武烈河流域水質(zhì)污染特征及污染源解析

周煉，安達(dá)，王月，楊延梅，唐軍，安志民，陳曉志

1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染過程模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 3.承德市環(huán)境保護(hù)局，河北 承德 067000

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武烈河流域水質(zhì)污染特征及污染源解析

周煉1,2，安達(dá)2*，王月2，楊延梅1，唐軍2，安志民3，陳曉志3

1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染過程模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 3.承德市環(huán)境保護(hù)局，河北 承德 067000

以武烈河流域2014年1—12月23項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用單因子評(píng)價(jià)法和水質(zhì)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法，對(duì)水質(zhì)污染特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；運(yùn)用主成分分析法，確定流域主要污染因子及區(qū)域水質(zhì)空間變化特征，并進(jìn)一步對(duì)流域污染來源進(jìn)行解析。結(jié)果表明：武烈河流域上游支流水質(zhì)為Ⅱ類，干流段監(jiān)測(cè)斷面S1與S3水質(zhì)為Ⅲ類，S2與S4水質(zhì)為Ⅳ類，主要污染指標(biāo)為BOD5與TP；流域水質(zhì)由2個(gè)主成分組成，CODCr、CODMn為第一主成分，NH3-N、DO與BOD5為第二主成分；流域主要污染源包括生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥的投入及畜禽養(yǎng)殖廢水等。

武烈河流域；水質(zhì)評(píng)價(jià)；污染特征；污染源解析

承德市武烈河流域位于灤河流域上游，地處國(guó)家《重點(diǎn)流域水污染防治“十二五”規(guī)劃》中海河流域于橋水庫(kù)上游的承德、唐山控制單元，屬水質(zhì)維護(hù)型單元，其水質(zhì)目標(biāo)完成情況直接關(guān)系到海河流域和河北省水污染防治總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。武烈河流域范圍內(nèi)涵蓋上游多個(gè)用水和排污重鎮(zhèn)，承接了承德市城區(qū)近70%的廢水排放，對(duì)流域水質(zhì)、水量影響較大。據(jù)2014年承德市水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)結(jié)果[2]，武烈河流域的雹神廟斷面水質(zhì)已降至Ⅳ類，低于區(qū)域水質(zhì)目標(biāo)，水環(huán)境形勢(shì)不容樂觀。針對(duì)武烈河流域的水污染防治與水質(zhì)改善工作勢(shì)在必行。

為此，筆者采用單因子評(píng)價(jià)法和水質(zhì)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法，對(duì)水質(zhì)污染特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，運(yùn)用主成分分析法，確定流域主要污染因子及區(qū)域水質(zhì)空間變化特征，并對(duì)流域污染源進(jìn)行解析，以期為下一步武烈河流域水污染防治與水質(zhì)改善工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

武烈河是灤河的一級(jí)支流，發(fā)源于圍場(chǎng)縣道至溝，流經(jīng)雙峰寺鎮(zhèn)后縱貫承德市雙橋區(qū)，至雹神廟村匯入灤河，干流全長(zhǎng)114 km，流域面積2 580 km2，平均年徑流量2.172 4億m3[3]。流域上游主要有興隆河、鸚鵡河、茅溝河、玉帶河4條支流，呈扇形分布。研究區(qū)流域上共設(shè)有4個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面及8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)，其中流域支流設(shè)有8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(S5～S12)，武烈河干流設(shè)有4個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面，分別為S1(磷礦上游斷面)、S2(上二道河子斷面)、S3(旅游橋斷面)和S4(雹神廟斷面)。研究區(qū)降水年內(nèi)分布不均勻，枯水期為3—5月，以5月為最枯月，豐水期為6—9月，降水主要集中在7、8月，其余5個(gè)月為平水期[4]。

S1—磷礦上游；S2—上二道河子；S3—旅游橋；S4—雹神廟；S5—興隆河上游；S6—興隆河中游；S7—鸚鵡河上游；S8—鸚鵡河中游；S9—茅溝河上游；S10—茅溝河中游；S11—玉帶河上游；S12—玉帶河中游。圖1 武烈河流域水系及水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of water quality monitoring sections and points in Wulie River basin

