常州市典型水生态环境功能区河流水环境质量评价

2022-02-18王雪松徐锦前蔡永久

人民珠江 2022年1期

王雪松，张鸽，李颖，徐锦前,3,蔡永久*

(1.江苏省水文水资源勘测局常州分局,江苏常州 213022；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所,中国科学院流域地理学重点实验室，江苏南京 210008；3.安徽师范大学生态与环境学院，安徽芜湖 241002)

太湖流域是中国最发达的地区之一，该地区因工业、农业和城市的快速发展造成的严重污染而备受关注[1]。有关太湖流域河流生境评价的研究[2]指出，太湖流域中城市河流生境质量多处于中等水平，其中常州城市河流生境最差。常州位于太湖流域平原水网区，近年来，伴随着经济的快速发展，污染物的产生量、排放量持续增加，已远超当地的水环境容量[3]。基于大型底栖生物多参数指数(MMIs)的太湖流域水生态健康评价结果显示，太湖周边河流生态健康评价低于“良”，西部区域处于“中”，东部处于“差”的状态[4]。对常州市内河流的研究[5]指出，虽然常州市城市河流水质得到了控制和改善，但是植物多样性恢复并不理想。太湖流域河流生态状况评价也显示，多数河流处于“良”以下水平[6]。水利部门监测结果亦显示，常州市水质状况欠佳，现状仍需改善[7]。常州地区河流多为太湖入湖河流，是太湖湖体营养盐的主要输入来源[8]，其河流治理对控制太湖富营养化和湖泊生态系统恢复有重要意义。

基于水生态分区的流域水环境管理是环境管理发展的趋势，也是水生态保护、修复、管理的基础[9]。因管理机构和管理目标不同，中国先后形成了环保部门主导的“水环境功能区”和水利部门主导的“水功能区”。水功能区依据水域主导功能不同来划分，用于水资源的开发利用及保护。它简单直观地将不同水域进行了划分，利于水资源的开发利用及保护，而对水体的自然、生态特征方面考虑较少，未充分考虑水环境容量。水环境功能区划是据水域污染物种类以及水质类型不同来划分，用于控制水污染，保障水环境容量。它更加注重水环境的保护，充分考虑水环境容量，而对水生态系统完整性考虑不足；缺乏流域整体层面上的协调和统一[10-11]。国家水污染控制与治理重大专项系统地开展了水生态环境功能分区理论与方法研究，建立分区指标体系，建立全国水生态环境功能分区技术框架，完成重点流域水生态环境功能一级至四级区划，并提出按照“分区、分类、分级、分期”实施水环境治理和管理的理念，同时面向应用需求，实现和管理的对接和示范应用[9-11]。2016年江苏省人民政府发布了《江苏省太湖流域水生态环境功能区划(试行)》，分别制定了包括水生态管控、空间管控、物种保护三大类管理目标，初步构建了江苏省太湖流域水生态环境功能分区管理体系[12]。本研究以太湖流域水生态环境功能分区为基础，在常州不同分区河道布设采样点，测定水质指标，并结合社会经济、土地利用等资料，基于多元分析、水质类别评价、水质综合标识指数等方法对常州市河流水质的时空差异以及主要驱动因素进行分析，并提出常州市河流水质改善建议，以期为进一步水生态系统监测、提升水生态环境提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

常州市位于31°09′N～32°04′N、119°08′E～120°12′E，地处中国华东地区、江苏省南部，是扬子江城市群的重要组成部分，东与无锡市相邻，西与南京市、镇江市接壤，南与无锡市、安徽宣城市交界，与上海市、南京市两大都市等距相望。常州市辖6个市辖区，代管1个县级市，即金坛区、武进区、新北区、天宁区、钟楼区、经开区和溧阳市，全市面积4 372.15 km2。地处北亚热北带向北温南带过渡的气候区域，季风影响显著，属湿润季风气候[13]。常州南为天目山余脉，西为茅山山脉，北为宁镇山脉尾部，中部和东部为宽广的平原、圩区，境内地势西南略高，东北略低，常州市水系特点主要为水系复杂；水位落差小且由于受人工闸泵控制，流向不定，水流流速缓慢甚至停滞，河道连通性差异较大；水环境容量较小，小河浜、断头浜较多，且分布不均。全市河湖库众多，江河湖库水域面积733 km2，占全市行政区域面积的16.8%。

