洋河水質(zhì)現(xiàn)狀及其成因分析

張敏, 李令軍, 趙文慧, 郭逍宇, 許金浩, 王鑫龍, 趙文吉,*

洋河水質(zhì)現(xiàn)狀及其成因分析

張敏1, 李令軍2, *, 趙文慧2, 郭逍宇1, 許金浩1, 王鑫龍1, 趙文吉1,*

1. 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院, 北京 100048 2. 北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心, 北京 100048

為探究洋河水質(zhì)現(xiàn)狀, 利用2017年11月至12月水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 分析了洋河10項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的異質(zhì)性及其成因。結(jié)果表明: (1)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果: 洋河總體水質(zhì)較差, 不同地段差異明顯。基于各斷面水質(zhì)現(xiàn)狀與評(píng)價(jià)結(jié)果來看, 總體達(dá)標(biāo)率為25%, 下游污染較嚴(yán)重達(dá)標(biāo)率為0%, 主要超標(biāo)因子為COD、TP、DO、NH4+-N和濁度。(2)分析上下游水質(zhì)變化特征, 發(fā)現(xiàn)上游水體中濁度變異系數(shù)最大, 其次是TP和BOD5; 下游水體中TP變異系數(shù)最大, 其次是BOD5, 表明水質(zhì)呈現(xiàn)一定變異性。(3)基于遙感影像, 提取河岸兩側(cè)一定范圍內(nèi)的土地利用類型并與水質(zhì)要素進(jìn)行相關(guān)性分析, 洋河上游主要以面污染源為主, 下游主要以點(diǎn)源污染為主。耕地、城鎮(zhèn)、建設(shè)用地、水面和草地對(duì)水質(zhì)的影響較顯著。(4)統(tǒng)計(jì)分析流域區(qū)縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)并建立與水質(zhì)要素間相關(guān)關(guān)系, 結(jié)果顯示洋河流域水生生態(tài)系統(tǒng)較脆弱, 下游受工業(yè)企業(yè)的污染貢獻(xiàn)較大。人口、農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品產(chǎn)量和綜合能源消耗量對(duì)水質(zhì)影響顯著。

水質(zhì)現(xiàn)狀; 土地利用; 能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu); 相關(guān)性

0 前言

洋河作為官?gòu)d水庫(kù)的主要入庫(kù)河流之一, 多年來倍受關(guān)注。由于洋河及其他河流流域管理措施不當(dāng)、生態(tài)環(huán)境脆弱以及大量污水排入河道等原因?qū)е氯霂?kù)河流水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)[1], 1997年水庫(kù)被迫退出城市生活飲用水體系[2]。之后經(jīng)過各個(gè)政府相關(guān)部門的努力工作, 水質(zhì)得到改善。但是, 受人類活動(dòng)的影響, 水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀依然不容樂觀, 洋河流域非點(diǎn)源污染現(xiàn)象嚴(yán)重, 改善水庫(kù)水質(zhì)加強(qiáng)流域綜合管理的工作依然艱巨[3]。已有許多學(xué)者證明土地利用類型與水環(huán)境質(zhì)量之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系[4-5], 土地利用的方式、強(qiáng)度、空間布局和覆蓋類型所導(dǎo)致水環(huán)境能量傳輸發(fā)生變化而顯著影響水環(huán)境質(zhì)量[6]。此外, 還有研究表明流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源間存在緊密的聯(lián)系[7], 區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)的不合理會(huì)對(duì)水資源造成一定危機(jī)[8]。因此, 為應(yīng)對(duì)北京市水資源匱乏和洋河流水質(zhì)下降的現(xiàn)狀, 研究洋河水質(zhì)現(xiàn)狀與流域土地利用類型的響應(yīng)關(guān)系, 并分析洋河流域能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及水資源現(xiàn)狀有著重要意義。

