閩江流域水質(zhì)時(shí)空分布特征及污染源解析

盧毅敏吳 升

(1.福州大學(xué) 福建省空間信息工程研究中心，福州 350003 ； 2.福州大學(xué) 數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福州 350003； 3.福州大學(xué) 海西政務(wù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，福州 350003)

1 研究背景

河流是區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要因素，氣候氣象、地形地貌、人類活動(dòng)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等具有顯著的時(shí)空差異，不同時(shí)間和空間下，徑流量、污染物濃度不同，河流水質(zhì)具有時(shí)空異質(zhì)性。識(shí)別河流水質(zhì)的時(shí)空分布特征和污染源對(duì)全面認(rèn)識(shí)河流的水質(zhì)狀況和河流管理具有重要意義。研究表明多元統(tǒng)計(jì)方法可以發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的時(shí)空分布特征、識(shí)別污染源，并已得到廣泛應(yīng)用，如九龍江流域[1]、太湖流域江蘇省段[2]、密云水庫[3]、漳衛(wèi)南運(yùn)河[4]、蘇州古城區(qū)[5]等流域和地區(qū)的水質(zhì)時(shí)空分布特征分析和污染源解析。

閩江是福建省第一大水系，是重要水源地，對(duì)福建省經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。近年來，閩江流域面臨水質(zhì)污染指標(biāo)季節(jié)性變化明顯[6]、化肥農(nóng)藥和禽畜污染物排放增加[7]、工業(yè)排污量大[8]、各子流域污染類型復(fù)雜且差異大等問題[9-10]。針對(duì)閩江流域的水質(zhì)研究主要包括面源污染、工業(yè)結(jié)構(gòu)、城市擴(kuò)展對(duì)水質(zhì)的影響分析[8，11-13]，流域污染負(fù)荷分析[9]，有機(jī)污染物和重金屬污染物空間分布[14-15]，水質(zhì)時(shí)空分布特征[6，10，16]；但根據(jù)長時(shí)間序列水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析水質(zhì)時(shí)空分布特征研究的較少，缺少不同時(shí)空分布特征下污染源解析的研究?；诖?，本文運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法中的系統(tǒng)聚類分析方法對(duì)2014—2017年閩江流域內(nèi)20個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面進(jìn)行聚類研究，分析閩江流域水質(zhì)的時(shí)空分布特征，運(yùn)用因子分析和絕對(duì)主成分多元線性回歸分析識(shí)別和影響水質(zhì)的主要因素及污染源和源貢獻(xiàn)率，以期為閩江流域的污染治理和水質(zhì)改善提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

閩江流域范圍為116°23′E—119°35′E，25°23′N—28°16′N，全長577 km，流域面積6.1萬km2。閩江發(fā)源于武夷山脈，上游是建溪、沙溪、富屯溪三大主要支流，在南平九峰橋匯入閩江干流，沿途有吉溪、尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流匯入。年平均徑流量621億m3，年均降水量>1 000 mm，汛期為4—9月份，非汛期為10月份—翌年3月份。覆蓋福州、南平、三明、龍巖、寧德、泉州等市的36個(gè)縣(市、區(qū))。

2.2 數(shù)據(jù)來源

選擇流域20個(gè)監(jiān)測斷面，如圖1所示，首字母編號(hào)表示斷面所在的子流域：D為大樟溪，F(xiàn)為富屯溪，J為建溪，S為沙溪，M為閩江干流。監(jiān)測數(shù)據(jù)為2014年1月—2017年2月水質(zhì)監(jiān)測斷面的水質(zhì)指標(biāo)月均值數(shù)據(jù)，由福建省環(huán)保廳提供，監(jiān)測和測試均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，選取8項(xiàng)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)：水溫(T)、酸堿度(pH值)、電導(dǎo)率(CON)、濁度(DT)、溶解氧(DO)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)。

