永定河上游张家口地区主要河流污染物来源解析*

邵志江 刘 莲 汪 涛

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，四川 成都 610041)

随着城市和经济的快速发展，水环境问题已成为全球最重要的环境问题之一[1]，[2]1333，[3-4]。根据原环境保护部发布的《2016年中国环境状况公报》，全国112个重要湖泊(水库)中，Ⅲ类水以下比例占33.9%；全国地表水1 940个评价、考核和排名断面中，Ⅲ类水以下比例占31.3%。地表水是一个地区生活、工业和农田灌溉用水的主要水源，其水质优劣将直接影响人类和生物的健康[5]。

多元统计分析已广泛应用于研究水质时空变化和污染源解析。例如，FAN等[6]利用多元统计分析研究珠江水质的时空变化特征，总结出珠江东部和西部的污染原因；WU等[7]综合应用主成分分析、多元线性回归分析研究长江流域南京段有机污染的来源；WANG等[8]采用线性回归分析法对上海地表水水质进行时空分析，发现城市化水平对水质时空变化起主导作用；朱琳等[9]2150运用聚类分析和主成分分析等方法分析武水河水环境时空变化特征，揭示不同干支流水质状况，识别出工业污染、生活污水和畜禽养殖等主要污染来源；马岚等[10]运用因子分析法研究晋江流域水体污染的来源，总结认为水环境整治需分水期针对性制定相应措施。

永定河上游主要河流包括洋河、桑干河和清水河，是官厅水库的主要水源。而官厅水库是永定河上游一座大型水库，曾作为北京城市饮用水水源。由于水质污染原因，1997年退出北京饮用水体系。为缓解北京饮用水压力，修复永定河上游主要河流迫在眉睫。同时，张家口将在2022年承办冬奥会重要项目。因此，改善永定河上游主要河流水质对冬奥会水质保障和树立中国美好形象尤为重要。查清张家口地区主要河流的污染物来源是改善水环境质量的前提。尽管张家口地区的水污染排放研究已有许多报道[11-13]，但都是通过总量计算来分析污染物来源，并未分流域来评估，尤其缺乏利用多元统计方法来解析水污染主要来源的研究。因此，本研究主要利用多元统计方法解析永定河上游张家口地区主要河流污染物来源，以期为永定河上游流域水环境保护和冬奥会水质保障提供基础支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于永定河上游张家口地区(见图1)，该地区位于河北西北部，处于113°50′E～116°30′E、39°30′N～42°10′N，东靠河北承德，东南毗连北京，南邻河北保定，南、西南与山西接壤，北、西北与内蒙古交界，南北长289.2 km，东西宽216.2 km，总面积3.68×104km2。整体地势西北高、东南低。地势条件决定了张家口是京津冀城市群水源涵养、防风固沙和水土保持三大功能的交汇地带，是维护京津冀生态安全的重要屏障，在京津冀协同发展中具有不可替代的生态地位。张家口气候属于温带大陆性季风气候，一年四季分明，冬季长而寒冷干燥，夏季短且炎热。多年平均降水量为393.2 mm，年内、年际降雨变化较大，降雨集中在6—8月，约占全年的80%[14]。张家口地区人均水资源量为399 m3，远低于国际公认的人均500 m3的“极度缺水标准”。

图1 研究区域概况及监测断面示意图Fig.1 Overview of the study area and schematic diagram of the monitoring section

1.2 数据来源

数据来源于张家口市生态环境局国控或省控断面长期监测数据，监测指标包括pH、DO、氨氮、高锰酸盐指数、TP、BOD5和氟化物。流域内共有9个监测断面(见图1)，分别为洋河的左卫、响水铺、鸡鸣驿和八号桥，桑干河的小渡口、石匣里和温泉屯，清水河的北泵房和老鸦庄。其中，左卫、八号桥、温泉屯和老鸦庄为国控监测断面。

1.3 评价方法

内梅罗污染指数评价法是美国内梅罗教授在其所著《河流污染科学分析》一书中提出的一种水质评价方法[15-16]。该方法根据所选水质指标的实测浓度和标准值，计算内梅罗污染指数(P)，与相应的等级标准指数相对照，即可得到评价等级。计算公式为：

(1)

