大伙房水库以上水体面源污染特征及污染源识别研究

2022-05-07曹丹

水利规划与设计 2022年5期

曹丹

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁葫芦岛 125000)

浑河大伙房以上水体为大伙房控制流域内的全部河流和水库，主要包括大伙房水库及浑河上游、社河和苏子河3条主要入库支流[1]。大伙房水库为辽宁中东部等城市的饮用水源地，控制流域内水体具有连续的空间性，随着社会经济快速发展，水库控制流域内的水体污染程度发生变化，对区域的饮水安全产生不同程度的影响[2]。为加大大伙房水库饮用水源地保护力度，亟需结合大伙房水库控制流域水体水质监测数据，对水库以上水体水质变化特征进行分析，并对水体主要污染来源进行识别，从而为大伙房水库水体保护规划和具体措施的制定提供支撑依据[3]。近些年来，对于大伙房水库以上控制水体水污染特征取得一定研究成果[4-14]，但这些研究存在样点少、研究时间早、采样时段窄等问题，污染源空间和时间分布特征不清晰。为提高水源地饮水安全和利用价值，本文结合大伙房水库以上控制水体的监测数据，并结合主成分分析方法[15]和水质指标之间、水质指标与环境因素之间相关性分析，建立水体污染源识别技术，对大伙房水库以上控制水体的污染源及时空分布特征进行识别。成果为《大伙房饮用水水源保护条例》的落实和最严格水资源管理制度实施提供技术支撑。

1 污染影响因素识别方法

1.1 识别方法

针对水体污染识别的方法研究，对不同水质监测指标与影响因子之间采用主成分分析方法进行关联分析，结合区域污染特征进行动态识别。通过对线性变化的多个变量进行主要因子分析是主成分分析的常用的多元统计方法。其主要优点在于对多个变量进行主成分分析，采用“降维、去相关”对原始指标主成分综合分析。将一定关联的因子进行重新组合分析，确定其综合指标是主成分分析的主要方式，该方法将原始随机变量进行正交变换成随机新变量。采用协方差将原随机变量进行对角转换，新的正交坐标系对原坐标系进行几何表现，使得具有p个正交方向的样点分布，采用降维方式对多变量进行处理，新变量中具有较大方程的可以对多个原始变量进行主要信息的综合反映，使其包含原始变量信息，主要变量构建方程为：

Zp=up1X1+up2X2+…uppXp

(1)

式中，Zp—p个主成分；Xp—p个变量；u—权重。

1.2 主成分分析的基本步骤

(1)对原有变量进行坐标变化，可得：

Zp=u1px1+u2px2+…uppxp

(2)

其中：

(3)

(2)提出主成分，z1称为第一主成分，其满足条件：

u′1u1=1

(4)

var(zi)=maxvar(u′x)

(5)

z2称为第二主成分，其满足条件：

cov(z1，z2)=0

(6)

u′2u2=1

(7)

var(z2)=maxvar(Ux)

(8)

其余主成分所满足的条件以此类推。

2 大伙房水库以上控制水体污染特征

采用GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，对大伙房水库以上水体水质数据进行对比分析，对其主要污染因子进行时空分布特征的识别，对控制流域内主要入库河流富营养化等级评价。

2.1 全部样点水质参数统计分析

选取的18个水质采样点分别位于浑河、社河和苏子河作为大伙房水库以上控制水体内，各采样点分布见表1。按照《水和废水监测分析方法》，进行29项水质指标统计分析，结果见表2。

表1 水质采样点位置

由表2可知，除总氮外，其他指标均低于Ⅱ类地表水环境标准，表明大伙房水库控制流域内水体整体具有良好的水质状况。超标严重的2个指标为总氮和粪大肠菌群，2个指标最低值均大于对应的Ⅱ类水质环境标准值，全年总氮在整个控制流域水体内污染指数较高。浑河和苏子河2个支流是超标样本粪大肠菌群的主要来源，全年各月份均超过Ⅱ类水质标准。大伙房水库、红升水库、腰堡水库在7月份有10个样本pH值超标，其他各指标最高值均不超标。变异系数高于100%的水质指标分别为氨氮、汞、挥发酚、粪大肠菌群、硫酸盐、铁、锰、叶绿素、悬浮物、浑浊度、色度，表明各指标具有较为明显的异质性时空分布特征。