圖1 監(jiān)測斷面分布Fig.1 Distribution of monitoring sites

2.3 研究方法

本文研究方法包括：①聚類分析。采用離差平方和法(ward法),使用平方歐式距離法作為度量標(biāo)準(zhǔn),分析各個(gè)監(jiān)測斷面水質(zhì)時(shí)空分布的相似性和差異性；②因子分析。采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett球形檢驗(yàn)進(jìn)行適宜性分析，利用因子分析識(shí)別各個(gè)時(shí)段、空間群組的污染源；③絕對(duì)主成分多元線性回歸。計(jì)算污染源對(duì)8項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的貢獻(xiàn)率；④綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法。根據(jù)一組主要的水質(zhì)指標(biāo)，采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)對(duì)監(jiān)測斷面的水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[17]—文獻(xiàn)[18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 聚類分析

3.1.1 時(shí)空分布特征

圖2 時(shí)間尺度和空間尺度聚類分析Fig.2 Temporal cluster analysis and spatialcluster analysis

時(shí)間尺度聚類分析結(jié)果如圖2(a)所示，全年可劃分為2個(gè)時(shí)段：T1時(shí)段(4—12月份)；T2時(shí)段(1—3月份)?？臻g尺度聚類分析結(jié)果如圖2(b)所示，20個(gè)監(jiān)測斷面可劃分為3組：S1組位于建溪下游、沙溪、大樟溪、閩江干流，包括回垅大橋、南蛇渡、南平水汾橋、梅州大埔、清流安砂水庫、永安貢川橋、閩侯大樟溪、古田黃田站、閩侯竹岐、福州原厝、福州白巖潭11個(gè)斷面；S2組位于沙溪下游、富屯溪，包括三明東牙溪、梅口懸索橋、順昌謨武3個(gè)斷面；S3組位于建溪中上游、富屯溪中上游，包括松溪巖下、坪洲大橋、建甌蓬墩、建陽將口、邵武和順、順昌富文6個(gè)斷面。

水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)時(shí)間尺度的差異性如圖3(a)所示,T1時(shí)段電導(dǎo)率、氨氮和總磷濃度低于T2時(shí)段，濁度和高錳酸鉀濃度高于T2時(shí)段，溶解氧濃度低于T2時(shí)段。水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)空間尺度的差異性如圖3(b)所示，電導(dǎo)率、濁度、氨氮、總磷：S1>S3>S2，高錳酸鉀：S2>S3>S1，溶解氧：S2>S3>S1。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)時(shí)段差異性和群組差異性Fig.3 Spatial and temporal differences of waterquality indicators

3.1.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)

對(duì)聚類分析得到的2個(gè)時(shí)段和3個(gè)空間群組的水質(zhì)監(jiān)測樣本，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，選取DO，CODMn，NH3-N，TP作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。T1，T2時(shí)段Ⅰ類和Ⅱ類占整體的比例是0.987，0.967，S1，S2，S3組Ⅰ類和Ⅱ類占整體的比例是0.961,1,0.995。

3.2 因子分析與絕對(duì)主成分多元線性回歸

3.2.1 T1,T2時(shí)段因子分析與絕對(duì)主成分多元線性回歸

根據(jù)特征因子>1的原則，對(duì)T1,T2時(shí)段分別提取4,3個(gè)因子，累積方差貢獻(xiàn)率分別為68.3%,58.6%。采用絕對(duì)主成分多元線性回歸法計(jì)算T1,T2時(shí)段內(nèi)各因子對(duì)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的源貢獻(xiàn)率。旋轉(zhuǎn)因子載荷和源貢獻(xiàn)率如表2所示。

表1 T1，T2時(shí)段和S1，S2，S3組綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

Table 1 Values of comprehensive water quality identification index of T1 and T2 periods and S1, S2 and S3 regions

時(shí)段/群組監(jiān)測斷面各水質(zhì)類別占整體的比例ⅠⅡⅢⅣⅤⅥT1全部斷面0.2500.7370.013000T2全部斷面0.3390.6280.033000D-10.1840.8160000J-10.3420.6580000J-30.2370.7630000M-10.3420.6580000M-20.1840.7890.027000 S1M-30.0260.9210.053000M-40.3680.5790.053000S-10.1840.7890.027000S-20.2630.7370000S-40.0260.7110.263000S-50.3420.6580000S1組0.2270.7340.039000F-10.3150.6850000 S2F-30.3950.6050000S-30.3420.6580000S2組0.3510.6490000F-20.2630.7370000F-40.1840.8160000J-20.1320.8680000S3J-40.4470.5530000J-50.2890.6840.027000J-60.4740.5260000S3組0.2980.6970.005000