式中：n为评价因子总数；Ci为第i个评价因子实测质量浓度，mg/L；Si为第i个评价因子类的标准质量浓度，mg/L；pmax为Ci/Si的最大值。

标准基于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类标准执行，内梅罗污染指数等级划分见表1。

1.4 数据处理

1.4.1 聚类分析

聚类分析通过在变量之间定义相似系数，代表变量之间的接近程度或相似程度。它通过相似程度的大小，将变量进行分类，形成一个表达相似程度的谱系图。流域水质评价中常通过监测时间和监测断面的地理位置进行聚类，分析流域水质的时空变化特征[17]。

表1 内梅罗污染指数与水质等级划分

表2 水质参数和超标率

注：1)除pH外，其余单位均为mg/L。

表3 各指标的相关性1)

注：1)“*”表示显著相关(p<0.05)；“**”表示极显著相关(p<0.01)。

1.4.2 因子分析

因子分析是既可达到数据降维处理，又可将变量进行分类的统计分析方法。在多个原始变量中提取较少、互不相关的综合指标，称之为因子[18]。再对所归纳的因子进行解析，得出主要污染物来源。

使用Excel 2013计算内梅罗污染指数，使用Origin Pro 9.0作图，使用SPSS 21进行相关性、单因素方差、聚类和因子分析。在多元统计分析前，为消除原始数据量纲和数量级的影响，先对数据进行Z-Score标准化处理(均值为0，方差为1)。

2 结果与分析

2.1 永定河上游主要河流水质特征

对2013—2016年9个监测断面的监测数据进行统计分析，结果见表2。永定河上游主要河流pH为6.42～8.58，基本稳定呈弱碱性，其中小渡口监测断面在2015年11月pH偏高(pH=8.58)。永定河上游主要河流水体DO为4.90～14.10 mg/L，与BOD5呈显著正相关关系，与TP呈极显著负相关关系(见表3)。永定河上游主要河流水体高锰酸盐指数变异较大，其中最大值为8.10 mg/L，最小值为0.70 mg/L，且与BOD5、氨氮、氟化物均呈极显著正相关关系(见表3)。值得注意的是，主要超标的水质指标为TP和氟化物。TP均值为0.16 mg/L，与GB 3838—2002中Ⅲ类标准(0.2 mg/L)接近，但超标率最高，为28.24%。氟化物均值为0.86 mg/L，超标率为22.59%。

2.2 内梅罗污染指数评价法综合评价

由表4可见，洋河监测断面水质2013-2014年污染较重，除左卫断面外其余3个断面基本呈中度污染；2014年后，洋河监测断面水质逐渐转好，其中2015年仅响水铺断面出现中度污染；2016年洋河水质基本转好，4个断面均达到清洁水平。2013以来，桑干河监测断面水质均处于清洁水平，水质较好。清水河监测断面仅在2014年水质受到轻微污染，其他年份水质污染程度均处于清洁水平。总体而言，永定河上游主要河流水质在2013-2016年逐渐改善。

表4 内梅罗污染指数评价结果

图2 空间和时间的聚类分析Fig.2 Temporal-spatial cluster analysis

2.3 聚类分析结果

对2013—2016年永定河上游主要河流的9个监测断面进行空间聚类分析，采用Ward算法，以欧氏距离平方(SED)为度量标准，SED越小，聚类结果越显著[2]1337。当SED =5时，9个断面聚类为3组，如图2(a)所示。第1组为鸡鸣驿、响水铺和八号桥，主要位于洋河中下游，水污染相对较严重，属于中污染断面；第2组为北泵房和左卫，主要位于洋河上游和清水河上游，水质属于轻污染；第3组为石匣里、温泉屯、老鸦庄和小渡口，主要位于桑干河和清水河下游，其中石匣里、温泉屯和小渡口离市区远、靠近农村区域，而老鸦庄位于市区内，水质均属于清洁断面。根据每个月的水质参数进行时间聚类分析，采用最近邻元素方法，以欧氏距离为度量标准。当欧氏距离为23时，可将12个月分为2组(见图2(b))。第1组为4—10月，属于张家口的主要降水月份，称之为丰水期。第2组为1—3、11—12月，降水量低，属于张家口的枯水期。这与张家口月份降水量有一定的相似性，但不完全一致。GU等[19]研究千岛湖时得出，尽管周期的划分可给采样提供一定的实用性，但水质变化与自然季节和干湿时期并不严格一致。