表2 所有样品29项水质指标统计性描述

2.2 总氮变化特征

考虑到大伙房水库控制流域内总氮和粪大肠菌群超标严重，结合各采样点总氮监测数据，对大伙房水库控制流域内河流2014—2018年总氮时空变化特征进行分析，如图1所示。

由图1可知，各采样点总氮浓度均值为2.76mg/L，浓度区间主要在0.63～9.25之间变化。有98%的样本超过了地表水Ⅲ类水质标准(1.0mg/L)，各样本中浓度超过1.5mg/L(Ⅳ类水质标准)的比例达到92%，超过2.0mg/L(Ⅴ类标准)的样本比例达到77%，总氮污染程度较高。从总氮污染空间分布特征可看出，浑河上游总氮浓度均值为3.35mg/L，超标样本个数达到71个，总氮污染程度最高，其次是苏子河，其总氮浓度均值为2.95mg/L，超标样本的个数为114个，社河总氮污染程度在3条主要河流中最低，其总氮浓度均值为2.45mg/L，有132个样本超过标准值。

图1 全部样点总氮浓度分布图

2.3 粪大肠菌群变化特征

大伙房水库控制流域全部样点粪大肠菌群浓度如图2所示，共454个样本，粪大肠菌群浓度范围为0～198000个/L，其中33%满足地表水Ⅰ类水质标准(200个g/L)，59%满足Ⅱ类水质标准(2000个g/L)，76%满足Ⅲ类标准(10000个g/L)，81%满足Ⅳ类标准(20000个g/L)，89%满足Ⅴ类标准(40000个g/L)。整体浑河上游粪大肠菌群浓度均值为121226个/L，84个样本超过标准值，为浓度最高的河流，其次为苏子河，其粪大肠菌群浓度均值为17371个/L，超标样本的个数为152个，社河及库区范围内粪大肠菌群浓度最低，其粪大肠菌群浓度均值分别为6165个/L和149个/L，超标样本的个数90个和130个。

图2 全部样点粪大肠菌群浓度分布图

2.4 富营养化指数变化特征

结合综合加权指数法对大伙房水库控制流域内2014—2017年富营养指数变化特征进行分析，如图3所示。

从图3中可以看出，从2014年起，大伙房水库控制流域内水体富营养化指数逐年递减，29%的样本在2014年富营养化程度处于轻度-中度之间，7%的样本在2017年处于轻度等级。除2017年外，每年7、8、9月富营养化指数高，5、10、11月低，夏季富营养化指数总体较高，秋冬季营养化指数较低，富营养化指数在2017年总体处于中等程度，月际没有显著差异。其中2017年5月富营养化指数整体偏高，接近富营养化警戒线，主要是总氮浓度超标导致，浓度高样点浑73是大伙房水库内浑河入库后的样点，北杂木位于浑河入库口。浑73与北杂木2点的富营养化指数高于其他样点，处于轻度富营养化水平，并且在大部分时间下，北杂木富营养程度低于浑73水质监测采样点。位于苏子河和社河入库口的古楼、台沟2个采样点处于中等富营养化程度，因此大伙房水库库区主要受浑河上游来水导致的富营养化可能性较高。样点浑37左和浑37右位于水库中部的同一监测断面，富营养化指数大小及变化趋势一致。2014—2015年浑37左富营养化指数高于浑37右，是由于靠近浑37左的岸边农业种植更加密集。抚顺取水口和坝前2点位于大伙房水库出库口附近，除2014年7月和2017年5月外，其他时间均处于中营养水平。

图3 库区及入库口富营养化指数分布图

3 大伙房水库以上控制水体面源污染识别

3.1 污染识别结果

分别选取浑河上游、苏子河、社河的5个采样点，进行总氮、总磷、粪大肠菌群等18个指标污染源识别，将354个样本的18个指标标准化数据进行主成分分析，分析矩阵见表3。

