大型水库以上水体面源污染负荷定量识别技术应用

戚卫伟

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115000)

水库控制流域内的其他水库以及河流都可为其以上水体范围，小凌河、牤牛河和老哈河为白石水库以上控制范围内的主要河流[1]。水体流域范围由大凌河及其支流集水区组成，水资源计算面积17649km2，区域内多年平均降水量在450～500mm之间，多年平均地表径流深为39.18mm[2]。大凌河(白石水库以上)干流主要流经朝阳市、支流小凌河主要流经北票市，支流大凌河西支主要流经凌源县，白石水库坝前位于北票市。该区域为白石水库水源保护区范围，是《白石水库饮用水水源保护条例》重点实施区域，上游河道为输水道和水源涵养区，其中大凌河输水道也是白石输水工程的输水通道[3]。水库的主要功能随着社会不断发展已逐步转变供水功能，辽宁西部的朝阳市2300万供水人口的主要饮用水源地为白石水[3]。近些年来，随着空间上具有连续的白石水库以上水体范围内的农业、工业以及畜牧业的不断发展以及大量农业化肥的使用，白石水库多个水质指标的变化使得水库供水安全产生不同程度的影响[4]。对于白石水库以上水体水质情况，目前已有部分相关研究[5- 14]，研究成果均白石水库水质和富营养化发展趋 势严峻，造成这种情况的重要原因为面源污染，主要来源于种植业、 养殖业、林业和农村生活污水。查清水库区域水质状况及其污染情况至关重要，对水源保护、水污染治理、水生态恢复起到基础性指导作用。为此本文通过分析水库以上水体面源污染负荷定量识别技术，对白石水库水体面源污染负荷进行追踪溯源分析，从而提出相对应的保护措施。

1 水体污染定量识别技术

通过采样主成分分析方法，对水库污染指标及其环境影响因素进行关联分析，并基于区域农业、工业、畜牧业等特征进行综合定量识别。主成分数学模型的方程为：

z1=μ11x1+u12x2+…u1pxpz2=μ21x1+u22x2+…u2pxp………………………………zp=μp1x1+up2x2+…uppxp

(1)

式中，z1、z2、…、zp—p个主成分；x1、x2、…、xp—不同水质指标变量的；μ—各指标之间的关联度，其主要计算步骤如下：

(1)首先对各水质指标进行标准化处理，得到各污染指标之间的标准转换方程。

Z1=μ11x1+u12x2+…up1xpZ2=μ21x1+u22x2+…up2xp………………………………Zp=μp1x1+up2x2+…uppxp

(2)

其中，

(3)

(4)

(5)

式中，var—样本方差；cov—协方差。

(2)对各指标进行主成分分析。

z1作为第一主成分的计算条件为：

(6)

var(zi)=maxvar(u′x)

(7)

z2作为第一主成分的计算条件为：

cov(z1，z2)=0i

(8)

(9)

var(z2)=maxvar(u′x)

(10)

其余主成分所满足的条件以此类推。本文对水质参数进行主成分分析、对水质参 数和环境因素进行 Spearman 相关性分析，识别潜在的污染源。考虑 到不同水质指标数据数量级上的差异，先将数据进行标准化处理。

2 全部样点水质参数统计分析

2.1 采样概况

每年6—10月为白石水库以上河流水量较为充沛的时期，其他时间水量较少属于枯水期，水库库区范围内、大凌河上游段、牤牛河和老哈河作为白石水库以上最大水体选取16个采样点，分别在丰水期进行了水质污染指标的采样和测定。从2014—2020年进行连续监测，按照《水和废水监测分析方法》规定方法测试总氮、 总磷、粪大肠菌群等36项水质指标。采样区域位置见表1。

2.2 水质参数统计

白石水库除总氮指标外，其他指标均低于III类水质标准，表明白石水库以上水体污染程度总体相对较低，区域内总氮水质主要来源于老哈河以及牤牛河。白石水库以及阎王鼻子水库的pH值超过Ⅱ类水质标准的样本个数为5个，均为6月份采集到的水样。白水水库水体范围内的铜等重金属、氟化物、氰化物以及其他水质指标均未超过III类水质标准。此外，氨氮等硝酸盐类水质、浊度以及悬浮物的变异度均超过90%，在空间上呈现一定程度的时空异质性。水质参数统计结果见表2。

3 污染影响因素识别结果

3.1 方差贡献率

将所有采样样本的 16个指标标准化数据进行主成分分析， 并对各水质指标的主成分进行检验，检验结果表明白石水库水质指标满足主成分分析的计算条件，对2个贡献率为69.5%的主成分进行提取，各指标主成分矩阵见表3。