1.2 样品采集与处理

根据《江苏省太湖流域水生态环境功能区划(试行)》规定，江苏省太湖流域共划分水生态环境功能区49个(陆域43个、水域6个)，分属4个等级，其中，常州市共划分16个分区，包括生态Ⅰ级区(健全生态功能)2个、生态Ⅱ级区(较健全生态功能)4个、生态Ⅲ级区(一般生态功能)8个、生态Ⅳ级区(较低生态功能)2个(图1)。该研究在常州市内河流共设置了57个监测断面(图1)，采样点的布设兼顾了常州市主要的河流，涵盖了16个分区中13个河流分区。在2018年的冬季(1月)、春季(5月)、夏季(7月)、秋季(11月)进行监测采样。

图1 常州13个水生态环境功能区水质调查样点分布

调查水质指标包括水温、电导率(EC)、透明度(SD)、pH、溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODCr)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chla)、铜(Cu)、锌(Zn)、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)、镉(Cd)、铬(六价)(Cr6+)、铅(Pb)等指标。监测方法采用江苏省水环境监测中心计量认证检测能力范围内的分析方法，BOD5采用HJ 505—2009《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》，CODCr采用HJ/T 399—2007 《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》，NH3-N采用HJ 535—2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》，TN采用HJ 636—2012《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》，TP采用GB/T 11893—1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》，Cu、Zn、Se、As、Cd、Cr6+、Pb等采用HJ 700—2014《水质 65种元素的测定电感耦合等离子体质谱法》，Hg采用HJ 597—2011《水质总汞的测定冷原子吸收分光光度法》。

1.3 数据处理与分析

采用DO、BOD5、高锰酸盐指数、COD、NH3-N以及TP等指标的季节数据以及年均数据进行水质类别评价和水质综合标识指数评价(Water Quality Identification Index,WQII)计算。Cu、Zn、Se、As、Cd、Cr6+、Pb等金属元素指标由于浓度较低，达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，故不参与水质类别和综合标识指数评价。通过各断面的水质基本状况对常州市不同功能区河流水质的空间格局进行分析；用不同季节河流的水质综合标识指数、年均值数据条件下不同功能区水质综合标识指数对河流水环境现状进行分析。

水质综合标识指数评价法可同时反映水环境类别、水质数据、水质达标情况等水体参数[14-15]，水质综合标识指数计算公式：

Pi=Q1×Q2Q3

Iwq=X1×X2X3X4

式中Pi——单项水质指数，其中i为水质类别项；Q1——第i项水质指标的水质类别；Q2——监测数据在Q1类水质变化区间中所处的位置，其中，非溶解氧指标采取其与水质区间下限值之间的距离，溶解氧采取其与水质区间上限值的距离；Q3——水质类别与功能区划设定类别的比较结果，表示评价指标的污染程度；X1——河流总体的综合水质类别；X2——综合水质在X1类水质变化区间内所处位置；X3——参与综合水质评价的水质指标中劣于功能区目标的单项指标个数；X4——综合水质类别与水体功能区类别的比较结果；Iwq——水质综合标识指数，水质指数越大，显示水质较差。

