滦河支流水质评价及农业面源污染来源的相关性

2023-08-28郝桂珍熊晓莹赵勇范慧双徐利

节水灌溉 2023年8期

郝桂珍，熊晓莹，赵勇，范慧双，徐利，3

（1.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北张家口 075000；2.河北建筑工程学院，河北张家口 075000；3.河北工程大学，河北邯郸 056009）

0 引言

河流作为地表水的重要组成部分，中国整体水质在2009-2019年趋于改善[1]，但其污染问题依旧严重[2-4]。根据全国污染普查公报可知，在点源污染得到控制的当下，农业面源污染已经逐渐发展为造成水体富集污染物总氮、总磷的主要来源。

21世纪以来，农田、农村畜禽养殖和生活排污是造成水体氮、磷富营养化的主要来源[5]，并随着降雨量和流量的增加，大量氮素、磷素随水土流失进入水体，同步出现农业面源污染负荷偏高的情况[6]。王萌指出[7]大部分研究未将总氮纳入地表水环境质量的评价体系当中,仅考核总磷来判断农业面源污染对水环境质量的影响存在偏差。根据《地表水环境质量评价办法（试行）》可知，河流断面水质类别评价采用单因子评价法的结果，即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最差一项来确定。但承德支流总氮污染严重超标，单因子评价结果受个别指标影响，发生较大偏差，无法全面合理体现整体污染情况。目前较常见的水质综合评价的方法还有内梅罗污染指数综合评价法、灰色关联度评价法、主成分分析法、加拿大水质指数法（CCME WQI）等。内梅罗指数综合评价法是国内外进行地表水综合污染指数计算的最常用方法之一，但该方法是在超标倍数的基础上进行分指数平均值及最大值比较，过分突出分指数最大因子对水质的影响，忽略了各污染因子权重问题[8]。刘金英[9]指出灰色关联度评价法存在离散程度大，不存在不产生序列效应同时满足规范性的关联度量化模型。主成分分析法是将多维因子在降低维度后纳入同一体系，避免少数污染指标对水质类别的决定性影响，更加客观的综合分析水质类别[10-12]。根据潘荦等人[13]的研究发现，CCME WQI不仅适用于饮用水水质的评价，也可用于河流水质的综合评价；CCME WQI评价法相较于内梅罗评价法和单因子评价法考虑了不同污染因子对水质的影响程度，评价结果以更直观严格的百分评分制体现[14]；并在我国汾河水库及上游河段[15]、鳌江感潮河段[16]、渭河宝鸡段[17]等河流水体的水质评价中验证其可重复性，加拿大水质指数成功运用于国内外地表水环境评价中[15-18]。

承德市水资源匮乏，主要河流普遍受到污染，且污染程度逐年上升[19,20]。滦河作为贯穿研究区域的主要水系，肩负着向下游天津、唐山地区输水供水的重任，同时也是京津冀地区重要的水源涵养地之一。承德以传统农耕养殖作为主要经济来源，是氮素、磷素污染高风险区域之一，城镇化程度不高，未开发的林地在全市面积中具有较高的占比[21]。农田、果林化肥施用量逐年增加，但由于承德农业耕作方式较为落后，化肥利用率低，对林地保护意识不足，导致水土流失，当地农业面源污染情况复杂且缺乏相关研究。

为进一步保护京津冀饮用水供应的安全，响应国家可持续发展战略，深化“绿水青山就是金山银山”的理念，支持“八百里滦河水质保护”工程，研究重点支流污染物变化情况，分析承德地表水主要污染来源及农业面源污染对支流水质的影响，将对滦河承德段部分支流水污染治理和水资源管理的理论和实践做出贡献，具有重要的科学价值和实际意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

承德市地处河北省东北部，处于华北和东北两个地区的过渡地带。全市总面积39 788.71 km2，属于温带季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，全市河流常年有水，汛期洪水暴涨暴落。承德市主要河流——滦河，位于河北省的东北部，河流全长885 km，干流呈东南向，横穿燕山和冀东平原，流域面积4.49 万km2，承德市境内干流长486 km，流域面积2.86万km2。滦河进入承德境内后汇入兴洲河、伊逊河、武烈河、柳河、瀑河等支流，是一条单一独立的入海水系。

