石亭江流域水质时空分布特征及污染源解析

＊杨贤 高倩倩 傅德瑜 陈思洁 冉秀华 廖娅

（四川省德阳生态环境监测中心站 四川 618000）

影响河水水质的主要因素涵盖多个方面，其中包括水源的补给、当地的水文气候条件、流域内的地质环境状况（例如岩石构成、土壤类型和植被覆盖）及人类的各种活动。河流水质状况不仅受气温、降水等水文气候因素的影响。通过对石亭江流域干流和支流断面的监测分析和污染调查，研究时空分布特征，找出主要污染因子和污染来源。

本文以2022年石亭江流域9个监测断面（其中6个干流断面，3个支流断面）、6个监测项目作为研究指标，应用聚类分析和主成分分析研究石亭江流域水质时空分布特征，分析主要污染因子及污染源解析，找准重点污染区域，提出深度治理建议，推动石亭江流域水质全面达标工作。

1.研究方法

（1）研究河流概况。石亭江位于德阳市内，流域面积1512km2，主要支流有厂西排洪渠、白鱼河、射水河和马尾河等，同鸭子河交汇于双江桥断面，于三水易家河坝与绵远河汇合后，至成都金堂赵镇入沱江，涉及的行政区域包括绵竹市、什邡市、旌阳区、广汉市。年均径流深791mm，年均径流量12.0亿立方米，汛期为4—10月，非汛期为11月至翌年3月。

（2）监测点位及数据来源。流域内共设置9个断面，其中高景观、柳林村、金轮大桥、双江桥、三川、绵竹红豆村为干流断面，数据来源据德阳市水质自动监测站数据（高景观和柳林村来自每月手工监测数据），马射汇合、白云村、厂西排洪渠为支流断面，支流断面监测数据均来自水质自动监测站。为了保证数据的完整性和统一性，选取6项常规监测指标：水温、溶解氧、电导率、高锰酸盐指数、氨氮、总磷。

（3）研究方法。聚类分析是将具体或抽象的对象按照它们的相似性进行分类的过程，这些对象可以是物理的也可以是抽象的。通过定义变量之间的相似系数，辨别变量之间相似度，以此将所有变量逐一归类，环境监测中可以使用聚类分析法对监测断面水质时间和空间分布的相似性和差异性进行分析。

对主成分进行分析，第一步是将原来的变量进行标准化处理，然后再进行各变量之间的计算，最后将特征根由大到小排列，分别计算出对应的主成分。第二步是为了验证主成分分析的适用性，通常使用KMO和巴特利特检验。一般而言，KMO值大于0.6即可认为适合进行主成分分析。巴特利特检验则是用于检验各变量是否相互独立，如果巴特利特检验的显著性小于0.05，则拒绝原假设，认为相关系数矩阵不是单位矩阵，各变量间存在相关性，适合进行主成分分析[1]。第三步是确定主成分的个数，我们主要依赖于累计贡献率这一指标。当前k个主成分的累计贡献率达到或超过某一预定阈值时，我们即认为前k个主成分已经足够代表原始数据的变异信息，因此保留这k个主成分。通常会选取特征值≥1的主成分进行后续分析[2]。在对石亭江水质环境进行评估时，我们通过监测一系列指标来获取水质状况的多方面信息。利用主成分分析方法，我们可以将这些原始指标转化为少数几个综合性的新因子。这些新因子不仅包含了原始指标的主要信息，而且能够更集中地体现水质环境质量的主要特征。因此，通过对主成分因子的分析，我们可以筛选出对水质环境质量影响最大的监测指标，并进一步明确各指标对水质环境质量的贡献程度。这样的分析方法可以帮助我们更高效地评估石亭江的水质环境状况，为环境保护和管理提供科学依据[3]。绝对主成分-多元线性回归源解析模型（APCS-MLR）能够较好地反映工业、生活、农业等污染源的贡献[4]。