表2 T1，T2時(shí)段旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣與源貢獻(xiàn)率Table 2 Matrix of rotated factor loadings and source contribution rates in T1 and T2 periods

注：黑體字表示因子載荷強(qiáng)相關(guān)

表3 S1，S2，S3組旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 3 Matrix of rotated factor loadings of S1, S2 and S3 regions

注：黑體字表示因子載荷強(qiáng)相關(guān)和中度相關(guān)

通過因子分析中的因子得分系數(shù)矩陣計(jì)算各因子得分，并根據(jù)各因子的方差貢獻(xiàn)率計(jì)算因子總得分。因子得分反映各監(jiān)測斷面上不同污染源的分布狀況，在T1，T2時(shí)段，除T1時(shí)段的因子2以外，因子得分越高，水質(zhì)越差。計(jì)算結(jié)果表明，S2組包含的3個(gè)斷面順昌謨武、梅口懸索橋、三明東牙溪在2個(gè)時(shí)段的因子總得分均最低。梅州大埔、南平水汾橋、福州白巖潭、建甌蓬墩和閩侯竹岐總得分相對(duì)較高。

3.2.2 S1，S2，S3組因子分析

根據(jù)特征因子>1的原則，S1，S2，S3組分別提取4，3，3個(gè)因子，累積方差貢獻(xiàn)率分別為69.8%，72.2%，61.0%，旋轉(zhuǎn)因子載荷如表3所示。

4 討 論

4.1 水質(zhì)時(shí)空分布特征成因分析

閩江流域水質(zhì)具有明顯的時(shí)空變異特征。根據(jù)水質(zhì)的時(shí)間差異性和水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，T1時(shí)段水質(zhì)比T2時(shí)段好。T1時(shí)段包含汛期，汛期徑流量占全年75%，流速較快，對(duì)污染物有稀釋作用，因此T1的電導(dǎo)率、氨氮和總磷濃度均低于T2時(shí)段。降雨形成的地表徑流攜帶大量的泥沙和有機(jī)污染物進(jìn)入水體，濁度和高錳酸鉀濃度上升。汛期在9月底結(jié)束，但10—12月份被歸并到T1時(shí)段，與T2時(shí)段水質(zhì)差異明顯，7—9月份流域內(nèi)以臺(tái)風(fēng)引起的暴雨天氣為主，這可能說明汛期大量的降水對(duì)污染物的稀釋作用改善了河流的水質(zhì)。

根據(jù)水質(zhì)的空間差異性和水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，S2組水質(zhì)最好，S3組次之，S1組最差。S2組的梅口懸索橋和順昌謨武位于上游流域，森林覆蓋率高，水利工程少，人口密度低，污染物排放量較小。而三明東牙溪作為三明市區(qū)的飲用水源，水污染整治措施到位，水質(zhì)良好。S2組的電導(dǎo)率、濁度、氨氮、總磷濃度最低，溶解氧濃度最高，3個(gè)斷面因子得分最低，水質(zhì)最好。S3組位于南平市，南平市是福建省的重工業(yè)基地，糧食主產(chǎn)區(qū)，畜牧業(yè)發(fā)達(dá)，上游來水流經(jīng)南平市后，匯入生活污水、重工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)污水后，各項(xiàng)污染物濃度上升，導(dǎo)致建甌蓬墩因子得分較高，水質(zhì)較差。S1組位于三明市、南平市區(qū)、干流至閩江河口，三明市作為重工業(yè)基地，90%以上的工業(yè)廢水排入沙溪[19]，沙溪水質(zhì)較差，導(dǎo)致梅州大埔、永安貢川橋因子得分高。南平水汾橋是三明市和南平市的交接斷面，沙溪流經(jīng)三明后水質(zhì)顯著下降，并匯入南平市延平區(qū)的生活污水，導(dǎo)致南平水汾橋因子得分較高，水質(zhì)較差。三大支流匯合后流至古田黃田站，經(jīng)過河道的自凈過程，水質(zhì)改善，但在流經(jīng)古田縣和閩侯縣時(shí)接受了大量的生活污水使得閩侯竹岐的水質(zhì)下降。福州白巖潭位于閩江河口，工業(yè)源和城鎮(zhèn)生活源是閩江流域福州段的主要污染源，水質(zhì)受到各種點(diǎn)源污染的影響，同時(shí)子流域內(nèi)不透水面密集，地表徑流形成大量的面源污染進(jìn)入水體，導(dǎo)致電導(dǎo)率、氨氮、總磷和濁度變大，福州白巖潭水質(zhì)明顯下降。