伊逊河、武烈河、瀑河及柳河作为滦河在承德地区的主要二级支流，受承德当地气候、地理条件的影响，降水多集中于夏季，历史上曾多次发生洪水灾害，对生态环境造成了负面影响。伊逊河发源于河北省围场县哈里哈乡，流经隆化县和滦平县，属于滦河流域的较大支流，水量变化较大。武烈河流域地处滦河中游，建有数目较多的水利设施，深受人类活动的影响。瀑河流域依靠其原有的自然资源，旅游业发展较好，虽然及时治理了一些污染企业，但近几年由于采矿作业，植被减少，水质遭到破坏，瀑河水量锐减。柳河发源于兴隆县，最终汇入滦河，地势起伏较大，水流陡急。四条支流在承德境内汇入滦河，形成了自己独特的流域文化，对研究承德地区水环境状况具有一定的代表意义。

1.2 采样与研究方法

1.2.1 采样

选取伊逊河、武烈河、瀑河及柳河作为研究对象，共14个断面，采样时间为2017-2020年（月中采样）。其检测数据作为研究滦河中游主要支流水质的依据，采样点及编号如图1和表1所示。

表1 采样点编号Tab.1 Sample point number

图1 研究区域地表水采样点分布图Fig.1 Map of the distribution of surface water sampling points in the study area

选用全不锈钢水样采集器，采集亚表层水体（水下0.5 m），河宽小于50 m的断面中泓采样，大于50 m近左、右岸有明显水流处混合采样。水样运输保存全程均在4 ℃避光恒温箱内，水温、pH、溶解氧均采用HQ-40D多参数水质分析仪现场测定，其他指标24 h内实验室完成检测。

检测方法采用国家标准分析方法，并根据《环境监测质量管理技术导则》（HJ 630-2011）做好质量控制。抽检的10%的平行样结果相对偏差均小于5%，检测数据精度满足规范要求。

1.2.2 CCME WQI评价方法

CCME WQI评价法是1995年由加拿大英属哥伦比亚大学(UBC)提出的水质指数改进而来[22]。其评价指标和评价标准选取灵活、评价结果严格直观，从指标的超标范围、超标频率和超标幅度3个角度衡量水体污染状况，能够较为全面地评价某一时期的水体质量，广泛应用于世界范围内的水环境评价[23,24]。CCME WQI的取值范围在0～100之间，将水质分为极好(94, 100]、良好(79, 94]、中等(64, 79]、较差(44, 64]、极差[0, 44]共5类等级。

计算公式如下：

式中：F1为超过目标水质限值的指标项目百分比，是超标指标的超标范围；F2为监测指标超过标准限值的所有次数所占百分比，作为超标频率；F3为超标幅度；P为超标水质指标的个数；N为监测的水质指标总数；q为全部水质监测数据中超标数据的个数；M为水质指标监测数据总数；S为在具体某一监测指标超标时，该监测数据的超标倍数；Q为参数，即各监测数据超标倍数和与水质监测数据总数之比。

然而，CCME WQI作为一种确定性指数，污染物浓度接近评价标准值时，评价结果易发生“跃迁”，并且在设定水质标准上需要结合专家经验和群众期望，具有一定主观性[24]。

1.2.3 农业面源污染指标流失计算方法

有研究指出主要农业面源污染浓度与地表水水质呈正相关关系，单凭污染物排放指标无法正确反映主要面源污染物对水质的影响[25]，故引入了畜禽养殖业废物利用率，畜禽养殖业污染指标流失量计算如下：

式中：TPLi为i类污染指标流失总量，kg；Km为第m年畜禽养殖业废物利用率，前瞻经济学人的统计数据显示2017、2018、2019、2020年畜禽养殖业废物利用率分别为60%、66%、70%、75%[26]；Xij为j种畜禽的i类污染指标的排放系数，kg/（头·a）；Bj为j种畜禽的养殖量（具体数值见《河北统计年鉴》）；Lij为j种畜禽的i类污染指标的流失率，%。见表2。

表2 畜禽粪便排放系数与流失率[27]Tab.2 Livestock and poultry manure emission coefficient and loss rate

