倭肯河水质时空分布特征及其综合评价

薛世勤,王立权,李铁男,邱朋朋,戴韬严,孟庆烨,宫远乔

(1.黑龙江大学 水利电力学院,哈尔滨 150080;2.黑龙江省水利科学研究院,哈尔滨 150080)

0 引言

保障饮用水质量和原水质量对公众健康的重要性已经受到广泛关注,对河流水质进行评价非常重要[1]。 一个地区水资源的时空变化通常是由气候和地形的变化导致[2],±地利用类型和人类活动也是重要的影响因素。 水资源的时空分布特征对水资源管理、农业活动和水生生态系统均有影响[3]。 因此,分析水质时空分布规律,解析污染来源成为改善水环境质量的前提条件[4]。 目前,聚类分析、因子分析、主成分分析等传统多元统计方法被广泛应用在水质监测分析和风险评估中[5-8],国内外学者利用多元统计技术对黄河[9-10]、太湖[11]、淮河[12]和±耳其克孜勒河[13]等流域的水质时空分布特征和污染物来源进行了分析和识别,但上述研究都以内陆河流域水质污染源解析等方面为主,对于寒区地表水的研究相对较少,而且只单独讨论了水质在时间和空间尺度上的异质性,忽略了时间对空间分布规律的影响和流域间的相互作用。 此外,东北地区河流冰封期长,径流量年际变化大,相较于中南部地区河流有其特殊性。

倭肯河是松花江右岸的一级支流,是七台河市、勃利县、桦南县和依兰县的主要工农业用水水源。 近些年来,倭肯河沿岸社会经济发展迅速,工农业发达导致倭肯河水体污染负荷严重,水体物理化学成分等水文要素发生极大改变[14],严重影响到河流流域生态环境健康和水质安全。 以往对倭肯河的研究多是对各河段上水质进行评价[14-16],而未能对水质时空分布和污染物来源进行分析。因此,本文以2020-2021 年倭肯河4 个监测断面的6 项水质指标为研究对象,应用多元统计的方法,分析水质时空分布差异,结合主成分分析解析水质污染的主要驱动因子,并对河流各区段水质的相互影响进行探究,同时应用CCNE-WQI 法对倭肯河水质质量进行精准评价,以期为倭肯河流域水环境改善和水安全保障提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

倭肯河发源于完达山西侧,流经七台河市和勃利县、桦南县,于哈尔滨市依兰县东北侧汇入松花江,其干流全长约为450km,流域面积为1 101 500hm2。 流域内气候冬季寒冷干燥,夏季温暖湿润,多年平均气温1. 5℃～3. 9℃,多年平均降雨量479～569mm[14]。 倭肯河沿岸农业发达,流域内耕地总面积262 000hm2,作物主要为玉米、水稻和豆类[15]。

1.2 样品采集与分析

本研究于2020 年1 月至2021 年12 月,选择4个具有代表性的监测断面,每月采集1 次水样。 野外使用便携式水质仪监测溶解氧(DO)和电导率(EC),室内测定高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)和总磷(TP),样品保存和分析方法严格参照《水和废水监测分析方法》[17],所有指标平行测定3 次并取平均值。 见图1。

图1 研究区域地理位置及采样点分布示意图

1.3 研究方法

1.3.1 多元统计方法

本研究运用多元统计方法,研究倭肯河的水质数据,其中包括：①聚类分析(CA)。 运用离差平方和法(WARD 法),使用欧式平方距离作为度量标准,对倭肯河水质数据的时间分布进行聚类。 ②主成分分析(PCA)。 计算污染来源对6 项水质指标的贡献率。 ③Spearman 相关性分析。 应用Spearman相关系数,对各指标间的相关度进行分析,探究倭肯河不同区间各河段水质指标的相关性。

1.3.2 CCME-WQI 水质指数

本研究采用加拿大环境部长理事会水质指数(CCME-WQI),对倭肯河水质质量进行综合评价。 CCME-WQI 是在哥伦比亚大学公布的水质指数基础上确定的[18],因其灵活的适用性,在我国水质评价中得到较广泛应用[7,19-21],可从定性和定量的角度评估目标水体质量是否符合指定的水质目标[7]。 本研究采用《地表水环境质量标准》( GB 3838-2002) 中Ⅱ级标准[22],该方法从范围(F1)、频率(F2)和振幅(F3)3 个方面对倭肯河水污染状况进行综合评判。 公式如下：