表3 主成分分析矩阵

第一个主成分解释了总体方差的20.8%，包括总磷、氟化物、铁、锰等指标，推测为地下水污染与底泥释放源，来自于地下水补给及河流底泥沉积的污染物释放。总磷和铁的Spearman相关系数为0.513，具有显著相关性，抚顺地区地下水质中根据《抚顺市地质环境监测成果报告》超标的指标主要有氟化物、铁、锰，地表水和地下水的互相补给过程中会使得超标污染物相互迁移。同时通过调查颗粒形态磷沉积在底泥之中主要来源于农业面源，底泥在厌氧条件下其铁、磷等污染物能够与氢氧化三铁进行吸附和释放，因此地下水污染及底泥释放是其第一个主成分的主要污染源。

气温、水温和溶解氧在第二主成分中总体方差为15.5%，其中负贡献率指标为溶解氧。溶解氧和水温按照Spearman相关性分析具有显著相关，水中溶解的氧因为升高的水温使得其浓度较低，水温和气温属于气候自然变化，而不是污染来源，因此气候因素是第二主成分。

总氮和硝酸盐氮在第三主成分中总体方差为9.9%，且具有显著相关性。大气沉降、化肥流失、动物排泄、生活污水等是水体氮素的主要来源，化肥流失和动物粪便是硝酸盐氮的主要来源，因此第三主成分中农田流失是总氮和硝酸盐氮的主要来源，控制流域内尿素用量较高，其耕地主要分布在流域两岸丘陵地区，夏季化肥受降水和水土流失影响流失风险较高，因此农业种植源是第三主成分污染主要来源。

五日生化需氧量、氨氮、总磷和粪大肠菌群等指标在第四主成分中方差总体较高，畜禽养殖和农村生活是其污染主要来源，粪大肠菌群浓度较高的采样点主要分布在大伙房水库控制流域内农村居民人口较多的区域。粪大肠菌群和人口数按照Spearman相关性分析具有较高的关联度，区域内畜禽养殖厂主要分布在大伙房水库控制流域河流沿岸，排放的污染物易流失进入水体。因此定义PC4为农村生活及畜禽养殖源。

第五个主成分解释了总体方差的7.4%，包括高锰酸盐指数和化学需氧量，代表有机物污染。高锰酸盐指数与水体中各指标均具有较高的关联度，其主要污染为工业、生活废水。

砷、硫酸盐和氯化物在第六主成分中总体解释方差为6.3%，其主要污染指标主要受地质影响。

pH值为第七主成分，其主要和钾钠钙镁等离子具有较高的关联度，其主要受历史积累所影响。

3.2 主要识别污染源时空分布

对识别出2大超标水质的污染源时空变化特征进行分析，确定污染源的高风险时间与样点位置。

(1)农业种植源

对大伙房水库控制流域内的农业种植源得分进行时空分布统计，如图4所示。

从图4中可看出从2014—2018年大伙房水库控制流域内农业种植源呈现先递增后递减的变化特征，各监测点从2017年开始春季主成分值高，到夏季有所减小，到秋季再逐步增加的变化分布，这主要受地区农业施肥方式有关，春季施肥量较高，污染流失率较大，夏季由于作物较为茂盛减低了降雨影响的化肥流失滤。农作物在秋季收割后由于裸露地表增加了其流失率。浑河上游北杂木、苏子河红升水库、永陵和古楼等样点由于有面积较大的耕地，其农业种植源影响下的污染物流失率均较高。

图4 农业种植源得分分布图

(2)农村生活及畜禽养殖源

对大伙房水库控制流域内的农村生活及畜禽养殖源得分进行时空分布统计，如图5所示。

图5 农村生活及畜禽养殖源得分分布图

北杂木、木奇和永陵采样点的农村生活及畜禽养殖源得分均高于其他水质采样点，浑河上游和苏子河是采样点的主要分布河流，农村生活及畜禽养殖是浑河上游和苏子河较为严重的污染来源。通过对浑河、苏子河、社河入库口家禽调查，其数量超过7万只，2016—2017各采样点农村生活及畜禽养殖源得分具有明显递减变化，这主要是因为严格划定了畜禽禁养区。