土地利用类型数据基于2018年5月Landsat卫星遥感影像。以各监测点为中心，分别作50、100、200、500、1 000和2 000 m的缓冲区，利用ENVI软件对研究区遥感影像进行预处理，基于Arcmap软件进行遥感影像目视解译，获取研究区土地开发利用变化数据集，并将研究区划分为7个类别：林地、草地、园地、水域、耕地、建设用地和未利用土地。利用Canoco 5.0进行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)，获取多尺度土地利用类型对水质空间分异的解释结果[16]。主成分分析广泛用于水质分析、生态系统和过程的分析中，能确保在损失数据最少的情况下，对高维变量空间进行降维处理，更加客观地确定影响水质的主要因子的作用[17-18]。基于DO、BOD5、CODCr、CODMn、NH3-N、TP和TN，利用Past 3软件进行主成分分析，探索驱动水质变化的主要因素.主成分分析中，数据先进行标准化，经过Kaiser-Meyer-Olkin (KMO)检验与Bartlett’s Sphericity检验后，再进行主成分分析，依据Kaiser-Harris准则，一般保留特征值大于1的主成分。

2 结果与分析

2.1 水质基本特征和空间格局

常州市河流水质理化指标部分指标季节性差异较大，ρDO在冬季较高，平均值为8.09 mg/L，但Ⅲ-09、Ⅳ-02区各有3个采样点低于4 mg/L，春季和夏季分别有1个和3个采样点低于4 mg/L，ρDO过低会对水生生物生存造成威胁。秋季ρBOD5、ρCODMn、ρCODCr、ρNH3-N、ρTP和ρTN明显低于其他季节，平均值分别为4.44、3.72、12.86、0.64、0.106、3.81 mg/L (表1)。各季节主要水质类别为Ⅳ类水，在春季、夏季、秋季、冬季的占比分别为55.4%、66.7%、73.7%、44.6%；冬、春两季节水质较差，春季和冬季劣Ⅴ类水采样点占比分别为14.3%和19.6%；夏、秋两季的水质明显优于冬、春两季，常州市河流水质多以Ⅳ类水为主，部分采样点水质较差(Ⅴ类或劣Ⅴ类)的主要原因为ρNH3-N超标，个别采样点也会出现ρTP、ρBOD5较高的现象，见图2。

表1 常州市河流水质理化指标季节性变化单位：mg/L

图2 常州市河流水质类别季节性分布

空间格局上，常州市河流水质总体情况为东部劣于西部(金坛区、溧阳市)，东部地区尤其是武进区东部的Ⅳ-02、Ⅳ-03区水质很差，且大多集中在中心城区周边，冬、春两季水质以劣Ⅴ类或Ⅴ类为主；溧阳市南部的Ⅰ-02区和金坛区的薛埠镇的Ⅱ-01区水质较好，这2个分区主要位于流域上游，生态环境较好，四季水质保持在Ⅱ类，见图3。

a)春季

c)秋季

2.2 水质标识指数评价

BOD5、COD、NH3-N的水质单项标识指数较高，分别为3.9、3.8和3.8；DO、高锰酸盐指数和TP的水质单项标识指数较低，分别为2.9、3.0和3.3，见图4。综合水质标识指数显示，Ⅰ-02、Ⅱ-01区的水质综合标识指数较低，分别为2.5和1.6，河流水质相对较好；Ⅲ-09、Ⅳ-03区的水质综合标识指数较高，分别为4.0和4.1，河流水质相对较差，见图5。

图4 水质单项标识指数分区变化

图5 水质综合标识指数分区季节性变化

从水质单项标识指数和水质综合标识指数的空间分布来看，随着水生态环境功能区等级上升，水质综合标识指数上升，Ⅰ-02、Ⅱ-01区水质综合标识指数较低，水质状况较好，水生态环境功能区等级较高区域的各水质单项标识指数较高，水质状况相对较差。季节性变化上，除3个水质状况相对较好的分区(Ⅰ-02、Ⅱ-01和Ⅲ-08区)外，多数分区的秋季水质综合标识指数低于其他季节。

2.3 土地利用类型的尺度相关性

总体而言，耕地和建设用地是研究区域内2种主要的土地利用方式，占总面积的70%以上(图6)。随着缓冲半径的增加，水域面积建设用地面积逐渐减少，耕地面积逐渐增加。林地和园地面积也随着缓冲半径的增加而增加，但与耕地和建设用地相比，所占比例偏小。不同缓冲尺度未利用土地占有率较低，不足1%。