2.4 空间聚类不同指标对比分析

将永定河上游张家口地区主要河流水质指标按空间分类结果输入到Origin Pro 9.0中，制成箱线图，并采用单因素方差分析进行不同组之间的均值比较，结果如图3所示。DO均值第1组最大，各组之间差异显著。高锰酸盐指数均值第1组最大，与其他两组之间差异显著。BOD5均值第1组最大，3组之间无显著差异。氨氮均值第1组>第3组>第2组，第1组与其他两组之间差异显著。TP均值第1组>第2组>第3组，最大值出现在第1组，最小值出现在第2组，第3组与其他两组之间差异显著。氟化物均值第1组>第2组>第3组，最大值和最小值均出现在第1组，第1组与其他两组之间差异显著。

2.5 时间聚类不同指标对比分析

由图4可知，丰水期和枯水期之间有显著差异的只有DO和TP。DO平均值为枯水期>丰水期，可能原因是枯水期主要在冬季，温度低。值得注意的是，丰水期TP平均值明显高于枯水期，这可能与丰水期降雨径流较多而导致农田土壤磷素随径流迁移有关。

注：图上标注字母不同表示差异显著(p<0.05)，图4同。图3 比较不同空间分组的指标数据Fig.3 Comparison of indicator data of different spatial groups

2.6 污染源解析

对3组监测断面(空间聚类分析结果)的水质数据集进行标准化，再进行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)度量和Bartlett检验，KMO值一般认为其值大于0.6(其值域为0～1)适合做因子分析。经计算得到第1、2、3组KMO值分别为0.68、0.64和0.62。因此，3组均适合做因子分析。空间分析的旋转因子载荷矩阵见表5。

在第1组，F1的贡献率为39.05%，其中高锰酸盐指数具有较大因子载荷，与F1呈正相关关系。高猛酸盐指数是一种有机污染指标，主要来自工业污染废水排放和快速城市化造成的不受控制的生活污水排放[20]。第1组区域主要为洋河中下游，区内包括下花园区、宣化区和怀来县等，区域内主要有钢铁、制药、印染和酿造等重大工业企业，河道接纳大量工业废水，可能是造成高锰酸盐指数具有较大因子载荷的原因，因此将F1的污染源定义为工业污染。F2的贡献率为21.69%，其中氟化物具有较大因子载荷，氟化物一般来自水泥厂、氟化工厂和冶炼厂[21]。并且第1组氟化物平均值超过GB 3838—2002中Ⅲ类标准值(1.0 mg/L)(见图3(f))，说明受氟化物的污染较严重。查阅2016年各县区工业数据[22]可知，洋河中下游区域的水泥和冶炼等相关企业废水排污量占总排污量的18.9%，因此将F2的污染源也定义为工业污染。F3的贡献率为15.59%，其中TP具有较大因子载荷，TP的污染一般来自农业径流、市政污水和化肥厂废水等[23]，由于该组城镇化发展水平较快，部分区域市政处理设施未配套完整，仍存在污水未处理就排放进入河道，因此F3污染源可能为城市生活污水。

图4 比较不同时间分组的指标数据Fig.4 Comparison of indicator data for different temporal groups

在第2组，F1的贡献率为34.01%，其中TP具有较大因子载荷，该组断面主要位于洋河上游和清水河上游，流域内主要以农业生产为主，区域气候恶劣，植被稀少，加上人为开垦力度大，水土流失相对严重，暴雨使土壤中氮磷随径流进入河流，引起水体污染物浓度升高，从而影响水环境[24]，因此污染可能来源于农业面源污染。F2的贡献率为22.29%，其中氨氮具有较大因子载荷，高浓度氨氮一般主要是来自生活污水和化肥厂废水等[25]，万全区和崇礼区化肥企业并不多见，且在清水河上游崇礼区还存有部分生活污水直排进入河流现象，因此污染可能来源于生活污水。F3的贡献率为16.56%，其中BOD5具有较大因子载荷，BOD5主要来源是畜禽养殖和生活污水[9]2153，崇礼区自冬奥会申请成功后，旅游业发展较快，游客较多，因此污染源可能为生活污水。

