浑太流域水质演变特征及污染源解析

2021-09-02刘建卫秦国帅

中国农村水利水电 2021年8期

李尧，刘建卫，秦国帅，田晶

（大连理工大学建设工程学部水环境研究所，辽宁大连116024）

近年来，地表水水质问题广受关注，水质情况的好坏，直接影响到社会经济发展和人们生产生活用水，良好的水生态环境也为水生生物提供良好的生存环境。通过水质分析，我们可以明确水质的主要情况，也可以对自然资源的开发和有效的利用提供帮助。而浑河、太子河作为辽宁省的2条重要河流，隶属于大辽河水系，流经省内沈阳、本溪、辽阳、鞍山等多个城市，是辽宁省的重要经济命脉，其水质情况与辽宁省的经济社会良好发展息息相关。

自浑太流域水污染问题引起重视以来，不同政策、治理方案相继出台，河道内水质的治理结果较为良好。截至目前，浑太流域的研究多为只针对单一流域或个别站点进行的水质时空演变规律分析［1，2］，且水质监测数据的时间序列都较短，地区覆盖面不够广，代表性不强；或是针对个别水质指标进行特征分析（如，氨氮、化学需氧量和总磷等），进行水质评价，并从空间层面上对河流水体内污染物的分布情况详细的核算与污染源解析［3-5］。综合以上情况可以发现，已有的研究内容中缺少针对全流域进行系统性的时空演变特征分析、污染源解析和贡献率的研究。因此，为研究浑太流域10年来水质变化情况，本研究从2001-2007年、2015-2019年浑太流域的26 个监测断面8项水质指标数据出发，对全流域水质状况进行评价，通过水质指标时空演变特征分析，掌握全流域水质变化情况，并采用主成分分析法、绝对主成分多元线性回归分析法进行污染源解析与污染贡献率的计算，以期为浑太流域水环境评估策略和有效的水质管理提供一个合理有效的依据，为接下来浑太流域的污染防治工作提供参考。

1 研究区概况

1.1 流域概况

浑太流域主要是由浑河和太子河两大水系组成，总流域控制面积为2.5 万km2，总长度为828.3 km，年径流量50～70 亿m3。其中，浑河全长415 km，流域面积1.15 万km2；太子河全长413 km，流域面积13 883 km2。浑河与太子河在辽宁鞍山三岔河附近汇入大辽河，最终在营口注入渤海。浑太流域的行政区包括抚顺市、沈阳市、本溪市等，行政区面积占全省面积的18.7%，是辽宁省乃至东北地区重要的经济中心。浑河、太子河流经我国东北老工业基地（抚顺、沈阳、辽阳等），遭受工业点源污染较为严重，水环境污染问题突出。

1.2 监测断面分布

本文从浑太流域已有的国控、省控水质监测断面中选择26个断面（见图1），2001-2007、2015-2019年的连续月监测数据进行研究，其中，8条支流的监测资料始于2015年4月。所有断面分布在浑河与太子河干流及8 条支流上，除2 个水库外，其余均为河流断面。其中，浑河流域干流监测断面为北杂木、大伙房水库、戈布桥、东陵大桥、砂山、于家房，支流监测断面为古楼、台沟、阿及堡、兴国桥、于台、蒲河沿；太子河流域干流监测断面为老官砬子、兴安、葠窝坝下、下王家、下口子、刘家台、小姐庙，支流监测断面为北太子河入观音阁水库口、南太子河入库口、汤河桥、二道河入库口、下达河入汤河水库口、河洪桥、牛庄。

图1 浑太流域水质监测站点分布图Fig.1 Distribution of water quality monitoring stations in Huntai River Basin

1.3 研究方法

本研究选择在水质评价中最具有代表性的高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、挥发酚、化学需氧量这5 个指标进行数据分析，得到浑太流域的水质时空演变特征，并用主成分分析法提取水质影响因子，识别污染源；基于绝对主成分因子得分，结合多元线性回归分析法确定各水质指标对相应影响因子的贡献率，量化分析污染源对水体重要理化因子的影响程度。