洋河流域早期研究集中于水體水質(zhì)與河岸不同土地利用類型的土壤中重金屬間相應(yīng)關(guān)系的研究。2014年譚冰等學(xué)者研究洋河流域?qū)偃f全縣一帶受重金屬污染存在潛在風(fēng)險(xiǎn), 主要以Cr和Hg污染嚴(yán)重, 導(dǎo)致水質(zhì)已不滿足漁業(yè)養(yǎng)殖用水[9]。商靖敏等學(xué)者研究了洋河流域不同土地利用類型的表層土壤中Se含量存在顯著的空間異質(zhì)性[10]。龐博等學(xué)者研究了洋河流域張家口段河流水質(zhì)演化及其驅(qū)動(dòng)因子, 表明該河段主要污染物有氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5,重金屬Cr6+和Cd等, 主要的驅(qū)動(dòng)因子是土地利用類型的變化[11]。此外, 另有學(xué)者致力于研究洋河流域生態(tài)服務(wù)的價(jià)值, 羅維等學(xué)者研究了從1990—2013年洋河流域土地利用的時(shí)空變異對(duì)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值的影響, 發(fā)現(xiàn)洋河流域土地利用除了林地和未利用地, 其他類型用地的年總生態(tài)服務(wù)價(jià)值先增加后減少, 總體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì), 林地、草地和耕地是洋河流域生態(tài)服務(wù)的主要貢獻(xiàn)者和生態(tài)服務(wù)價(jià)值的主要敏感因子[12]。綜上所所述, 針對(duì)洋河流域水環(huán)境保護(hù)現(xiàn)有的研究集中于水體中水質(zhì)要素與近岸土地利用類型間的相關(guān)性分析, 本文將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析流域能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)洋河的污染貢獻(xiàn)。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示, 洋河上游與下游水環(huán)境質(zhì)量存在較大差異, 上下游流域河岸帶土地利用和流域區(qū)縣能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同比例的變化。為有針對(duì)性的改善洋河水環(huán)境質(zhì)量, 本項(xiàng)研究將分上游和下游兩大區(qū)域探究上下游水質(zhì)空間異質(zhì)性并分析其成因。運(yùn)用單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)洋河水質(zhì)現(xiàn)狀, 分析上下游水質(zhì)存在的差別, 以及上下游水質(zhì)與河岸土地利用類型的相關(guān)關(guān)系, 探究水質(zhì)要素對(duì)土地利用的響應(yīng)關(guān)系, 結(jié)合年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析流域能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)河流造成的污染, 最終確定上游和下游存在的主要污染源。結(jié)果顯示, 洋河上游主要以面源污染為主, 下游主要以點(diǎn)源污染為主。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洋河是永定河的支流, 位于113°29′32″E—115° 43′40″E, 39°59′42″N—41°15′3″N之間。地處我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶, 流域近河岸帶1500 m范圍內(nèi)土地覆蓋類型主要以耕地為主, 流經(jīng)村鎮(zhèn)河岸帶以居民地、草地和林地為主, 偶爾會(huì)有工廠和建設(shè)用地。洋河流域主要包括三大支流: 南洋河、東、西洋河。西洋河發(fā)源于烏蘭察布的興和縣, 南洋河發(fā)源于山西省的陽(yáng)高縣, 在懷安縣附近匯合, 稱為洋河。沿途流經(jīng)張家口市、宣化、下花園、懷來等地后, 在懷來縣朱官屯與桑干河一并匯入永定河, 注入北京官?gòu)d水庫(kù)。流域面積15078 km2, 總長(zhǎng)度262 km, 平均海拔1000 m以上[13]。洋河位于東亞大陸季風(fēng)氣候區(qū), 夏季涼爽, 冬季寒冷漫長(zhǎng), 年降水量(375±25) mm, 年均氣溫7.7℃, 屬于典型的干旱、半干旱氣候, 河流主要以降水為補(bǔ)給來源, 河岸帶植被覆蓋類型單一, 生態(tài)環(huán)境脆弱[14]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.2.1 采樣及樣品測(cè)定

根據(jù)對(duì)洋河流域的實(shí)地考察與遙感影像結(jié)合分析, 在洋河干流以及匯入干流的支流布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面。對(duì)于經(jīng)過村莊、城鎮(zhèn)和工廠、農(nóng)田等面污染源的河段加設(shè)采樣點(diǎn)。 2017年11月至12月在洋河干流布設(shè)8個(gè)監(jiān)斷面。如圖1所示為洋河監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況及河岸緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型信息。