表1 采样点位置概况

通过主成分分析表明总氮和硝酸盐氮两个总体解释方差为39.9%，两个指标的Spearman相关为0.798，达到P< 0.01显著相关水平。大气沉降、化肥流失、动物排泄、生活污水是水体氮素的主要污染源，化肥流失以及动物排泄是水体中硝酸盐氮的主要污染来源。第一个主成分分析中主要为硝酸盐氮以及总氮两种水质指标，而不包括其他畜禽养殖的污染源指标。因此农田化肥是其第一主成分的污染主要来源。通过实地调查发现朝阳市耕地主要分布在大凌河流域内，全市氮素划分和种植业总氮含量分别为6万t和 627.63t，种植业所产生的总氮和总磷污染指标的含量分别为102.8、41.32t。农业种植区是白石水库以上水体主要流经的区域，且与主要为山丘地带，夏季水土流失受降水集中影响较容易发生，化肥流失是种植业主要的污染源风险，因此第一主成分主要污染来源于农业种植的化肥流失。

第二个主成分解释了总体方差的 29.6%，包括五日生化需氧量、氨氮、总磷和粪大肠菌群等指标，推测来自于畜禽养殖和农村生活。粪大肠菌群是生长于人和温血动物肠道中的一组肠道细菌，来源于人类或动物粪便。在白石水库控制流域中，粪大肠菌群浓度较高的样点所在区域人口数也相对较高，对 2014年人口数及畜禽养殖量与粪大肠菌群年平均值和人口数的Spearman相关系数可达到0.996，属于高度相关，且通过P< 0.01的显著性检验。畜禽养殖总量与白石水库以上水体面源的粪大肠菌群具的Spearman相关系数为0.911，通过P< 0.05检验水平。农村生活以及畜禽养殖为总磷、氨氮以及五日生化需氧量主要可能的污染来源。白石水库河流两岸主要分布有畜禽养殖厂，每年的氨氮、总磷以及化学需氧排放量分别为680.65、737.05、24518.08t,,污染物由于降雨流失影响较容易进入河流内，因此第二个主成分污染源主要为农村生活及畜禽养殖。

表2 白石水库以上水体采用点水质参数统计结果

表3 旋转后的成分矩阵

3.2 农业种植污染源时空分布

识别出白石水库水体以上农业种植污染源的时空变化特征，确定农业种植污染源的高风险时间与样点位置。不同采样点农业种植源得分的时空分布如图1所示。

从不同采样点各时间段农业种植污染源的时空分布分析结果可看出，各采样点污染源主成分得分从2014年开始呈现先递增后递减的变化，2020年各采样点主成分较高。2019年和2020年春季污染源主成分综合得分较高，进入夏季后由于水量增多对污染物浓度有所稀释，其主成分得分有所减少。这和白水水库水体范围内的农业耕种方式、化肥使用方式、耕地作为分布、降雨变化相关。春季化肥使用量较大，污染物增多，夏季由于化肥类型有利于作物的快速生长使得农作物耕种密度较高，从而降低了进入水体的污染物浓度。秋季作物收割后，裸土面积增加，使得污染物流失比例增加。在污染源空间分布上，大凌河上游的采样点得分均较高，得分高的采样点所在区域的农作物耕种面积较大、按照2020年相关统计数据表明，白石水库入库所在的章吉营镇以及大凌河上游大城子镇的耕地面积分别为 0.21万hm2及0.36万hm2，为农业种植污染源高风险地区。

3.3 农村生活及畜禽养殖源污染源时空分布

白石水库水体以上农村生活及畜禽养殖源污染源的时空变化特征，确定污染源的高风险时间与样点位置。不同采样点农村生活及畜禽养殖源得分的时空分布如图2所示。

农村生活畜禽养殖污染源主成分高得分采样点分别为四家子、骆驼山以及红石砬村，各采样点主要分布在大凌河上游以及凉水河子区域内，表明大凌河上游以及凉水河子受到农村生活及畜禽养殖污染影响程度较大。按照2019—2020年相关统计数据，白石水库入库口章吉营镇、阎王鼻子入库口大平房镇以及白石水库阜新取水口上园镇的家禽数量分别为4万余只、2万余只以及7千余只。从主成分各水质采样点分布可看出，从2016年开始各采样点均呈现递减变化，这主要是因为朝阳各县区对畜禽区进行了禁养区的划定影响，使得其污染源减低。和农业种植污染源变化有所不同，农村生活及畜禽养殖污染的季节性变化显著程度不高。

图1 不同采样点不同时间农业种植源得分的时空分布

图2 不同采样点农村生活及畜禽养殖源得分分布图

4 结论

(1)建议白石水库控制流域内加大对农村生活及畜禽养殖的组合使用，并可通过提高有机肥施用比例来均衡调控氮磷施肥量，降低白石水库以上水体总氮面源污染负荷。

(2)建议在白石水库丘陵地带建立植物绿篱对其坡面为地形进行改变，降低坡面污染流失量，可有效拦挡和阻滞坡面径流及其推移的悬浮物，也可提高地表径流下渗的水量和降低坡面氮磷的流失比例。

(3)4月农作物播种前建议水库加大取水、蓄水量，5月上旬高风险时间减少取水，采用备用水源。加强取水口水质监测，高风险时期净水工艺中建议增加活性炭吸附、高级氧化等深度处理装置，保障饮用水安全。