（1）水质评价方法。采用单因子指数法对浑太流域各监测断面的水质情况进行评价。单因子指数法的概念明确，计算方法简单，可以直观地体现出水质指标的污染程度。它是以《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）［6］规定的水质类别为标准，从单个水质指标入手，算出其超标倍数，并将计算结果中最差的指标评价级别作为整体水质的评价等级［7］。

（2）污染源解析方法。应用主成分分析和多元线性回归方法可有效地预估地表水质和生态系统的状态，识别破坏水体的潜在污染因子，多元统计方法是研究水质空间变化和识别污染源的有效工具。主成分分析法（PCA）是采用降维的方法，在大量的水质监测数据中选取几个具有代表性的影响因子，得到主要污染源的信息。将APCS 分析和多元线性回归综合运用的APCS-MLR 是一种较为有效的方法，通过PCA 分析得到主要影响因子的特征向量和绝对主成分的分（APCS），进行多元线性回归分析，确定各污染因子的贡献率［8-11］。

本研究通过SPSS 25.0进行主成分分析，将提取到的各水质评价指标主成分和最大方差进行旋转，得到各水质指标特征值及其方差贡献率，且确定公因子个数依据Kaiser标准，即特征值大于1的原则，采用KMO和Bartlett球形检验法验证该数据主成分因子分析的适用性。

2 水质分析结果

2.1 浑太流域水质的时间变化特征及其影响因素

2.1.1 浑太流域水质年际变化特征

通过对全流域26 个断面2001-2007年、2015-2019年的水质数据进行水质情况统计分析，得出不同年份各水质级别的断面数及达标（符合经过处理后也能供人类生活饮用的水质）率。具体计算结果见表1，其中由于数据缺失，浑河干流北杂木、大伙房水库断面及全流域支流的数据均从2015年起开始统计。

由表1可知：全流域整体水质符合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类标准的断面数变化很大，从2001-2005年开始减少，2005年的达标数最少，仅有9.09%，2006年起开始回升。2007-2015年间人们对水污染问题的重视程度开始加强，防治措施的力度加大，浑太流域得到有效治理，水质有所好转，2015年达标断面数较2007年显著增加近六倍。在2017年，达标断面数首次出现最高值，达标率为80.77%。近年来，浑太流域的水质状况较为理想，满足Ⅲ类标准的河段增多，水质总体呈现变好趋势。

表1 2001-2019年浑太流域监测断面水质类别Tab.1 Water quality classification of monitoring section in Huntai River Basin from 2001 to 2019

2.1.2 浑太流域水质季节性变化特征

通过对比各水质指标在不同水平年的汛期（6-9月）与非汛期（1-5月、10-12月）的含量，分析浑太流域河道内水质随季节变化的特征。具体情况如表2所示。

表2 浑太流域水质季节性变化Tab.2 Seasonal variation of water quality in Huntai River Basin

由表2可知：浑太流域2015-2019年各指标数据明显低于2001-2007年，水质整体上会受到季节变化的影响，水质指标在汛期、非汛期会有浓度差异，受降雨、流量变化等因素影响，出现非汛期水质比汛期水质差的情况。因此，非汛期可作为水质治理和控制的重点时段。

2.2 浑太流域水质的空间分布特征及其影响因素

浑太流域干流断面4 种水质指标（化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、氨氮）的多年平均浓度见图2，断面由左到右依次代表河流的上游至下游。

图2 浑太流域各干流断面主要水质指标多年平均浓度Fig.2 Annual average concentration of main water quality indexes in main stream sections of Huntai River Basin

