绿塘河水质污染分析及河流水生态环境保护

陈军亮 陈家颖 吴志勇 李林锋

（广东海洋大学化学与环境学院 广东湛江 524088）

引言

海洋生态环境保护是建设海洋强国、实现可持续发展的必由之路。陆源是海洋环境污染的主要来源，陆源污染占海洋污染物总量的80%[1]。《2017 年中国海洋生态环境状况公报》表明，虽然我国的海洋生态环境状况整体呈现稳中向好的趋势，但入海河流水质状况不容乐观，近岸的局部海域污染依然严重。对55 条河流不同水期的入海断面多年连续监测发现，55 条河流入海断面水质在枯水期、丰水期和平水期为劣四类的河流比例分别达44%、42%和36%[2]。因此，陆源污染尤其是入海河流的污染治理迫在眉睫。

城市河流是城市中生态环境的重要依托，在城市发展规划中，优美的河流风景能为城市居民提供优质的生活环境，使城市更加具有活力[3]。绿塘河是位于广东省湛江市霞山区境内的一条城市河流，全长6.2 公里，属于浅短河，发源于湛江市霞山区海头镇屋山村后塘岭，自西向东穿城而过，在霞山区观海长廊处入海[4]。随着城市的发展，绿塘河逐渐成为城区主要排污水道，也从清澈见底慢慢变得发黑发臭，鱼翔浅底不再，行人也掩鼻避之。

自2005 年起，市委市政府高度重视，借创建国家园林城市和国家卫生城市的契机，先后多次组织环保、水务、城建、城综及开发区管委会、霞山区政府等多部门联合开展对绿塘河的综合整治。此后十多年时间里，上游农村污水治理工程、城区截污工程、水质净化厂、生态公园、引水工程等基本建成，强化环保执法清理了周边养殖场、水产加工厂等，源头污染被大部分消除，绿塘河状况有了较大程度的改善。不过，由于城市发展步伐的加快，污水收集、处理等基础设施的建设满足不了沿河两岸人口日益增长带来的排污需求，绿塘河仍出现反复污染的情况。河流的水质状况与城市居民的生活环境息息相关，在全面治理和消除城市黑臭水体及保护沿海区域海洋环境的大背景下，绿塘河入海河流的水污染防治迫在眉睫。鉴于此，本文运用主成分分析的方法对绿塘河入海口监测断面的水质监测指标进行研究，分析绿塘河水质污染状况，识别主要污染因子，为绿塘河实现城市河流整治与生态环境保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据监测

2019 年4 月至2020 年3 月在绿塘河海景路桥（距入海口约200 米）处设置监测点，每两周取样监测1 次。监测指标有pH 值、高锰酸盐指数（CODMn）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、叶绿素a（Chla）。水样取样和分析均严格按照《水和废水监测分析方法》（2002）标准操作。

1.2 研究方法

主成分分析法是利用降维的思想，即在简化系统结构且不影响原有信息情况下，一种将多个指标转化为少数综合指标的定量分析法。利用主成分分析法可通过比较不同水质监测指标对水质质量的贡献率，精准、可靠的确定需评价指标，从而减少不必要指标的计算，减少水质等级评价过程中的工作量，其分析的具体模型为：

假定有n 个水体样本,每个样本共有p 个指标变量，则构成了一个n×p 阶的地理数据矩阵：

少数几个新的综合变量可以用P 个原始变量来组成,使新的变量是一个线性组合的原始变量，从而定义x1，x2，…，xP是它的原变量指标，z1，z2，…，zm（m，p）是它的一个新的综合变量。

（2）式中，系数lij按以下原则确定：

①zi与zj（i≠j；i,j=1，2，…，m）相互独立；

②z1是x1，x2，…，xp的所有线性组合的最大方差；z2是与z1不相关的x1，x2，…，xp的所有线性组合中的最大方差；zm是与z1，z2，…，zm-1都不相关的x1，x2，…，xp的所有线性组合中方差最大者。新变量指标z1，z2，…，zm就被称为原变量指标x1，x2，…，xp的第一，第二，…，第m 主因子。其中，z1占总方差的比例最大，其次分别是z2，z3，…，zm。

综上所述，主成分分析法的主要步骤为：原始数据的标准化处理；计算相关系数矩阵及其特征根与特征向量；计算方差贡献率并确定主成分；计算主成分荷载（主成分系数矩阵）；计算各主成分得分，以方差贡献率为权重综合得分值F。各主成分综合得分和水质污染程度可依据各主成分综合得分和排名进行综合化定量描述，得分越高，表明污染越严重。

1.3 污染因子分析

利用SPSS 软件的主成分分析法对绿塘河河流水质主要污染因子进行分析，主成分分析法的主要步骤为：原始数据的标准化处理，计算相关系数矩阵、特征根与特征向量，计算方差贡献率并确定主成分，计算主成分荷载值以找到主要污染因子。