图6 缓冲区土地利用类型百分比(2018年5月)

为了解常州市不同土地利用方式对其水质的影响，在不同缓冲区尺度下对水质参数与土地利用类型进行了冗余分析(表2)。结果表明，林地、园地和建设用地在某些尺度上表现出对水质数据显著或极显著的解释能力。其中，林地在200～2 000 m尺度上表现出对水质具有较高的解释能力，园地在50 m尺度上具有较高解释能力，而建设用地在50～200 m尺度上对水质有较高的解释能力。

表2 基于冗余分析(RDA)的多尺度土地利用类型对水质空间分异的解释结果

为进一步研究不同土地利用类型与水质参数的相关性，对7种主土地利用类型和7种水质因子排序图的分析结果表明，不同水质参数与土地利用类型的相关性及强度往往随观测尺度而变化(图7)。在不同空间尺度上，除DO外，林地与其他水质指数均呈不同程度的负相关，建设用地与其他水质指数均呈不同程度的正相关，表明林地有利于河流水质改善，而建设用地是水质恶化的主要影响因素。耕地和水域面积与各水质参数从负相关(50～500 m尺度上)到2 000 m后与主要营养盐呈显著正相关关系，表明2 000 m以上尺度，耕地相对占比的增加，以及水域面积的减小与水质恶化密切相关。

a)50 m

2.4 主成分分析

主成分分析结果显示，特征值大于1的仅有1个，共得到1个主成分(PC1)，其累积贡献率为73.2%，可认为该主成分基本包含了以上7个指标数据集的所有信息。由图8可见，对PC1，BOD5、COD、TN具有较高的解释贡献率，相互之间的相关性较强；对PC2，NH3-N和TP的解释贡献率较高，表明常州市河流水质主要受到有机污染和富营养化的影响。荷载值较大且相互接近的水质指标形成了明显的集群，并且这些集群与功能区的集群相似，生态Ⅳ级区主要受到NH3-N和TP的影响，而生态Ⅲ级区和生态Ⅱ级区可能主要受到TN、COD、BOD5的影响，表明不同等级水生态环境功能区水质状况的威胁因素有差异。

图8 基于水生态环境功能分区的常州市河流水质主成分分析结果

3 讨论

3.1 水质季节性变化

常州市河流水质具有显著的季节性差异，根据水质类别和综合标识指数评价，夏季、秋季水质总体优于冬季和春季。降水、温度、水文条件等因素可能是引起季节性变化的重要因素。由于降水量的季节性差异，造成河流水量水位变化，使得河流生态系统自我净化能力发生变化，冬、春两季处于平水期，河流水位下降，对污染物的稀释净化能力降低，河流自净能力下降；夏、秋两季处于丰水期，对于污染物有较好的扩散稀释作用，自净能力较强[19-21]。

除了受降水量的影响，个别指标还因其指标特性，而季节变化显著。夏季气温高，有机物降解速率加快，耗氧量增加，造成夏季DO含量却普遍偏低；冬季DO含量普遍偏高，研究区内超过70%的断面达到了Ⅰ类水水质的DO标准的现象[22]。与大部分水质参数不同的是，秋季TN浓度略有下降，但在夏季仍然保持较高浓度，这是由于虽然夏季降水量大，处于汛期，水流量大，可能导致流域内富集的氮素通过径流进入河道[23]。

水质指标的变化还受到生物、化学作用的影响。较高的温度促进水中DO浓度的增加，利于水中的NH3-N进行硝化作用，转化为亚硝酸盐或硝酸盐，降低NH3-N浓度，出现夏季NH3-N浓度低于其他季节的现象；而秋季藻类和植被生长旺盛，对河流中磷元素进行吸收利用，可使TP浓度降低，出现秋季TP浓度较低的现象[24]。

3.2 水质空间分异的驱动因素

水质综合标识指数与主成分分析结果显示，EC、BOD5、NH3-N、TP等水质指标浓度随生态功能分区等级变化均呈明显上升的趋势，DO浓度呈下降趋势，TN、COD、高锰酸盐指数等指标分区变化相对较小或趋势不明显。水质受到有机污染和水体富营养化的影响，在空间上，常州市东部地区水质劣于西部地区。