2 结果分析

2.1 2017-2020年水质情况

武烈河、伊逊河、瀑河及柳河作为重要源头支流及饮用水源地，各断面根据《河北省水功能区划》规定均执行地表水Ⅲ类标准。

水质检测指标包括pH值、溶解氧指数（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮浓度（NH4+-N）、石油类污染物浓度、化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）、粪大肠菌群等。其中作为主要污染指标的pH值、DO、CODMn、BOD5、NH4+-N浓度、石油类污染物浓度均能达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅲ类标准，测值分别在7.6～9.0、8.9～12.8、1.6～4.2、1.0～3.5、0.07～0.66、0.005～0.044、8～10、8～10 mg/L之间波动。

由于数据量较大，为了方便观察数据波动情况，绘制了4条河流检测指标浓度箱线图，如图2所示。箱子的宽度在一定程度上代表了数据的波动程度，超出的点位可以理解成异常值。

图2 河流断面主要污染物检测值箱线图Fig.2 Boxline diagram of the test values of major pollutants in river sections

图3显示农业面源污染典型指标在研究期间的各断面月平均浓度变化情况。河流受TN污染情况十分严重，浓度最高可超出地表水Ⅲ类标准的12.8倍；武烈河、瀑河、柳河4项污染物浓度在2017年之后有所下降，伊逊河近4年TN检测浓度变化不大。TP指标浓度仅在2017年李台（0.3 mg/L）超过地表水Ⅲ类标准，COD仅在2017年的26号大桥超标，浓度为22.7 mg/L，4年检测到各断面NH4+-N月平均浓度均在地表水Ⅲ类标准限值之下。

图3 2017-2020年河流断面主要污染物月平均检测值折线图Fig.3 2017-2020 Line chart of monthly average test values of major pollutants in river sections

粪大肠菌群指标的地表水Ⅲ类标准限值为1 万个/L，围场上游（2018-2020年）及党坝（2017年）出现了超标情况。根据我国居民的生活习惯，粪大肠菌群超标并不会影响饮用水水质，但会影响其景观娱乐功能，并且水厂为进行处理投加更多药物而造成副产物的增加，影响出水水质。粪大肠菌群指标由于缺乏连续性数据，无法进行具体时空变化分析。

2.2 CCME WQI水质评价分析

根据王坤[16]的分析可知，利用CCME WQI评价水质类别时，水质目标的设定对水质评价结果影响较大，若将水质目标提高一级，则水质评价数值出现不同程度的下降。因此在设定水质目标时，依照相关文件规定CCME WQI评价标准为Ⅲ类水体，并根据水质功能类别来选择参与评价的水质检测指标。参与评价的水质指标个数应大于8个，小于20个；水质指标间不应存在高度相关性，避免相关性水质指标重复选择对计算结果产生影响[22]。参考CCME WQI 2017附录2初步选择pH，DO，CODMn，BOD5，NH4+-N，石油类，COD ，TN，TP，粪大肠菌群共10项水质指标。

从表3可以看出，部分指标之间存在极显著相关关系，但相关系数|r|均小于0.8，一般认为|r|≥0.8的变量高度相关。由此可以认定各组指标未达到高度相关的条件。可将选择的水质指标纳入CCME WQI评价体系中。

表3 支流断面CCME WQI水质指标显著性分析Tab.3 Significance analysis of CCME WQI water quality indexes in tributary section

河流断面水质类别评价采用单因子评价法，各支流断面总数小于5时，根据指标浓度的算数平均值中类别最差的一项确定定类指标。该评价方法中粪大肠菌群、TN指标单独评价。研究对象单因子评价结果优于《河北省水功能区划》规定的水功能类别，与CCME WQI评价结果有一定差别，而CCME WQI考虑了总氮、粪大肠菌群等超标项目的超标范围、超标频率和超标幅度，因此得出的水质评价结果较合理。

柳河上、下游水质较好且相对稳定，CCME WQI评价最高值出现在2020年的大杖子（二）断面，中游26号大桥断面水质评价较差但逐年好转；武烈河及伊逊河较高的水质评价结果有自上游到中下游转移的趋势，河流主要污染区域发生变更，但伊逊河的水质相对更差；瀑河在中下游水质最差，但到2019年，瀑河的水污染情况明显好转。滦河主要支流整体水质评价结果分布在中等水平（59.51～78.99），并未出现水质极好或很差情况；近年来4条支流的水质有明显好转，河流治理初步出现成效，但伊逊河的源头污染问题情况加重。