式中：F1为测量不符合目标的水质参数占选定参数总数量的百分比;F2为未达到目标的监测数据个数占总监测数据的百分比;F3为未达标的监测值不满足规定目标(标准值)的数量,测试有多少目标被超过;P为超标水质参数的个数;N为水质监测项目总数;q为归一化参数,即各监测项目超标倍数加和与水质监测数据总数之比;M为水质监测数据总数;S为不达标水质指标的实测值偏离标准值的倍数。

当监测值不能超过目标值时：

式中：ci为实测值;csi为对应指标标准限值。

CCME-WQI 的结果取值范围为0～100,其中0 表示水质极差,100 表示水质优良。 由于CCME-WQI 值的级别分类有一定主观性,本研究结合该流域资料和专家意见,对CCME-WQI 的分类进行一定调整,结果见表1。

表1 CCME-WQI 结果取值分类

2 结果与分析

2.1 水质指标特征时间聚类

应用CA 对倭肯河2020-2021 年的平均数据进行时间尺度上的聚类,结果见图2。 倭肯河流域冬季结冰期长,夏季河流流量变化大,按照常规的季节分类不合理。 因此,将倭肯河水质指标依据其特性分为3 个时段,分别为枯水期(11 月份、12 月份、1 月份),平水期(2-6 月份)和丰水期(7-10 月份)。

图2 倭肯河水质指标时间聚类谱系图

2.2 水质指标时空分布差异

对倭肯河水质6 项指标进行时空分布差异分析,倭肯河各监测断面水质指标浓度变化见图3。

图3 倭肯河各监测断面水质指标浓度变化

溶解氧：倭肯河枯水期ρ(DO)范围7. 2～13.25mg/L,平均值11.47mg/L;平水期ρ(DO)范围6.4～12.95mg/L,平均值9.48mg/L;丰水期ρ(DO)范围6.5～10. 65mg/L,平均值7. 96mg/L,均达到Ⅱ类水标准,水体中氧气含量较高。 在时间上,枯水期ρ(DO)>平水期ρ(DO)和丰水期ρ(DO);在空间上,丰水期各监测断面ρ(DO)无显著变化,枯水期上游ρ(DO)高于下游,可能是由于上游流域植被覆盖率高,空气中氧气的溶解和水生植物的光合作用更充足。

高锰酸盐指数：倭肯河枯水期ρ(CODMn)范围3.60～8.67mg/L,平均值5.87mg/L;平水期ρ(CODMn)范围4.30～7.20mg/L,平均值5.77mg/L;丰水期ρ(CODMn)范围5.25～9.85mg/L,平均值6.40mg/L。 在时间上,丰水期ρ(CODMn)整体高于枯水期和平水期,这与丰水期降雨增多、面源污染加剧有关;在空间上,从上游到下游ρ(CODMn)整体上呈下降趋势,这是由于随着地表汇流,倭肯河流量从上游到下游逐渐增大,CODMn浓度得到稀释。

氨氮：倭肯河枯水期ρ(NH3-N)范围0.21～1.03mg/L,平均值0. 56mg/L;平水期ρ(NH3-N)范围0.15～1.41mg/L,平均值0.57mg/L;丰水期ρ(NH3-N) 范围 0. 13 ～ 0. 42mg/L, 平均值0.27mg/L。 在时间上,丰水期ρ(NH3-N)在降雨和地表汇流的稀释作用下小于枯水期和平水期;在空间上,抢肯和倭肯河口内两处监测断面枯水期和平水期ρ(NH3-N)均较高,应该是由于七台河市众多煤矿煤场排污以及依兰县的3 家工业排污等点源污染造成[14]。

化学需氧量：倭肯河枯水期ρ(COD)范围13.50～27.25mg/L,平均值为17.44mg/L;平水期ρ(COD) 范围13. 75 ～ 26. 00mg/L,平均值为19.54mg/L;丰水期ρ(COD) 范围15. 50 ～30.50mg/L,平均值19.43mg/L。 在时间上,平水期和丰水期ρ(COD)较枯水期有增大,表明倭肯河水体中的有机污染物是随着降雨增多,雨水将±壤中的有机物携带入河流。 在空间上,桃山水库ρ(COD)略高,其余监测断面无显著变化。

