湘江永州流域水质时空规律及污染源解析

王敦球, 武 力, , 刘慧莹, 蒋正琴, 陈 喆

(1.桂林理工大学 a.环境科学与工程学院; b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室, 广西 桂林 541006；2.永州经济技术开发区环境保护局, 湖南 永州 425000; 3.湖南省永州水文水资源勘测局, 湖南 永州 425000)

0 引 言

湘江是湖南省最大的河流, 系长江主要支流之一, 发源于广西兴安县海洋山西麓, 向东北率先流入湖南省东部永州市(广西、湖南、贵州三省交界处)与潇水汇合, 向东流经衡阳、株洲、湘潭、长沙, 至岳阳市湘阴县注入洞庭湖后归入长江, 全长948 km, 流域面积 9.47 万km2, 是洞庭湖水系中水资源总量与开发利用率最大的流域[1]。为加强湘江保护, 早在2013年湖南省人民政府就已出台《湖南省湘江保护条例》, 以保障湘江流域生活、生产和生态用水。近年来, 湘江干、支流水环境质量因水污染负荷增加, 总体水环境质量下行压力增大。2016年湘江流域42个干、支流监测断面中月均2.6个断面达到Ⅳ类或劣Ⅴ类标准, 主要集中在下游衡阳、株洲等地[2-3]。因此, 针对湘江中、下游水质研究报道较为频繁, 但对湘江上游(永州段)水质方面的研究却鲜有见闻。

此外, 为明晰流域水质时空变化规律及其污染来源, 学界已采用聚类分析、主成分分析等多元统计方法对黄河、洱海、西苕溪、神定河、漳卫南运河、金水河、丹金溧漕河、香溪河等流域开展了大量研究[4-16], 但该类统计方法仍无法将水质时空变化情况直观反映在地图上。为了直观揭示湘江上游水质时空变化规律及其污染源贡献情况, 本文利用2014—2018年湘江永州流域40个水质断面的监测数据库, 在多元统计分析方法的基础上采用空间插值法进一步研究了湘江永州段水质在时空上的变化规律及其污染来源, 为湘江上游水域更好地开展“碧水攻坚战”提供科学依据。

1 数据及方法

1.1 数据来源

数据来源于湖南省水环境监测中心永州分中心的40个水环境质量监测断面的监测数据, 永州位于湖南省南部, 潇、湘二水汇合处, 40个断面分布在永州境内的湘江干流、潇水、芦洪江、永明河、九疑河、新田河、舂陵水、紫溪河, 具体位置如图1所示。本文选取2014年1月—2018年12月水质监测数据作为研究基础, 考虑到数据的连续性和有效性, 水质监测指标选取: 电导率、pH、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、氟化物(F)、砷(As3+), 其余水质指标基本属于未检出或接近检测限, 不纳入本次研究。

图1 湘江水质监测断面位置图Fig.1 Location of water quality monitoring section of Xiangjiang RiverA1—渌埠头； A2D—紫溪河口; A3B—潇水河口; A4—老埠头; A5—宋家洲; A6—冷水滩; A7—下河线; A8E—芦洪江口; A9—周家坝; A10—刀背石; A11—黄阳司; A12—瓦屋大院; A13—杨家桥; A14—祁水河口; A15—祁阳; A16—白水河口; B1—码市; B2—凌江口;B3—麻江口; B4—东山村; B5—鱼塘坡; B6—红旗坝; B7—道县水厂; B8—道县; B9—双牌水库; B10—双牌; B11—平福头; B12—富家桥; B13—南津渡; C1—所城; C2—岭脚上; C3—岭脚; C4—蓝山; C5—社下; D2—高岩水库; E1—伍家村; F1—水市水库; G1—大坪坳水库; H1—金陵水库; I1—窝子地

1.2 水质评价标准

湘江永州段流域各国控、省控断面基本保持在《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类及以上水质, 因此, 本文选取Ⅲ类水水质标准作为参考指标。

1.3 水质评价方法与判别

不同类别水体的水质各指标有差异, 采取单因子标准来评价水质往往无法反映水质状况, 故本文在计算水质污染指数时, 采取水质综合污染指数法[17]。综合污染指数的计算方法:

Pi=Ci/Si,

其中：Ci、Pi、Si为某单项污染物指标的实测浓度、污染指数及相应类别的标准值；n为水质污染物指标数量。根据水质综合指数P的大小可将水体分为:合格,P≤0.8;基本合格,0.82.0。

1.4 分析方法

在本次评价中运用SPSS软件, 采用组间平方欧氏距离法, 根据采样点水质污染程度信息进行聚类分析水质的空间变化特征。利用湘江永州段流域的水质数据主成分分析(PCA), 提取污染因子和识别污染源类型[18-19]。用因子得分分析和克里格插值法, 预测湘江流域永州段的水质时空总体分布情况[20-22]。

2 结果与分析

2.1 基于多元统计分析湘江永州段流域水质状况及污染源解析

2.1.1 湘江永州段流域各断面分类及特点 通过欧式平方和离差法聚类分析[23]湘江流域永州境内的40个断面水质监测数据, 结果如图2所示。

图2 基于水质数据的湘江流域各断面聚类分析图Fig.2 Cluster analysis of various sections of Xiangjiang River based on water quality data

湘江干流流域下辖绿埠头、紫溪河口(A2D)、潇水河口(A3B)、老埠头、宋家洲、冷水滩、下河线、芦洪江口(A8E)、周家坝、刀背石、黄阳司、瓦屋大院、杨家桥、祁水河口、祁阳、白水河口(A1～A16)16个断面；潇水流域下辖码市、凌江口、麻江口、东山村、鱼塘坡、红旗坝、道县水厂、道县、双牌水库、双牌、平福头、富家桥、南津渡(B1～B13)13个断面；舂陵水流域下辖所城、岭脚上、蓝山、社下(C1～C5)5个断面；紫溪河流域下辖紫溪河口(A2D)、高岩水库(D2)2个断面；芦洪江流域下辖芦洪江口(A8E)、伍家村(E1)2个断面；九疑河下辖水市水库(F1)断面；永明河流域下辖大坪坳水库(G1)断面；新田河流域下辖金陵水库(H1)断面； 冷江窝子地(I1)断面。40个断面可以分为3类： 其中舂陵水全部断面(C1～C5)、潇水上游流域的5个断面(B1～B5)、九疑河水市水库断面(F1)、永明河大坪坳水库断面(G1)、新田河金陵水库断面(H1)、白水河口(A16)为第一类。根据永州市水功能区划的划分[24]， 第一类流域水功能基本为源头水源保护区、保留区以及开发利用区中饮用水保护区, 除白水河口外, 主要分布于湘江干流上游及与其相连的支流。 因此, 第一类解译为开发度低未污染流域(a1), 其水质最好， 其中白水河口位于湘江干流下游末端永州境内的保留区, 体现了湘江非常强的自净能力, 可以使祁水河口(A14)下游的水质恢复到较好的状态。湘江干流的大部分监测断面(A1～A13、A15), 潇水中、下游断面(B6～B13), 紫溪河高岩水库断面(D2), 芦洪江伍家村断面(E1), 冷江窝子地断面(I1)为第二类, 主要分布于湘江干流中、下游及县级以上中心城区断面。 第二类流域基本为县级及以上中心城区的工业用水区和水源保护区, 因此, 第二类解译为开发度高基本未污染流域(a2), 其水质居中。祁水河口(A14)位于湘江干流下游祁阳工业区附近, 其主要水功能为工业用水区, 水质明显差于第一类、第二类流域水质, 受人类活动干扰较大, 因此, 第三类解译为开发度高轻微污染的流域(a3), 其水质最差。

2.1.2 湘江永州段流域各断面主要污染因子解析按照将湘江流域永州境内的3类断面水质监测数分别作主成分分析, 结果见表1。 按a1、a2、a3在特征值大于1的指导下, 分别提取出4个主要成分：b1～b4、c1～c4、d1～d4, 其KOM值分别为0.59、0.52、0.504和Bartlett检验Sig.<0.05, 表明3次PCA分析效果良好, 同时, 有研究将因子载荷在0.3～0.5、0.5～0.75和0.75～1分为“弱”、“中”、“强”3个层次[25-26]。a1、a2和a3提取后累计贡献率分别为64.55%、58.47%和75.47%, 说明3个区域除了提取4个污染源外, 还有其他潜在的污染源。