研究區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為人工采樣，檢測(cè)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[5]中的23項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)頻率為1次月。水樣分析方法參照GB 3838—2002和《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[6]。其中DO、CODCr、BOD5，營(yíng)養(yǎng)元素N、P，有毒化合物揮發(fā)酚、氰化物、砷化物，重金屬離子，石油類及細(xì)菌等指標(biāo)受人類日常生活行為、農(nóng)業(yè)及工業(yè)、經(jīng)濟(jì)行為等直接或間接影響[7]。2014年采集12次水樣，其分析檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示：武烈河流域內(nèi)Cr6+、Hg、Se、Cu、Pb、Cd、As、Zn、氰化物、硫化物、石油類、陰離子表面活性劑等12項(xiàng)指標(biāo)低于GB 3838—2002的Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)及主成分分析結(jié)果無(wú)影響。根據(jù)流域?qū)嶋H情況，選取S1～S12中2014年3月、4月和5月的CODCr、NH3-N、BOD5、TP、DO、氟化物和揮發(fā)酚等7項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的平均值作為2014年流域枯水期地表水質(zhì)數(shù)據(jù)。根據(jù)流域枯水期水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)一步選取S1～S4中DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N和TP等6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，取各水質(zhì)指標(biāo)2014年1—12月水質(zhì)濃度的平均值作為流域干流2014年地表水質(zhì)數(shù)據(jù)。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

依據(jù)2014年武烈河流域枯水期地表水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用單因子評(píng)價(jià)法[8]和水質(zhì)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法[9]評(píng)價(jià)其水質(zhì)等級(jí)。以單因子評(píng)價(jià)指數(shù)作為各指標(biāo)的污染指數(shù)，采用加權(quán)平均法求得其水質(zhì)綜合指數(shù)。其中單因子評(píng)價(jià)指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[5]中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 主成分分析

主成分分析是將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)(主成分)的統(tǒng)計(jì)分析方法，綜合指標(biāo)能反映出原指標(biāo)所提供的絕大部分信息，達(dá)到降維和源識(shí)別的目的[10-13]。依據(jù)武烈河流域干流2014年地表水質(zhì)數(shù)據(jù)，借助SPSS22軟件，進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域干支流水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)《河北省水環(huán)境功能區(qū)劃》，武烈河劃分為武烈河河北承德保留區(qū)、武烈河承德飲用水源區(qū)和武烈河承德工業(yè)用水區(qū)3個(gè)水功能區(qū)。武烈河河北承德保留區(qū)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)S5～S12)水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類，飲用水源區(qū)和工業(yè)用水區(qū)(監(jiān)測(cè)斷面S1～S4)水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。

根據(jù)2014年武烈河流域枯水期水質(zhì)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)結(jié)果(表1)：流域支流中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S5水質(zhì)為Ⅲ類，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S6～S12水質(zhì)為Ⅱ類；武烈河干流監(jiān)測(cè)斷面中，監(jiān)測(cè)斷面S1、S3水質(zhì)為Ⅲ類，監(jiān)測(cè)斷面S2與S4水質(zhì)為Ⅳ類；主要污染指標(biāo)為BOD5與TP。水質(zhì)為Ⅳ類的監(jiān)測(cè)斷面中，監(jiān)測(cè)斷面S4綜合污染指數(shù)為0.57，污染最嚴(yán)重。

表1 2014年武烈河流域枯水期水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 水質(zhì)主成分分析

2.2.1 主成分確定

依據(jù)流域干流2014年地表水質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面S1～S4中DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N、TP6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。表2為主成分分析中各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣；表3為特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率；表4為主成分載荷矩陣。

特征值表示主成分對(duì)指標(biāo)變量影響力度的大小，若特征值小于1，則說明該主成分的解釋力度不夠[14]。根據(jù)表3的結(jié)果，第一主成分的特征值為3.389，第二主成分的特征值為2.045，均大于1，而從第三主成分開始，特征值均小于1，這說明前2個(gè)主成分對(duì)解釋原有變量的貢獻(xiàn)最大，符合主成分挑選條件，第三主成分己經(jīng)不滿足要求。由于第一和第二主成分己經(jīng)包含了6個(gè)指標(biāo)的全部信息，且這二者的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)90.565%，其對(duì)水質(zhì)變化的影響最大。因此，確定主成分個(gè)數(shù)為2個(gè)：第一主成分(PC1)在CODCr、CODMn上有較大載荷，其載荷值分別為0.979、0.992，可以表征有機(jī)物污染的程度；第二主成分(PC2)主要在NH3-N、DO與BOD5上有較大載荷，其載荷值分別為0.889、0.766、0.731，表征污染類型為營(yíng)養(yǎng)物以及耗氧型有機(jī)物污染。

表2 相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

表4 主成分荷載矩陣

圖2 2014年武烈河水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面主成分分值變化Fig.2 Variation of principal component scores of monitoring sections in 2014