根据CCME WQI评价法计算公式，发现F1和F3的权重较高，所以水质指标项目的选择和超标幅度对CCME WQI评价结果有较大影响。各断面TN浓度严重超标，是影响CCME WQI评价结果的主要因素，见表4和图4。

表4 CCME WQI法与单因子法评价2017-2020年支流整体水质结果Tab.4 CCME WQI method evaluates the overall water quality results of tributaries in 2017-2020

图4 2017-2020年滦河支流各断面CCME WQI评价结果变化情况Fig.4 Changes in CCME WQI evaluation results in various sections of Luan River tributaries from 2017-2020

2.3 降维分析

采用SPSS 25软件对所有支流、伊逊河、武烈河、瀑河数据进行KMO检验及Bartlett球形检验。KMO检验结果均大于0.7，Bartlett球形检验结果的显著性概率P值均小于0.001，说明本研究水质数据适合用于主成分分析。旋转后的全部支流数据成分矩阵如表5所示。

表5 旋转后的公因子与变量相关系数Tab.5 The coefficient of correlation of the rotated common factor to the variable

因子1（占总方差的29.028%）与CODMn、BOD5、NH4+-N、COD有显著的正相关关系，除对pH存在负向影响外，其他指标均为正相关关系。由于生活污水的排放和农业耕作都会造成水体中有机物、氮磷污染物含量的明显上升，且缺乏硝态氮、亚硝态氮等检测指标进一步区分，初步认定因子1为生活污水排放或农业耕作造成的污染物流失。

因子2（占总方差的20.583%）可考虑为来自降水径流污染影响。根据表5可知因子2对DO、TP有显著作用，指标之间存在的相关性相反；因子2影响加强的同时也会造成研究水体变酸、粪大肠菌群的检测数量增加。降雨时大气压强降低，水体中DO值下降，山区雨水的过度冲刷会导致水土流失，未经处理的生活污水、垃圾粪便等污染源被降雨径流直接带入水中。

因子3（占总方差的19.044%）会对pH值上升、碱度增加起显著的正向作用，对TN浓度的增加出现显著的阻碍作用。受到磷元素积累的刺激，浮游生物快速生长，消耗二氧化碳，使水体pH值上升，分泌藻类多糖[28]，故因子3可认为是浮游生物生长繁殖的影响。因子4（占总方差的11.691%）仅与石油类排放有极显著的正相关关系，得出因子4为石油的泄露。

通过主成分分析确定支流存在4个主要污染源，主要影响因子方差百分比占整体的80.346%，特征值均大于1。总方差排序为生活污水或农业耕作污染（29.028%）＞降雨径流（20.583%）＞浮游生物的生长繁殖（19.044%）＞石油泄漏（11.691%）。参数降维后通过对应水污染物化学特征分析来确定其污染来源方向，具体的污染物及其量化的判断仍需进一步深入解析。

3 讨论

3.1 利用承德地区土地利用类型分析污染分布

绘图数据来源于资源环境科学数据注册与出版系统的中国多时期土地利用遥感监测数据集（CNLUCC）。中国科学院在国家资源环境数据库基础上，以美国陆地卫星Landsat遥感影像数据作为主信息源，通过人工目视解译，建成了国家尺度1∶10比例尺多时期土地利用专题数据库。图5采用CNLUCC中2020年承德地区土地利用遥感监测数据，其分辨率精度为1 000 m[29]。

图5 2020年承德地区土地利用情况Fig.5 Land use in Chengde in 2020

研究区土地利用类型以林地、草地为主体，这是以其独特的山区地形条件造就的；其次是旱地，基本分布在河流两岸；城镇用地以聚集点状分布在伊逊河及武烈河下游、柳河及瀑河上游；农村居民点较为分散。

伊逊河的水质最差，上游两岸分布较大规模的旱田，工业排污口污水排放量高[20]，畜禽养殖业较为传统，出现了粪大肠菌群超标的情况；下游存在一定规模的城市聚集，生活污水排放造成了TP浓度的超标；污染物通过不同途径的流失造成了TN的积累，在流向上呈上升趋势。武烈河中游及柳河的林地、草地覆盖较高，水土保持较好，污染主要来源于城镇居民生活污水排放和山区降雨导致的局部地区水土流失。瀑河流域土地覆盖与其他研究支流差别较大，大面积农田沿河分布，地形平坦，植被覆盖以低矮灌木、草地为主。由此可知不同支流的水污染状况有很大区别，水污染负荷贡献率与土地利用类型密切相关。