总磷：倭肯河枯水期ρ(TP)范围0. 034～0.145mg/L,平均值0.083mg/L;平水期ρ(TP)范围0.055～0. 210mg/L,平均值0. 131mg/L;丰水期ρ(TP) 范围0. 068 ～ 0. 223mg/L,平均值0.127mg/L。 在时间上,枯水期ρ(TP)低于平水期和丰水期,表明倭肯河的含磷营养盐来源也与降雨和地表汇流相关。 桃山水库的ρ(TP)在枯水期和丰水期有显著差异,可能是丰水期雨量充沛,倭肯河流量增大,±壤中的磷随着水流进入水库后流速减缓,营养盐开始富集,加上底部淤泥释放,造成TP 显著升高。 在空间上,倭肯河水体整体含磷营养盐污染较低,各监测断面无显著变化。

2.3 污染源解析

针对倭肯河水质指标,应用PCA 解析该流域主要污染因子及其来源,PCA 的前提是变量间的相关性分析[23]。 对电导率、DO、CODMn、NH3-N、COD 和TP 进行KMO 和Barlett 球形度检验,枯水期(0.708,<0.01),平水期(0.733,<0.01)和丰水期(0.761,<0.01)3 个时段的KMO 系数值均大于0.5,Barlett 球形度检验小于0.05,可以进行主成分分析。

主成分分析结果见图4。 枯水期、平水期和丰水期各有2 个主成分特征值>1,分别解释了各时段水质指标数据集总方差的80.39%、70.18%、71.15%。

图4 倭肯河水质指标主成分分析

枯水期：PC1(总方差的53.5%)对TP(荷载系数：0.51)有较强正载荷;PC2(总方差的26.9%)对DO、NH3-N 和CODMn(荷载系数：0.55,0.54,0.44)具有较强正荷载。 枯水期倭肯河冰层较厚,减少了来自外源污染的输入,因此磷和有机物的主要污染来源是内源释放,以及工业排放污水和牲畜养殖等点源污染。

平水期：PC1(总方差的44.3%)对NH3-N 和电导率(荷载系数：0.54,0.57)具有较强正荷载,对TP(荷载系数：-0.43)有负荷载;PC2(总方差的26.8%)对CODMn和COD(荷载系数：0.57,0.56)具有较强正荷载。 该时段冰层融化,河流流量逐渐增大,由于水温较低,水体中溶解氧含浓度低,进入倭肯河中的有机氮在微生物作用下逐渐分解成无机氮,最后产生氨。 主要污染物来源是生活污水和工业废水,以及大气中的氨随着降雨进入水体。

丰水期：PC1(总方差的51.4%)对CODMn和COD(荷载系数：0.52,0.47)具有较强正荷载;PC2(总方差的21. 8%)对TP 和电导率(荷载系数：0.47,0.72)具有较强正荷载。 CODMn和COD 都代表水体中有机污染的严重程度,丰水期伴随着充沛的降雨,农业种植活动中大量化肥农药进入±壤,随着降雨冲刷±壤和农田排水进入水体,造成严重的有机物面源污染[24]。 城市和农村生活污水排放的点源污染和雨水冲刷路面的面源污染,也是造成含磷营养盐污染的主要原因。

2.4 不同流域水质相关性分析

为了探究倭肯河不同流域水质指标的相关程度,应用Spearman 相关系数法,对倭肯河的6 项水质数据(电导率、DO、CODMn、NH3-N、COD 和TP)进行相关性分析。 见图5。