2.2.2 不同水質(zhì)指標(biāo)的空間變化

根據(jù)各主成分在單因子上的載荷，確定各主成分綜合函數(shù)，計(jì)算監(jiān)測(cè)斷面S1～S4的水質(zhì)污染綜合分值(表5)。從水質(zhì)空間變化分析，監(jiān)測(cè)斷面S1～S4水質(zhì)污染程度呈惡化趨勢(shì)：S1水質(zhì)污染程度較低，PC1造成的污染略高于PC2；S2水質(zhì)污染以PC2為主，PC2污染分值達(dá)2.488，為4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中最高；S3～S4的PC1污染呈上升趨勢(shì)并于S4達(dá)到最大，PC2污染逐步趨于穩(wěn)定(圖2)。

表5 主成分和綜合主成分分值

3 流域污染來源分析

武烈河流域主要以CODCr、TN和TP污染為主，污染主要來自生活、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和工業(yè)等方面，主要污染源包括生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥的投入以及畜禽養(yǎng)殖等。流域上游興隆河、鸚鵡河、茅溝河、玉帶河4條支流主要接納流域農(nóng)村污染，包含農(nóng)田排水產(chǎn)生的面源污染、畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染與農(nóng)村生活污水污染。武烈河干流流經(jīng)雙峰寺鎮(zhèn)后縱貫承德市城區(qū)，主要接納城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水。

流域內(nèi)現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠1座，位于武烈河城區(qū)段下游，經(jīng)污水管網(wǎng)收集接納了近80%的城鎮(zhèn)生活污水[1]。2014年，污水處理廠實(shí)際日處理量為7.33萬(wàn)t，負(fù)荷率為91%，CODCr去除率基本在90%以上，TN、TP去除率為60%～70%[2]。監(jiān)測(cè)斷面S2～S4，耗氧型有機(jī)物與營(yíng)養(yǎng)物呈下降并趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象與該污水廠的正常運(yùn)行有直接關(guān)系。但目前城區(qū)污水管網(wǎng)仍存在覆蓋不全面、部分管網(wǎng)老化等問題，造成城區(qū)生活污水未能全部收集。其中雙峰寺鎮(zhèn)至承德醫(yī)學(xué)院和環(huán)城北路獅子溝橋以西區(qū)域污水管網(wǎng)尚未建設(shè)，污水直排入附近的河道，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)斷面S1～S2耗氧型有機(jī)物與營(yíng)養(yǎng)物污染嚴(yán)重。根據(jù)武烈河流域污染源調(diào)查結(jié)果(圖3)，流域城鎮(zhèn)生活污水所排放的CODCr、TN及TP為1 337.9、336.4及25.8 ta，分別占總排放量的67.9%、87.2%及70.9%。流域農(nóng)村污水處理設(shè)施不夠完善，農(nóng)村居民生活污水絕大部分就地排放到戶外?？紤]蒸發(fā)及地下滲入等損失，農(nóng)村生活污水所排放的CODCr、TN及TP達(dá)221.9、28.4及5.8 ta。

圖3 武烈河流域主要污染源污染物排放量Fig.3 Pollutant emission of Wulie River basin

流域內(nèi)工業(yè)污染源也影響了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)質(zhì)量。據(jù)調(diào)查，流域內(nèi)有各類企業(yè)116家，涉及食品加工業(yè)、制藥、采選冶煉、建材材料制造、裝備制造、其他制造業(yè)、供熱等其他服務(wù)行業(yè)等多種行業(yè)。涉及污水排放企業(yè)共有7家，其中制藥廠2家，食品加工廠3家，釀酒廠和采選冶煉廠各1家，其CODCr、TN和TP排放量分別達(dá)9.88、4.88和2.74 ta[2]。這些企業(yè)主要位于旅游橋—雹神廟段的武烈河承德工業(yè)用水區(qū)，其排放的工業(yè)廢水直接影響武烈河S3～S4斷面間的水質(zhì)質(zhì)量。農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥的投入是流域面源污染的主要來源[15]。由于農(nóng)田用地對(duì)投入的化肥農(nóng)藥利用率很低，其余的化肥農(nóng)藥通過分解、揮發(fā)、滲漏、淋溶等途徑將部分氮、磷和有毒有害物質(zhì)匯入河流形成污染[16]。通過研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2014年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)分析，2014年武烈河流域內(nèi)總耕地面積1.974萬(wàn)hm2，共施用氮肥0.365萬(wàn)t(以N計(jì))，磷肥0.357萬(wàn)t(以P2O5計(jì))，農(nóng)藥55 t。根據(jù)《承德市第一次全國(guó)污染源普查技術(shù)報(bào)告》對(duì)種植業(yè)污染情況的普查結(jié)果：流域內(nèi)TN隨農(nóng)田排水流失系數(shù)為0.005；TP隨農(nóng)田排水流失系數(shù)為0.002。農(nóng)田施用農(nóng)藥有效成分有機(jī)磷以40%計(jì)算，隨農(nóng)田排水流失系數(shù)取0.002。據(jù)此推算，化肥和農(nóng)藥施入污染物排放量：CODCr為181.87 ta；TN為18.27 ta；TP為0.76 ta。