2.结果与分析

（1）聚类分析。时间聚类结果：石亭江流域时间聚类分析结果可分为两个时段如图1所示，5—11月为T1时段，12—4月为T2时段。时间上T2时段水质略优于T1时段。

图1 石亭江流域时间聚类分析

空间聚类结果：石亭江流域空间聚类分析结果如图2所示，9个断面可划分为2组，D1组包括断面高景观、柳林村、马射汇合和厂西排洪沟，其中高景观为源头断面，马射汇合为支流马尾河和射水河交汇断面，厂西排洪渠为支流与石亭江交汇处；D2组主要为干流断面，从上游到下游为绵竹红豆村、金轮大桥、白云村、双江桥和三川，白云村为支流白鱼河与石亭江交汇处。

图2 石亭江流域空间聚类分析

聚类分析原因：各监测断面水温呈明显的季节变化特征，6—8月（T1）水温高，12—2月（T2）水温低。溶解氧同水温呈相反的变化规律，主要原因是冬季水温较低，溶解氧的饱和度高，相反在夏季溶解氧的饱和度低，12—3月（T2）溶解氧浓度较高，绵竹红豆村7月溶解氧浓度超标，水体有可能受到易耗氧物污染，溶解氧得不到及时补充，水质较差。电导率空间变化比较明显，高景观、柳林村、厂西排洪渠和马射汇合（D1）电导率较低，其余D2断面电导率较高，除绵竹红豆村电导率时间上变动较大，其余点位电导率在时间上基本上比较稳定，绵竹红豆村收纳有新市工业园区的废水，水体可能受到了污染。

（2）主成分分析。通过对9个监测断面的5个水质指标进行主成分分析，结果表明KMO和巴特利特检验均有较好适宜性（KMO取样适切性量数0.61，显著性0.001），5个指标变量之间具有较好的相关性，主成分分析结果有效。选取特征值＞1的因子，共提取两个主要因子，累积贡献率66.52%，到达60%以上，见表1。主成分载荷系数大于0.7的指标被认为和主成分显著相关，0.7～0.5表示中度相关，0.5～0.3表示弱相关。

表1 石亭江流域各水质指标主成分分析结果

主成分1为工业废水和畜禽养殖废水排放，累计贡献率45.86%，与总磷、氨氮和电导率显著正相关。磷主要来源于工业废水，德阳是四川省磷矿石生产基地，磷矿探明储量约占全省的25%，全市磷化工厂及磷石膏堆场主要集中在石亭江中上游两岸，绵竹新市工业园区集中了大部分磷化工企业，园区废水处理后于绵竹红豆村附近排入石亭江。氮是农业水体污染的主要贡献者，广泛存在于农田径流和畜禽养殖排水，是石亭江流域农业面源污染中的主要污染源，石亭江流域分布有8个养殖排污口，主要分布在旌阳区和广汉市，其中支流白鱼河沿岸分布占50%。电导率则代表水体无机盐的影响，主要受工业废水影响。

主成分2为气象因素和生活污水排放，累计贡献率20.65%，气象条件影响程度较高的为溶解氧，溶解氧与主成分2显著负相关，说明气象因素对水体质量有一定影响。高锰酸盐指数与主成分2显著正相关，代表耗氧有机物污染，快速城镇化发展带来城镇污水排放量与日俱增，据统计，石亭江流域分布有17个城镇生活污水处理厂排污口和20个生活污水散排口，占石亭江流域排口的65%。

污染贡献率分析见表2。电导率、总磷和氨氮在主成分1的贡献率分别为86.0%、54.1%和39.3%。高锰酸盐指数和溶解氧在主成分2的贡献率分别为62.1%和28.4%。