综合浑太流域水质变化的整体情况，可以得到以下结论：①太子河流域的水质整体优于浑河流域的水质。如，浑河流域生化需氧量浓度最大值为7.89 mg/L，最小值为1.08 mg/L；太子河流域生化需氧量浓度最大值为4.67 mg/L，最小值为0.94 mg/L等。②流域水质由上游至下游逐渐恶化，在汇流的三岔口处达到峰值。③河道流经市区，其出市后水质劣于入市前水质。如，老官砬子断面位于本溪市上游，兴安断面在其下游，前者化学需氧量浓度为8.52 mg/L，后者化学需氧量浓度升高至13.07 mg/L。④水库入库前水质比出库后水质差。如，北杂木断面在大伙房水库上游，大伙房水库断面位于水库坝后，前者生化需氧量浓度为1.68 mg/L，后者生化需氧量浓度降为1.29 mg/L。

2.3 浑太流域污染物来源解析

本研究对2015-2019年浑太流域13个干流断面的8种水质指标（化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、总磷、石油类、pH值、溶解氧）数据进行污染源特征分析。

2.3.1 污染源识别

采用KMO 和Bartlett 球形检验对变量间的相关程度进行检验，结果见表3。其中KMO 取样适切性量数均大于0.6，适合做主成分分析；Bartlett 球形度检验的显著性满足P＜0.05 的置信区间，表明这8个变量之间有较强的相关关系，数据符合正态分布，该主成分分析有效。

表3 浑太流域各水质指标主成分矩阵Tab.3 Principal component matrix of water quality indexes in Huntai River Basin

根据表3和图3可知：在浑河流域的水质数据分析中，共提取出3 个主成分，累计贡献率为72.37%。主成分1 在化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量具有较强正载荷，其方差贡献率为44.37%，河道流经抚顺、沈阳等城市，大量城镇居民生活污水排入水体，使有机物和营养盐的含量不断增加，故认定其为城镇污水排放因子。主成分2主要为石油类和pH，方差贡献率为14.44%，流域内有多家大中型钢铁企业，大量工业废水的排入会造成重金属污染，故认定其为工业生产污染因子。主成分3为溶解氧，其方差贡献率为13.56%，由于溶解氧受气候条件的影响比较明显，故认为本因子为气象因子。

太子河流域的水质数据分析情况与浑河流域情况大体相似，提取出3个主成分，累计贡献率为68.35%。主成分1为城镇污水排放因子，其方差贡献率为37.19%，在高锰酸盐指数、化学需氧量、总磷具有较强正载荷，流域途径本溪、辽阳、鞍山等城市，由于居民生活污水、农业污水等大量排放，水体内有机物含量不断累积、水体富营养情况发生变化。主成分2为气象因子，主要是pH 和溶解氧，其方差贡献率为17.96%。主成分3 为工业生产污染因子，方差贡献率为13.20%，主要是石油类。

2.3.2 污染源贡献率估算

通过上述PCA 分析，可以确定研究区域内各主要污染源的组成、数量和空间分布特征，接下来利用绝对主成分得分多元线性回归受体模型（APCS-MLR）计算各主成分因子的污染源贡献率，结果见表4。

表4 浑太流域主要污染指标的污染源贡献率Tab.4 Contribution rate of pollution sources of main pollution indexes in Huntai River Basin

根据表4可知：①浑太流域各项水质评价指标的R2值较高，代表性较好，说明此次线性回归分析是有效的，结果较为可靠。②浑河流域：第一主成分中总磷、生化需氧量和化学需氧量的污染贡献率分别为93.29%、89.55%和83.08%；第二主成分中石油类的污染贡献率为69.78%；第三主成分中溶解氧的污染贡献率为93.19%。③太子河流域：第一主成分中化学需氧量、高锰酸盐指数和氨氮的污染贡献率分别为83.45%、77.79%和77.38%；第二主成分中pH 和溶解氧的污染贡献率为93.23%和82.21%；第三主成分中石油类的污染贡献率为95.27%。