農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖也是流域內(nèi)TN和TP等污染的重要來源。流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖主要以蛋雞、肉雞、豬、牛、羊?yàn)橹?。?jù)統(tǒng)計(jì)，2014年流域內(nèi)共有規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)(小區(qū))27家，養(yǎng)殖專業(yè)戶166家，蛋雞18.75萬(wàn)只、肉雞59.84萬(wàn)只、牛5 283頭、豬1.74萬(wàn)頭和羊0.074萬(wàn)只。畜禽污染物排放量：CODCr為70.17 ta；TN為8.58 ta；TP為1.09 ta[2]。流域內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；潭炔桓?，以專業(yè)戶分散養(yǎng)殖為主，分散養(yǎng)殖雖然排污強(qiáng)度較小，但污染治理水平低，畜禽糞尿大部分未經(jīng)無(wú)害化處理而直接隨意排放。

4 結(jié)論

(1)武烈河流域上游支流水質(zhì)情況較好，為Ⅱ類水，污染主要集中在武烈河干流段。其中上二道河子斷面(S2)與雹神廟斷面(S4)水質(zhì)為Ⅳ類，低于Ⅲ類水的水質(zhì)目標(biāo)，主要污染指標(biāo)為BOD5與TP。

(2)CODCr、CODMn為第一主成分，主要反映有機(jī)物的污染，貢獻(xiàn)率占56.47%；NH3-N、DO與BOD5為第二主成分，主要反映營(yíng)養(yǎng)物以及耗氧型有機(jī)物污染，貢獻(xiàn)率占34.09%。

(3)流域污染主要來自生活、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和工業(yè)等方面，主要污染源包括生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥的投入及畜禽養(yǎng)殖等。建議流域完善城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)，以控制生活污水污染；加強(qiáng)對(duì)工業(yè)廢水排放監(jiān)管；加快建設(shè)農(nóng)村污水處理設(shè)施，控制農(nóng)村生活污染以及畜禽養(yǎng)殖污染。

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Water Quality Pollution Characteristics and Pollution Source Analysis of Wulie River Basin

ZHOU Lian1,2, AN Da2, WANG Yue2, YANG Yanmei1, TANG Jun2, AN Zhimin3, CHEN Xiaozhi3

1.College of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.Chengde Environmental Protection Agency, Chengde 067000, China

Based on the monthly monitoring data of 23 water quality indexes of Wulie River basin in 2014, a comprehensive water quality evaluation was performed using single-factor assessment and comprehensive evaluation index method. Utilizing principle component analysis (PCA), the main pollution indicators in the river basin and the regional spatial variation characteristics of the water quality were determined. Furthermore, the pollution sources in the basin were analyzed. According to the results, the water quality of upper tributaries was in Class Ⅱ, the water quality of monitoring sections S1 and S3 in main stream was in Class Ⅲ, and that of monitoring sections S2 and S4 in main stream was in Class Ⅳ. The main pollution indicators were BOD5and TP. The PCA results showed that PC1 included CODCrand CODMn, the PC2 included NH3-N, DO and BOD5. There were four main pollution sources including domestic sewage, industrial wastewater, agricultural fertilizer and pesticide inputs, and livestock and poultry raising waste.

Wulie River basin; water quality evaluation; pollution characteristics; pollution source analysis

2016-03-25

河北省承德武烈河流域水污染控制與水質(zhì)改善技術(shù)研究(15273606D)

周煉(1992—)，男，碩士研究生，主要從事地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，zhoulian.work@outlook.com

*責(zé)任作者：安達(dá)(1979—)，女，副研究員，博士，主要從事地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，anda@craes.org.cn

X52

1674-991X(2016)06-0579-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.083

周煉，安達(dá)，王月,等.武烈河流域水質(zhì)污染特征及污染源解析[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2016,6(6):579-584.

ZHOU L, AN D, WANG Y, et al.Water quality pollution characteristics and pollution source analysis of Wulie River basin[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(6):579-584.