2 结果与分析

2.1 监测数据标准化

将pH、NH3-N、TN、TP、CODMn、Chla 和DO 这7 个水质指标数据进行标准化处理（其中DO 为逆指标,先将其进行倒数变换，然后标准化），具体结果见表1。

表1 标准化数据

2.2 主成分确定

将pH、NH3-N、TN、TP、CODMn、Chla 和DO 这7 个水质指标数据进行标准化处理（其中DO 为逆指标，先将其进行倒数变换，然后标准化），利用标准化处理的数据进行主成分分析，结果见表2。

表2 特征值和主成分贡献率及累积贡献率

由表2 可见，第1、2、3 主成分的特征值分别为2.534、1.874 和1.755，均大于1，方差贡献率分别为36.2%、26.8%和25.1%，其累计贡献率为88.1%，大于85%，说明这3 个成分反映了原始变量提取的88%的信息，因此只需要提取前3 个主成分就可以对绿塘河出海口河流水质污染因子进行分析。

2.3 因子载荷矩阵

初始因子载荷矩阵计算结果见表3，从表3 可知，Chla 在第一主成分上的载荷最大，反应了水体富营养化的程度。由于浮游植物及藻类大量滋生，消耗大量溶解氧，导致水体溶解氧含量较低。在第一主成分上pH值的载荷值也比较大，但其实际意义不甚明显。TN 和NH3-N 在第二主成分载荷较大，CODMn和TP 第三主成分上的载荷较大，它是工业类废水和城镇居民生活污水的共同特征。这说明绿塘河河流氮磷等无机和有机污染都比较严重，这与沿途居民生活污水及周边工农业废水排放密切相关。

表3 主成分载荷值

借助SPSS 软件，运用主成分分析法从原始7 个水质监测指标中提取占总方差的88%的3 个主成分因子，分别为氮、磷和高锰酸盐指数，以反映绿塘河入海口河流水体的污染程度。这说明绿塘河河流氮磷等无机和有机污染都比较严重，导致藻类等浮游植物大量滋生，水体溶解氧含量低，并伴有恶臭气味，分析结果与实际情况相吻合。

3 绿塘河河流水生态环境保护途径

绿塘河虽然全长只有6.2km，但蜿蜒曲折流经人口稠密的中心城区，作为一条城市河流，除了具有一般河流的排洪、防涝等生态功能外，还具有为城市居民提供娱乐场所的社会功能。当下，随着人们对生态环境保护意识的增强，保护环境，共建宜居生活家园的概念越来越深入人心，这与绿塘河河流黑臭水的现状极不相符。通过前面的水质监测数据及主要污染因子分析，绿塘河河流氮磷等无机和有机污染都比较严重，说明沿岸居民及工厂排放的生活污水及工农业废水对河道河流水质影响很大。生活污水及工农业废水中有丰富的氮、磷及其它化学成分，很容易使绿塘河河流水体水富营养化，藻类植物的大量繁殖，藻体死亡腐败分解需消耗大量溶解氧，导致水体厌氧，发黑发臭等。鉴于此，绿塘河河流水体整治的主要途径有：（1）截污，通过污水输送管道将生活污水及工农业废水全部收集输送到污水处理厂进行集中处理，处理达标后的出水可以回流到河道，除补充季节性河流水量不足外，还能保证河道其他水生生物的多样性，增强河流自净能力。（2）对早期沿绿塘河修建的绿塘河湿地公园进行景观提质改造，减少人为石砌陡峭河岸，因地制宜恢复河流河道岸坡的自然状态，尤其是构建多层次的湿地植物群落系统，丰富游憩环境。（3）清理河道，对部分重点地段的河道淤泥进行清淤，防止底泥内源污染物的二次污染。（4）增强环保意识，社会各界应加大对河流环境保护工作的宣传教育力度，让人们意识到河流在城市生活环境中发挥着至关重要的作用，了解河流污染对周边居民造成的危害。与此同时，还应当不断完善相关法律法规，严禁乱倒生活垃圾。只有如此，才能逐渐恢复绿塘河河流水体的生态系统功能，还其优美、宜人、充满生机的原貌，实现人与自然的和谐相处。

结语

总之，海洋生态环境保护建设海洋强国的必由之路，也是确保可持续发展的重要保障。而陆源是海洋环境污染的主要来源，因此必须要加强对陆源污染的监控与研究。上文中对绿塘河出海口水质污染因子的分析，为做好相关河流生态环境保护提供了理论支持。同时提出了相应的保护途径，希望为入海口河流生态环境保护提供借鉴，为海洋生态保护提供支持。