表5 空间分析的旋转因子载荷矩阵

在第3组，F1的贡献率为32.17%，其中氨氮具有较大因子载荷，第3组断面主要位于桑干河和清水河下游，其中桑干河流域的阳原县和涿鹿县为张家口农业大县，种植业发展较好，而清水河下游的张家口市区出现氨氮具有较大因子载荷的可能原因是城市内源污染排放和城乡结合部的农业面源污染，因此将F1污染来源定义为农业面源污染。F2的贡献率为23.25%，其中BOD5和TP具有较大因子载荷，阳原县和涿鹿县畜禽养殖业较多，因此将F2归于畜禽养殖污染。F3的贡献率为16.06%，其中DO具有较大因子载荷，DO主要是有机物质以DO为代价进行氧化，阳原县的主导产业主要为煤炭物流、皮毛加工和陶瓷等，其中皮毛加工可能为有机物污染的主要来源，因此将F3解释为有机物污染。

3 对策建议

在对永定河上游张家口地区主要河流的污染物来源解析的基础上，结合国内河流湖泊治理的经验，对永定河上游张家口地区的水污染问题提出治理对策：

(1) 严控工业污染，提升生产绿色化水平。工业污染治理主要以下花园区、宣化区和怀来县为主，调整产业结构，加快传统产业转型，实施绿色清洁生产。加快清洁生产产业园建设，提高工业废水集中处理率，严格要求钢铁、制药、印染和酿造等重大工业企业的废水排放必须达到相应标准。

(2) 加强城市生活污水处理。城市生活污水排放是张家口地区水污染中的重要来源，因此必须严格控制城市生活污水排放，加强城市水污染治理。对于张家口地区城市水污染治理问题，首先完善给排水管网系统，鼓励实施海绵城市建设，提高城市水系统的蓄水和自净能力。其次，加大投入，在维持现有污水处理厂正常运行的情况下，引进国际先进污水处理工艺和技术，提高污水处理效率。

(3) 加强农业面源污染治理。永定河上游张家口地区农业面源污染治理方面，主要包括农田面源污染、畜禽养殖污染和农村生活污染。面源污染具有来源分散和复杂、污染物浓度低和治理难等特征[26]，需从污染物的源头、迁移等过程入手，建议结合“4R”技术[27]进行控制。近年来，农药、化肥使用量日益增多，建议减少使用并提倡使用有机肥料和生物农药。对于畜牧养殖区域，推广种养结合，大力提高粪便资源化利用水平，建设污水收集和处理设施，实现废水达标排放。对于农村生活污水，建议建设分散式小型生活污水处理设施，或利用周边自然环境建设生态沟渠等工程措施，削减氮磷浓度后再排放进入河网。

4 结 论

(1) 2013—2016年，TP、氟化物的超标率分别为28.24%、22.59%。基于内梅罗污染指数评价，桑干河水质所有监测断面水质污染均为清洁，水质最优；洋河的3个监测断面污染相对较严重，大部分断面属于中度污染；清水河断面在2014年受到轻度污染，其他年份水质均为清洁。总体而言，永定河上游主要河流水质在2013—2016年逐渐改善。

(2) 时空聚类分析结果表明，在空间上，9个监测断面可分为3组，第1组为鸡鸣驿、响水铺和八号桥，主要位于洋河中下游，水污染相对较严重；第2组为北泵房和左卫，主要位于洋河上游与清水河上游，水污染较轻；第3组为石匣里、温泉屯、老鸦庄和小渡口，主要位于桑干河和清水河下游，水质清洁。在时间上，12个月可分为两组，分别为丰水和枯水期。

(3) 空间聚类不同指标对比结果表明，第1组与其他两组之间高锰酸盐指数、氨氮和氟化物差异显著，3组之间DO差异均显著，3组之间BOD5差异均不显著，第3组与其他两组之间TP差异显著。时间聚类不同指标对比结果表明，丰水期和枯水期之间有显著差异的只有DO和TP。

(4) 污染物来源分析结果表明，洋河中下游主要污染物来源于工业污染和城市生活污水，洋河上游和清水河上游污染物来源于农业面源污染和生活污水，桑干河和清水河下游主要污染物来源于农业面源污染、畜禽养殖污染和有机物污染。