3.2 农业面源主要污染指标与承德滦河典型二级支流水质相关性分析

王思如[30]通过聚类分析法分析了农业面源污染的主导来源，得出我国农业面源污染物TN、TP主要来自于畜禽养殖和农田种植，虽然各省污染情况不同，但是两者之和占比大多数超过了90%。因此，承德农业面源污染与支流水质相关性分析采用化肥施用量以及畜禽养殖产生的COD、TP、NH4+-N污染量。

根据2017-2020年《河北统计年鉴》农业部分，可得到承德4年化肥施用量、全市畜禽出栏量与存栏量，通过计算公式得出2017-2020年承德地区化肥施用量及畜禽养殖业COD、TP、NH4+-N指标流失状况，并引入畜禽养殖业废物利用率指标，2017、2018、2019、2020年畜禽养殖业废物利用率分别为60%、66%、70%、75%，计算结果与CCME WQI水质评价值进行相关性分析。化肥施用量与畜禽养殖业污染物单位量级不同，故采用农业面源污染指标相对值（以2017年为标准）与断面CCME WQI值进行拟合。

图6为Pearson相关性热图，可知瀑河化肥施用量以及畜禽养殖业主要污染指标与CCME WQI值存在显著的负相关性，柳河、武烈河、伊逊河4项农业污染指标与CCME WQI值无相关性。瀑河水质会随着当地农业面源污染物的减少而有所改善。根据|r|值可以看出化肥施用情况对瀑河水质评价结果影响最大，但与其他参与相关性分析的指标相差不远。承德地区农业面源污染情况与瀑河流域水环境的好坏存在负相关关系，结果与土地利用情况相吻合。

图6 主要农业面源污染指标与CCME WQI评价结果的Pearson相关性热图Fig.6 Pearson correlation heat map of major agricultural non-point source pollution indicators and CCME WQI evaluation results

农业化肥施用量与畜禽养殖业主要污染指标之间极显著正相关，化肥施加量的增长会影响畜禽养殖业造成的氮、磷污染情况加重。由于TPLCOD、TPLTP、TPLNH+4-N计算结果均来自于地区禽畜养殖统计数量，导致相关分析出现了严格的线性关系。根据唐肖阳[31]的结论可知在汉江流域，农业面源TN污染负荷贡献率最大的污染源是农田化肥，TP等污染负荷贡献率最大的污染源是畜禽养殖业，二者的污染负荷在空间分布上有很强的一致性。2017年黄河流域畜禽养殖是COD排放量的最直接影响因素，化肥是NH4+-N、TN及TP排放量的最直接影响因素[32]。农业面源污染的产生也与气象条件密切相关，降雨径流是面源污染的主要原因[33,34]。河流在地形相对平缓的区域，土壤淋溶、小规模农田退水的不规则排放和大型农田灌区退水是氮磷进入受纳水体的主要途径[35,36]。根据上述结果可知，承德地区主要受农业面源污染影响的河流为瀑河，农田化肥施用影响力较高，且化肥的使用是造成NH4+-N、COD及TP污染的不可忽视的影响因素之一。这是由于瀑河流域处在平缓地段，沿河两岸大面积的农田耕种和低覆盖度的草地不仅造成了水土流失，还使农业污染物通过雨水进入水体。

伊逊河、武烈河、瀑河主成分分析的影响因子存在差异，以及仅有瀑河农业面源污染指标与WQI评价结果存在显著相关性，同时证明了在不同的支流水环境，存在不同的的污染来源。近年来城镇污水逐渐成为伊逊河、武烈河、柳河、瀑河主要的污染贡献源，同时瀑河受到农业面源污染的显著影响。

随着承德地区土地开发利用的加速，城镇化带来的水环境问题逐渐加剧，原有的农业养殖污染问题依旧存在。应积极优化耕作结构，科学合理减少化肥的投加，实现畜禽养殖规模化规范化；优化市政管网系统，推进现代化水处理技术，加强工业企业生产的监督管理，积极推行全面治理与专项专治，解决承德在转型期间的水污染问题。