4.2 流域污染源識(shí)別

4.2.1 T1,T2時(shí)段污染源識(shí)別

由表1可知T1時(shí)段影響流域水質(zhì)有4個(gè)主要因素，T2時(shí)段有3個(gè)主要因素，選取因子載荷>0.7的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行解釋(部分選擇>0.6)[20]。

T1時(shí)段，因子1方差貢獻(xiàn)率為23.4%，與電導(dǎo)率、氨氮呈正相關(guān)，代表農(nóng)業(yè)污染。閩江中上游流域是全省主要的糧農(nóng)生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)主要集中在T1時(shí)段，氮是農(nóng)業(yè)水體污染的主要貢獻(xiàn)者，廣泛存在于農(nóng)田徑流和畜牧業(yè)排污中。而農(nóng)田水土流失、水產(chǎn)養(yǎng)殖、禽畜糞尿是閩江流域農(nóng)業(yè)面源污染中的主要污染源，三者總和占整個(gè)流域污染率的87.67%[21]，農(nóng)業(yè)污染攜帶大量營養(yǎng)鹽進(jìn)入河道。因子2方差貢獻(xiàn)率為17.0%，與溫度呈負(fù)相關(guān)，與溶解氧呈正相關(guān)，代表水體的自凈能力。T1時(shí)段河流的徑流量大、流速快，水體自凈能力良好。因子3方差貢獻(xiàn)率為15.0%，與濁度、總磷濃度呈正相關(guān)，代表營養(yǎng)鹽污染。磷來源于城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水等點(diǎn)源污染，土壤侵蝕、降雨徑流造成的農(nóng)田、城鎮(zhèn)面源污染和禽畜養(yǎng)殖排泄物等面源污染。這一時(shí)段降雨對(duì)土壤的侵蝕作用和地表徑流會(huì)攜帶大量泥沙入河，以及降雨對(duì)河道底泥的擾動(dòng)作用均會(huì)導(dǎo)致水體濁度增大。因子4方差貢獻(xiàn)率為12.9%，與高錳酸鉀濃度呈正相關(guān)，代表有機(jī)物污染。汛期降雨形成的地表徑流會(huì)攜帶有機(jī)污染物進(jìn)入水體[22]。

T2時(shí)段，因子1方差貢獻(xiàn)率為31.2%，與溶解氧呈負(fù)相關(guān)，與電導(dǎo)率、氨氮和總磷濃度呈正相關(guān)，代表水體富營養(yǎng)化指標(biāo)。T2時(shí)段處于流域的冬、春季，水體富營養(yǎng)化主要集中在這2個(gè)季節(jié)發(fā)生。因子2方差貢獻(xiàn)率為13.8%，與溫度呈正相關(guān)。因子3方差貢獻(xiàn)率為13.6%，與pH呈負(fù)相關(guān)，與濁度呈正相關(guān)。

4.2.2 S1,S2,S3組污染源識(shí)別

由表3可知影響S1組水質(zhì)有4個(gè)主要因素，S2組有3個(gè)主要因素，S3組有3個(gè)主要因素。因子載荷值>0.75表示強(qiáng)相關(guān)，0.75～0.5表示中度相關(guān)，0.5～0.3表示弱相關(guān)。

對(duì)于S1組，因子1與電導(dǎo)率、氨氮濃度呈強(qiáng)正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為22.5%，代表營養(yǎng)鹽污染指標(biāo)。因子2與溶解氧呈中度負(fù)相關(guān)，與溫度、高錳酸鉀濃度呈中度正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為19.6%，代表耗氧有機(jī)物污染[23]。S1組的城市化發(fā)展水平高，耗氧有機(jī)物污染反映水體受到快速城市化引起的市政污水排放的影響[24-25]。因子3與濁度、總磷濃度呈中度正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為14.6%。三明市工業(yè)污染源廢水排放量約占閩江流域總量的70.9%[8]，南平市是重工業(yè)基地，農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)達(dá)；下游地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅速，人口較為密集，工業(yè)園區(qū)眾多，因此磷來自工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)污染和生活污水的排放。因子4與pH呈強(qiáng)正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為13.1%。