表2 石亭江流域各水质指标贡献率分析结果

主成分和贡献率分析原因：磷主要来源于工业废水，德阳是四川省磷矿石生产基地，全市磷化工厂及磷石膏堆场主要集中在石亭江中上游两岸，绵竹新市工业园区废水处理后于绵竹红豆村附近排入石亭江，加之部分地区的土壤中含有因工厂排放或农业施肥等排放的磷物质积存，容易随着雨水冲刷进入河流。氮是农业水体污染的主要贡献者，广泛存在于农田径流和畜禽养殖排水，是石亭江流域农业面源污染中的主要污染源，石亭江流域分布有8个养殖排污口，主要分布在旌阳区和广汉市，其中支流白鱼河沿岸分布占50%。电导率则代表水体无机盐的影响，主要受工业废水影响。

溶解氧受气象条件影响程度较高，气象因素对水体质量有一定影响。高锰酸盐指数浓度代表耗氧有机物污染，快速城镇化发展带来城镇污水排放量与日俱增，据统计，石亭江流域分布有17个城镇生活污水处理厂排污口和20个生活污水散排口，占石亭江流域排口的65%，大量的生活污水排放对水质影响较大。

3.建议

（1）总磷污染治理。德阳市涉磷企业众多，流域主要污染物为总磷，需要深入开展“三磷”污染防治。一是加强磷化工企业废水整治，实现废水零排放；二是加大磷石膏堆场规范化整治和综合利用进度；三是加强渗滤液的收集和利用，实现“消增削存”，从源头上控制磷污染物的产生。

（2）氨氮污染治理。为了减轻环境压力，我们必须实施一系列策略来应对农村的面源污染。首先，我们要对畜禽养殖进行合理规划，优化布局，强调污染防治，鼓励集约化养殖模式，并执行畜禽粪便的安全资源化处置及管理项目。其次，要推动规模化养殖场建设粪便资源化利用设施，严厉禁止养殖场和乡镇生活污水无序排放或未达到排放标准的排放行为。对于高浓度的农田灌溉尾水流入河流的情况，我们需要加强监管，严格禁止农村生活废水未经处理或仅经过简易处理就直接排入河流。最后，我们还需加大水产养殖的整治力度，全面取消水库网箱养鱼，并进一步调整全市的禁养区范围。这些举措将有助于降低环境污染风险，保护我们的生态环境。

（3）高锰酸盐指数污染治理。城市和农业活动也是导致高锰酸盐指数升高的重要原因。随着城市人口的增加和经济发展的加速，城市污水和农业污染物进入水体的压力越来越大。因此，建立相应的规划和路线，尽可能减少城市污水和农业污染物的进入，这是降低高锰酸盐指数的关键措施之一。湿地生态系统可以缓冲和净化污染物，通过更好地控制水体中的有机质，对高锰酸盐指数有一定的降低作用。因此，对于容易产生高锰酸盐的污水，建设湿地生态系统是有效的选择。加强石亭江流域小水电站及取水枢纽工程管理，保障德阳市河流生态基流。沱江流域德阳段河道生态基流不足，在枯水期、平水期几乎无生态来水，由于河道生态功能的严重丧失。首先，我们需要对河道中的污染物进行详细调查和分析，以便准确核算出维持河道生态基流所需的水量。接下来，我们将积极与都江堰管理局等相关部门进行沟通和协调，确保石亭江高景观生态基流的有效下泄。同时，为了进一步改善河道生态环境，我们将与市水利局紧密合作，共同推进小水电站下泄生态流量的“一站一策”措施。

（4）小流域治理。整合发改科技、农业农村、水利、自然资源、生态环境等部门资源，合力将什邡白鱼河沿线规划成生态廊道、旅游廊道、产业廊道。通过面源污染生态拦截工程、农村生活污染治理工程、河道水生态修复工程、水资源保护工程、生态景观布局等，打造白鱼河流域治理样板，通过生态提升、环境改善，把“沉睡”的绿水青山转化成发展资本，并将经验覆盖全市，因河施策、因地制宜，全面推进我市小流域生态治理。