不同的土地利用方式可能是形成水生态环境功能区水质空间差异的重要驱动因素[25-26]。土地利用方式可能驱动流域内氮磷等营养元素流失，营养物流入水体[27]。已有研究[28]表明，林地、草地面积均与污染物浓度呈负相关，均与建设用地面积呈正相关，这与本研究RDA分析结果一致。常州市各水生态环境功能区的水质状况差异较大，以林地为主要土地利用方式的区域(如金坛市西部的Ⅱ-01区、溧阳市南部的Ⅰ-02区)和以草地为土地利用的主要方式的溧阳与金坛的丘陵地带水质较好，水质均处于Ⅱ类。中心城区的建设用地和各区污水排放较多，水体恢复能力弱，水质明显较差，由此形成城市建设用地集中的东部水质差于西部的空间布局。据已有研究[29]，常州市生态Ⅳ级的废水和总磷排放以城镇生活源排放为主导，Ⅳ-02工业源和生活源废水排放量分别为 7 422.89万、12 735.80万m3，工业源、生活源和农业源的总磷排放量分别为13.48，46.50、18.91 t，远超其他水生态环境功能区水平。城镇排放的污水主要为有机污染和营养物，而市区外围广泛分布的耕地(多为生态Ⅲ级区)周边水体水质较差。水体主要受到TN、COD、BOD5的影响，随土壤被侵蚀及地表径流等现象的发生，农业施肥、畜禽粪便中的氮磷元素大量流失，从而导致周边水体环境受到污染[30]。长期变化来看，土地利用方式也是太湖流域生态系统服务退化的主要原因，引起的生态系统退化风险值得保持警惕[31]。

3.3 水环境保护对策措施

由于土地利用、经济开发等因素，人类活动对于水体环境生态健康状况产生了重大的影响。研究[32-33]显示，随着城镇化和经济发展，常州市土地利用方式中耕地面积发生了显著下降，水质也明显好转。因此，采取积极的政府政策与人为调控对于水环境优化具有重要意义。

农业生产过程中产生的氮磷污染物面源排放是造成水体污染的主要原因，较高的化肥施用量使得水体中氮磷元素富集，加剧了污染和富营养化[34-36]。太湖流域农业生产中化肥施用量一直处于较高的水平，是造成水体环境恶化的重要原因[37]。常州市耕地面积广泛，面源污染压力较大，如Ⅲ-04、Ⅲ-05、Ⅲ-06、Ⅲ-09、Ⅳ-02、Ⅳ-03等农业面源污染严重的区域应作为关键治理区。采取因地制宜的生态修复方案，减少营养元素的土壤流失和水体富集，利用合理的模式进行耕作，建立、恢复和利用缓冲区、水陆交错带，防止农田中营养元素流失，深入研究农田养分平衡，增加农田土壤的保肥能力[38]。

研究[39]表明，环太湖的河流中点源与非点源负荷相当，减轻点源污染对抑制有机污染和富营养化意义重大。常州市东部区域水体水质受工业点源和农业面源的双重影响，系统的自净能力受到影响，生态系统破坏严重。对于点源污染问题，一方面需加强污染源的监测治理，加强管网建设和污水处理能力；另一方面，可通过活水扩容，提高河流流动性、连通性，使污染物浓度降低，或通过增加湿地面积等生态措施，使水体自净能力增强，从而改善水质[40]。

总之，改善常州市河流水质现状需要将点源和非点源控制结合以及总量控制与浓度控制结合，辅以河道治理等环境管理措施，且充分考虑分区特征，对不同分区依据其特点制定具体的水环境管理方案。对于生态Ⅰ级区、生态Ⅱ级区应以保护为主，保持其较好的状态;对于生态Ⅲ级区、生态Ⅳ级区，则需强调修复，使其恢复生态功能。