表1 各流域旋转后的成分矩阵统计Table 1 Statistics of rotational component matrix in different drainage areas

a1： 成分b1提取的主因子为DO、水温, 其贡献率占21.71%, 主要受来自于自然界的水文、气象等因素影响; 成分b2提取的主因子为CODMn、BOD5, 其贡献率占20.76%, 说明污染源排放的污水可生化性高, 故可能来自于少量分散的生活污水影响[27]; 成分b3提取的主因子为氟化物、电导率、As, 其贡献率占11.66%, 主要来自于自然界土壤中释放和零星采矿工业污染, 根据WHO的资料以及其他研究资料, 土壤和岩石中均含有较多的As、氟以及其他离子, 同时, 冶炼厂、矿山采选等工业也排放大量的As和氟[28-30]; 成分b4提取的主因子为总磷、氨氮和pH, 主要来自于分散的农业源污染[31]。

a2:成分c1提取的主因子为DO、水温和氨氮,其贡献率占20.97%,主要来自于自然的水文、气象等因素和少量生活污水;成分c2提取的主因子为CODMn、BOD5、氨氮和总磷,其贡献率占15.98%,主要来自于市政污水和生活污水混合污染;成分c3提取的主因子为pH、As,其贡献率占为11.12%,主要是由于自然因素和工业源,如降雨(酸雨)、土壤或岩石释放、工业污水排放等因素[30];成分c4提取的主因子为氟化物和电导率,其贡献率为 10.40%,主要是由于自然因素和工业源,如土壤或岩石释放、矿山开采、冶炼厂等污染[29]。成分c1和c2除自然因素外,主要来自于生活污水,其累计贡献率为36.96%,成分c3和c4除自然因素外,主要是工业污水和矿山开采等,其累计贡献率为21.51%,工业源的累计贡献率占比低于生活源的累计贡献率,说明该流域工业污水基本得到有效治理,这一现象与本流域基本是县级水源保护区、工业取水区的特征一致。

a3: 成分d1提取的主因子为DO、水温, 其贡献率占29.34%, 主要来自于自然界的水文、气象等因素影响； 成分d2提取的主因子为电导率、As、氨氮、氟化物, 其贡献率20.23%, 该流域水体中杂质较多, 成分复杂, 与工业污水的特征一致； 成分d3提取的主因子为CODMn、总磷, 其贡献率为15.52%, 成分d4提取的主因子为BOD5、pH, 其贡献率为 10.39%, 说明本流域受市政污水和工业废水的影响明显, 主要原因是该断面位于祁阳县主城区和祁阳工业园附近受市政污水和工业废水排放影响，导致该断面水质相比其他断面水质较差，但总体情况稳定[32-36]。

2.1.3 湘江永州段流域主要污染源解析 由表2可知: 永州市化学需氧量COD排放量为18.975万t, 首要污染源为农业源,其排放量为13.695万t,排放量占比72.17%;其次为生活源排放量为5.141万t, 其排放量占比27.09%;工业源仅占比0.67%。 氨氮排放量为0.606万t,首要污染源为生活源,其排放量为0.421万t,排放量占比69.47%；其次为农业源排放量占比29.54%；工业源仅占比0.83%。总氮排放量为1.903万t,首要污染源为农业源,其排放量为1.172万t,排放量占比61.59%； 其次为生活源，排放量为0.713万t,排放量占比37.47%；工业源仅占比0.84%。总磷排放量为0.279万t,首要污染源为农业源,其排放量为0.21万t,排放量占比75.27%；其次为生活源排放量为0.068万t,排放量占比24.37%；工业源仅占比0.36%。集中式治理设施的氨氮和总氮排放量仅0.001和0.002万t,且氨氮占总氮排放量的59.05%,生活源是氨氮污染的主要来源,说明本地区污水的收集处理率远远不够, 城市生活污水未经集中处理, 无序排放仍较突出。 总氮、总磷污染主要来自于农业源, 以非点源污染为主, 包括种植业、畜禽养殖、水产养殖等污染, 本地区工业源污染要远远低于农业源和生活源产生的污染。