對(duì)于S2組，因子1與pH值、電導(dǎo)率呈中度負(fù)相關(guān)，與濁度呈強(qiáng)正相關(guān)，與氨氮濃度呈中度正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為29.7%，代表面源污染排放中的營養(yǎng)鹽污染。地表徑流形成的面源污染攜帶大量的固體懸浮物和營養(yǎng)鹽進(jìn)入河道，水體濁度變大，氨氮濃度含量上升。因子2與pH值呈中度負(fù)相關(guān)，與高錳酸鉀和總磷濃度呈強(qiáng)正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為23.0%，代表有機(jī)物和營養(yǎng)鹽污染。因子3與溫度呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，與溶解氧呈強(qiáng)正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為19.5%，代表水體自凈的影響。

對(duì)于S3組，因子1與溫度、濁度呈中度正相關(guān)，與電導(dǎo)率呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)、與溶解氧呈中度負(fù)相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為27.7%，代表農(nóng)業(yè)面源污染。因子2與氨氮濃度呈強(qiáng)正相關(guān)，與總磷濃度呈中度正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為19.2%，代表富營養(yǎng)化因子污染。因子3與pH值、高錳酸鉀濃度呈中度正相關(guān)，方差貢獻(xiàn)率為14.1%，代表有機(jī)物污染。

4.3 污染源貢獻(xiàn)率計(jì)算

根據(jù)表2中各項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的源貢獻(xiàn)率可知T1時(shí)段水質(zhì)主要受農(nóng)業(yè)污染的影響，其次是水體自凈能力、營養(yǎng)鹽污染和有機(jī)物污染。農(nóng)業(yè)污染對(duì)電導(dǎo)率、氨氮和總磷的貢獻(xiàn)率分別為72.2%,73.4%,25%。水體自凈能力對(duì)pH值、溶解氧的貢獻(xiàn)率分別為26.5%,81%。營養(yǎng)鹽污染對(duì)濁度和總磷的貢獻(xiàn)率分別為84.6%,67.4%。有機(jī)物污染對(duì)pH值、高錳酸鉀和氨氮的貢獻(xiàn)率分別為58%,84.3%,23.2%。T2時(shí)段流域的水質(zhì)主要受水體富營養(yǎng)污染影響，對(duì)電導(dǎo)率、高錳酸鉀、氨氮和總磷的貢獻(xiàn)率分別為71.4%,38.4%,77.8%,63.4%。

5 結(jié) 論

(1)閩江流域水質(zhì)從時(shí)間尺度上可將全年劃分為2段，分別為T1：4—12月份，T2：1—3月份。T1時(shí)段水質(zhì)較好,以氨氮為主要污染物，磷次之，主要受到農(nóng)業(yè)污染，該時(shí)段河流流量大、流速快，水體擁有較好的自凈能力，污染物經(jīng)過稀釋和自我凈化后濃度下降；T2時(shí)段，氨氮和總磷為主要污染物，受到水體富營養(yǎng)化因子的影響。

(2)梅州大埔、南平水汾橋、福州白巖潭在T1，T2時(shí)段的因子得分最高，說明閩江在流至河口時(shí)，沿途匯入三明市和福州市排入水體的污染物，水質(zhì)受到的污染相對(duì)較重。由此可見，快速城市化引起的污染物排放對(duì)閩江水質(zhì)的影響要引起重視。

(3)在空間尺度上可以將流域的水質(zhì)劃分為3組： S1組主要位于建溪下游、沙溪、大樟溪、閩江干流，水質(zhì)最差，這部分流域的水質(zhì)主要受到營養(yǎng)鹽污染，耗氧有機(jī)物污染次之，工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)和禽畜養(yǎng)殖廢水、生活污水排放對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生較大影響；S2組主要位于沙溪下游、富屯溪，水質(zhì)最好，水質(zhì)主要受面源污染中營養(yǎng)鹽污染的影響；S3組主要位于建溪中上游、富屯溪中上游，主要污染源是農(nóng)業(yè)面源污染和富營養(yǎng)化因子。