3与浊度、总磷浓度呈中度正相关，方差贡献率为14.6%。三明市工业污染源废水排放量约占闽江流域总量的70.9%[8]，南平市是重工业基地，农业和畜牧业发达；下游地区城镇化进程迅速，人口较为密集，工业园区众多，因此磷来自工业废水、农业和畜牧业污染和生活污水的排放。因子4与pH呈强正相关，方差贡献率为13.1%。

对于S2组，因子1与pH值、电导率呈中度负相关，与浊度呈强正相关，与氨氮浓度呈中度正相关，方差贡献率为29.7%，代表面源污染排放中的营养盐污染。地表径流形成的面源污染携带大量的固体悬浮物和营养盐进入河道，水体浊度变大，氨氮浓度含量上升。因子2与pH值呈中度负相关，与高锰酸钾和总磷浓度呈强正相关，方差贡献率为23.0%，代表有机物和营养盐污染。因子3与温度呈强负相关，与溶解氧呈强正相关，方差贡献率为19.5%，代表水体自净的影响。

对于S3组，因子1与温度、浊度呈中度正相关，与电导率呈强负相关、与溶解氧呈中度负相关，方差贡献率为27.7%，代表农业面源污染。因子2与氨氮浓度呈强正相关，与总磷浓度呈中度正相关，方差贡献率为19.2%，代表富营养化因子污染。因子3与pH值、高锰酸钾浓度呈中度正相关，方差贡献率为14.1%，代表有机物污染。

4.3 污染源贡献率计算

根据表2中各项水质监测指标的源贡献率可知T1时段水质主要受农业污染的影响，其次是水体自净能力、营养盐污染和有机物污染。农业污染对电导率、氨氮和总磷的贡献率分别为72.2%,73.4%,25%。水体自净能力对pH值、溶解氧的贡献率分别为26.5%,81%。营养盐污染对浊度和总磷的贡献率分别为84.6%,67.4%。有机物污染对pH值、高锰酸钾和氨氮的贡献率分别为58%,84.3%,23.2%。T2时段流域的水质主要受水体富营养污染影响，对电导率、高锰酸钾、氨氮和总磷的贡献率分别为71.4%,38.4%,77.8%,63.4%。

5 结 论

(1)闽江流域水质从时间尺度上可将全年划分为2段，分别为T1：4—12月份，T2：1—3月份。T1时段水质较好,以氨氮为主要污染物，磷次之，主要受到农业污染，该时段河流流量大、流速快，水体拥有较好的自净能力，污染物经过稀释和自我净化后浓度下降；T2时段，氨氮和总磷为主要污染物，受到水体富营养化因子的影响。

(2)梅州大埔、南平水汾桥、福州白岩潭在T1，T2时段的因子得分最高，说明闽江在流至河口时，沿途汇入三明市和福州市排入水体的污染物，水质受到的污染相对较重。由此可见，快速城市化引起的污染物排放对闽江水质的影响要引起重视。

(3)在空间尺度上可以将流域的水质划分为3组： S1组主要位于建溪下游、沙溪、大樟溪、闽江干流，水质最差，这部分流域的水质主要受到营养盐污染，耗氧有机物污染次之，工业废水、农业和禽畜养殖废水、生活污水排放对水质产生较大影响；S2组主要位于沙溪下游、富屯溪，水质最好，水质主要受面源污染中营养盐污染的影响；S3组主要位于建溪中上游、富屯溪中上游，主要污染源是农业面源污染和富营养化因子。