表2 永州市废水污染物各类源主要产排污情况

2.2 基于两种不同方法分析湘江永州段流域水质状况的时空变化规律

2.2.1 基于因子分析法分析湘江永州段流域水质状况的时空变化规律 因子得分分析法是先利用主成分分析, 计算各流域断面的成分矩阵, 再用每个主成分乘以各自权重值得到综合得分, 按照综合得分排序, 分析各流域水质状况的空间变化， 其得分值越高, 代表水质污染越严重。根据表3可知: 开发度低流域(a1)各监测断面的综合得分取值介于-7.802～10.943, 其中白水河口(A16)的综合得分远远高于其他监测断面, 主要原因是该断面是湘江干流的下游保留区, 位于受开发后至轻微污染的流域下游, 是通过湘江自净作用恢复后的状态, 与其他断面差距较大; 综合得分排序为： 舂陵水(C2～C5)>九疑河(F1)>新田河(H1)>潇水上游(B1～B5)>永明河(G1)。 由此可知: 开发度低流域(a1)的各流域水质优劣水平从高到低顺序为: 永明河>潇水上游流域>新田河>九疑河>舂陵水。

表3 开发度低流域监测断面因子得分Table 3 Monitoring section factor scores inupstream undisturbed drainage area

根据表4可知: 开发度高基本未污染流域(a2)各监测断面的综合得分介于-4.190～7.619, 其中杨家桥(A13)和下河线(A7)的综合得分最高, 远远高于其他监测断面,主要原因是位于祁阳和冷水滩城区内的工业用水区, 城镇污水处理厂处理的尾水排放导致水质有所下降; 综合得分排序为： 湘江干流下游断面(A9、A11、A12、A13、A15)>芦洪江(E1)>紫溪河(D2)>冷江(I1)>湘江干流中游断面(A5、A6)>湘江干流上游断面(A1、A2D、A3B、A4)>潇水下游断面(B6、B7、B9); 芦洪江口断面的综合得分(A8E)低于其相邻的上游和下游断面综合得分, 主要原因是湘江的自净作用; 平福头断面的综合得分(B11)较高， 主要原因是其位于双牌工业园及污水处理厂排放口下游； 平福头断面的下游断面(B12、B13)综合得分逐渐降低, 通过自净作用水质逐步改善。由此可知, 除个别断面外, 开发利用受干扰的各流域水质优劣水平从高到低顺序为: 潇水下游流域>湘江上游流域>湘江中游流域>冷江>紫溪河>芦洪江>湘江下游流域。

表4 开发度高基本未污染流域监测断面因子得分Table 4 Monitoring section factor scores indeveloped and disturbed drainage area

2.2.2 基于空间插值法分析湘江永州段流域水质状况的时空变化规律 空间插值法是先利用水质综合污染指数法计算各断面水质综合污染指数的月均值, 再利用结果, 通过ArcGIS软件进行空间插值分析, 得到2014—2018年湘江流域水质状况评价分布图, 从而对各流域水质状况的时间和空间变化进行分析。相比因子得分法, 空间插值法可以将水质时空变化情况直观地反映在地图上, 探究湘江永州段流域水质年际变化情况和不同水期的变化情况。