图5 倭肯河各水质指标相关性热图

由图5(a)可知,在枯水期,电导率与NH3-N有显著正相关性(r=0.96,P<0.05),与TP 有显著负相关性(r=-0.73,P<0.05)。 COD 与高锰酸盐指数有显著正相关性(r=0.63,P<0.05),与DO 有显著负相关性(r=-0.64,P<0.05)。 COD 和高锰酸盐指数均表征水体中有机物和石油类污染物。由图5 可知,倭肯河上游电导率和NH3-N 浓度均低于下游,而上游TP、COD 和高锰酸盐指数较高,可能是枯水期桃山水库水体交换能力差,七台河市生活污水的排放等点源污染以及底部沉积物中可溶性元素或离子的内源释放。 随着中下游倭肯河流量增大,总磷浓度得到稀释。 枯水期桃山水库流速缓慢,水体中细菌繁殖快,水体中的硝化细菌经过硝化作用,将氨氮转换成亚硝酸盐和硝酸盐,氨氮浓度降低。 而倭肯河中下游城镇较多,工业废水排放使水体中金属离子和无机盐积累,电导率和氨氮含量升高。

由图5(b)可知,在平水期,倭肯河的水质指标中,CODMn与COD、TP 有显著正相关性(r=0.70,P<0.05;r=0.85,P<0.05),与DO、NH3-N 有显著负相关性(r=-0.96,P<0.05;r=-0.87,P<0.05)。平水期降雨增多,流量增加,有机物和含磷营养盐作为主要污染物,大量消耗水体中溶解的氧气。

由图5(c)可知,在丰水期,倭肯河的各项水质指标中,TP 与电导率、NH3-N 有显著负相关性(r=-0.75,P<0.05;r=-0.49,P<0.05),与DO、CODMn、COD 有显著正相关性(r=0.75,P<0.05;r=0.86,P<0.05;r=0.46,P<0.05),表明TP 与耗氧有机物具有同源性。 这可能是由于丰水期降雨量充沛,上游流量和地表径流增加,使流域沿岸农田种植施用的化肥农药和周边畜牧养殖等人类活动产生的粪便污水,随着地表径流汇入倭肯河,水体受到面源污染的负荷增大。 由CCME-WQI 水质评价结果可知,倭肯河中下游水质在丰水期劣于枯水期,由此证明在丰水期上游来水和地表径流等面源的汇入,导致中下游水质受到较严重污染。

2.5 CCME-WQI 水质评价

以DO、CODMn、NH3-N、COD 和TP 五项指标作为CCME-WQI 模型的水质变量,以Ⅱ类水作为评价模型的水质目标,对倭肯河4 个监测断面3 个时段的水质监测数据进行分析,结果见图6。

图6 倭肯河各监测断面不同时段CCME-WQI 值

CCME-WQI 水质数据分析结果表明,从时间尺度上来看,枯水期有50%断面达到优秀,其余为良好;平水期和丰水期均有25%断面达到优秀,其余为良好;3 个时段水质质量优劣排序为枯水期(90.20)>丰水期(88.91)>平水期(87.61)。从空间尺度上可以看出,倭肯河上中游两个断面,桃山水库和抢肯全年均保持良好;二十二连枯水期和平水期均达到优秀,丰水期为良好,且枯水期CCME-WQI 平均值最大,达到97.19;下游的倭肯河入河口平水期为良好,丰水期和枯水期均达到优秀。 4 个监测断面水质质量优劣排序为二十二连(92.81)>倭肯河口内(89.84)>抢肯(87.37)>桃山水库(85.59)。 相比之下,桃山水库水质较差的原因是多个水质指标的较高值出现在该监测断面,如CODMn、NH3-N 和COD,其原因可能是水库蓄水,水体交换能力差,藻类大量繁殖引起的。 综合来看,倭肯河整体水质质量较好,且相较于郭紫光(2017)的研究结果来看,倭肯河水环境质量得到显著改善。

3 结 论

倭肯河水质指标在时间尺度上聚类为3 个时期：枯水期(11-1 月份)、平水期(2-6 月份)、丰水期(7-10 月份)。 倭肯河水质质量有显著的时空分布差异,主要受到降雨、地表径流和点源污染的影响;枯水期的主要污染来源是内源释放和工业、牲畜养殖废水排放等点源污染,平水期主要污染来源是生活污水和工业废水,丰水期主要污染来源是农业面源污染。 通过不同时段水质指标相关性分析可知,由于上游桃山水库蓄水,倭肯河入河口水质主要受到中下游降雨汇流和工业排污的影响。 CCME-WQI 水质评价结果显示,倭肯河整体水质质量较好,时间上水质质量优劣为枯水期>丰水期>平水期,空间上水质质量优劣为二十二连>倭肯河口内>抢肯>桃山水库。