(1)基于空间插值法分析湘江永州段流域水质状况的年际变化规律。根据图3所示, 插值分析结果共分为蓝、浅蓝、黄、红4个档次, 水质状况依次变差。全流域水质的总体趋势是从西到东, 从西南到东北各流域水质综合指数值呈现逐步升高, 与湘江源头分为西源和南源有关, 即各流域从上游到下游水质状况逐渐变差, 与2.1.1节的聚类分析结果一致, 这与土地利用率、开发程度差异密切相关[37-38]。各流域水质优劣水平从高到低为: 永明河>潇水>新田河>九疑河>舂陵水>湘江干流。近5年来(2014—2018年), 永明河水质状况由黄变蓝, 水质状况呈逐渐改善的趋势, 其中2017年有所反弹, 主要原因是永明河位于的江华县2016年与广东温氏食品集团股份有限公司合作, 大规模引进生猪养殖项目, 生猪养殖迅猛发展； 2018年开始， 江华县人民政府加强了畜禽养殖污染防治, 全面实施《江华县人民政府关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用实施方案》和《江华瑶族自治县禁养区畜禽规模养殖场关闭拆迁工作实施方案》, 畜禽养殖得到有效控制, 水质逐渐改善; 舂陵水、九疑河水质状况由红变黄, 并出现少量浅蓝, 表明舂陵水呈现水质下降的趋势, 舂陵水、九疑河位于宁远县和新田县, 该区域正在逐步推广“烟、稻、菜”轮作示范区, 土地肥料承载量增大, 农业面源污染风险增大, 导致水质下降; 潇水水质状况由黄色和浅蓝色转变为红色和黄色, 表明潇水水质状况呈上升的趋势; 紫溪河和芦洪江由浅蓝色转变为黄色, 表明紫溪河和芦洪江水质状况呈上升的趋势, 其主要原因是潇水、紫溪河和芦洪江都属于湘江的支流, 流域周边农业非点源污染较为普遍, 永州市从测土配方施肥覆盖、有机肥替代化肥技术推广和水肥一体化技术推广示范三方面加强农业非点源污染治理效果显著。除2017年以外, 湘江干流在水质状况分布图中上游和中游由浅蓝变黄, 下游深蓝区域范围逐步缩小, 表明湘江干流水质状况逐步改善, 其原因是永州市深入贯彻落实“永州市湘江保护与治理第一个和第二个‘三年行动计划’”, 包括湘江干流两岸500 m范围内所有养殖场全部退养、拆除河道网箱26.36万km2等一系列保护措施, 湘江干流水质状况逐步改善。

图3 2014—2018年湘江永州流域水质状况评价分布图Fig.3 Distribution of water quality assessment of Xiangjiang River in Yongzhou from 2014 to 2018

(2)基于空间插值法分析湘江永州段流域水质状况的不同时期变化规律。按照湘江永州流域长期水文统计数据: 湘江丰水期为5—9月、12月至次年2月, 其余平水期。由图4可知: 芦洪江、湘江干流下游水质相对较差区域红色区域面积平水期>丰水期>枯水期, 该区域丰水期和平水期水质要劣于枯水期, 其原因是丰水期和平水期雨量充沛, 降雨将农业面源污染物冲入河中导致水质相对较差; 九疑河和舂陵水流域蓝色区域面积平水期>丰水期>枯水期, 枯水期舂陵水流域还有部分区域呈浅红色, 主要是因为舂陵水、九疑河位于宁远县和新田县, 该区域正在逐步推广“烟、稻、菜”轮作示范区, 大面积种植“烟、稻、菜”施肥期主要集中在枯水期和平水期; 紫溪河、湘江干流上游流域黄色区域面积平水期>丰水期>枯水期, 其原因是该区域属于双季稻种植区, 每年3、4月和10月份播种施肥, 导致该时间段水质恶化。

图4 不同水期湘江永州流域水质状况评价分布图Fig.4 Distribution of water quality status of Xiangjiang River of Yongzhou in different water periods

3 结 论

(1)湘江流域永州境内的40个断面可以分为3类： 开发度低流域水质最好, 开发度高基本未污染的流域水质居中, 开发度高轻微污染的流域水质最差。

(2)开发度低未污染流域(a1)、开发度高基本未污染流域(a2)、开发度高轻微污染流域(a3)分别被提取出4个主要成分,a1主要污染指标为CODMn、氨氮和总磷;a2主要污染指标为BOD5、As和电导率;a3主要污染指标为氨氮、As和CODMn， 本地区污水的收集处理率低, 氨氮污染主要来自于生活源, 总氮、总磷污染主要来自于农业源。

(3)除个别断面外, 流域水质排序规律如下:

永明河>潇水上游流域>新田河>九疑河>舂陵水>潇水下游流域>湘江上游流域>湘江中游流域>冷江>紫溪河>芦洪江>湘江下游流域; 近5年来, 舂陵水、九疑河水质状况呈现下降的趋势; 永明河、潇水、紫溪河、湘江干流、芦洪江水质状况呈上升的趋势。

(4)芦洪江、湘江干流下游水质相对较差区域红色区域面积平水期>丰水期>枯水期, 九疑河和舂陵水流域蓝色区域面积平水期>丰水期>枯水期, 紫溪河、湘江干流上游流域黄色区域面积平水期>丰水期>枯水期。