由于條件限制, 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所用的水質(zhì)儀只能測(cè)定所需指標(biāo)中7項(xiàng), 其余的樣品采集后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與采樣時(shí), 每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面等距布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn), 水質(zhì)儀測(cè)定三次后取平均值作為該斷面水質(zhì)參數(shù)值; 實(shí)驗(yàn)室分析則用采樣器采集液面下0.5 m處的水樣, 將3個(gè)采樣點(diǎn)的水樣均勻混合后保存至聚乙烯瓶中, 帶回實(shí)驗(yàn)室后測(cè)定基礎(chǔ)指標(biāo)。水樣的采集、保存、運(yùn)輸依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》( 第4版)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定使用OTT Hydrolab DS5X多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀和手持GPS定位儀, 對(duì)采樣點(diǎn)的水體進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)定, 測(cè)定包括溶解氧(DO)、pH、氨氮(NH4+-N)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、藍(lán)藻素(SPC)、氧化還原電位(ORP)、濁度等水質(zhì)參數(shù), 并同時(shí)記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度與高程。所要測(cè)定的化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)等指標(biāo)嚴(yán)格按照《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91-2002)中規(guī)定的方法采集樣品后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

圖1 研究區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)及土地利用類型信息

Figure 1 Water quality monitoring sampling point and land use type information in the study area

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)處理及土地利用信息提取

選用研究區(qū)2017年2月和8月兩期高分影像數(shù)據(jù), 在幾何糾正和大氣糾正基礎(chǔ)上, 以主干河流兩側(cè)1500 m為緩沖區(qū), 采用面向?qū)ο蠓诸愑?jì)數(shù), 提取區(qū)內(nèi)土地利用信息。根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T21010-2007)一、二級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類, 選用包括耕地、園地、林地、城鎮(zhèn)、草地、裸地、水面(本文為水產(chǎn)養(yǎng)殖池)和建設(shè)用地(包括工廠)八類土地覆蓋類型為研究對(duì)象, 并獲取緩沖區(qū)內(nèi)各類土地利用的矢量數(shù)據(jù)。

1.2.3 洋河流域各區(qū)縣經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

選取2016年《張家口經(jīng)濟(jì)年鑒》中洋河流域各區(qū)縣生產(chǎn)總值、規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)能源消費(fèi)情況等作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2.4 研究方法

單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法單因子評(píng)價(jià)法是指在參與水質(zhì)評(píng)價(jià)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)中, 各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與目標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)濃度限值的比值[15]。

描述統(tǒng)計(jì)分析利用spss19.0軟件的描述統(tǒng)計(jì)功能可分析數(shù)據(jù)樣本的結(jié)構(gòu)和總體情況, 反映數(shù)據(jù)背后的實(shí)際情況。對(duì)水質(zhì)要素的數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析, 所得平均值、中位數(shù)、最大最小值和變異系數(shù)可直觀的表達(dá)洋河水質(zhì)的集中趨勢(shì)和現(xiàn)狀。

Pearson相關(guān)性[16]利用spss19.0軟件的相關(guān)性分析功能分析洋河監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊土地利用面積與水質(zhì)要素的相關(guān)性, 可反映土地利用類型對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生的影響[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 洋河流域水質(zhì)現(xiàn)狀特征分析

采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中III類標(biāo)準(zhǔn)為水質(zhì)目標(biāo)利用單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀。見表1, 從洋河整體流域來看, 水質(zhì)較差, 達(dá)標(biāo)率僅為25%; 主要超標(biāo)因子為COD、TP、DO。pH值范圍在8.1—11.23, 呈堿性; 遠(yuǎn)超出地表水環(huán)境III類標(biāo)準(zhǔn)。

分上下游來看, 洋河上游達(dá)標(biāo)率為50%, 而下游達(dá)標(biāo)率僅為0 ; 說明洋河下游污染狀況比上游要嚴(yán)重。洋河上游IV類占河段50%; 洋河下游V類水質(zhì)占河段的50%, 洋河下游COD在各斷面均超標(biāo)。在87號(hào)斷面水質(zhì)指標(biāo)TP超編現(xiàn)象較為嚴(yán)重, 導(dǎo)致該河段歸為劣V類水質(zhì), 現(xiàn)場(chǎng)觀察到水體呈現(xiàn)淺褐色。結(jié)果顯示, 洋河流域自上游向下游各水質(zhì)要素呈現(xiàn)增加的趨勢(shì), COD值顯著增加, 表現(xiàn)出下游河段水質(zhì)污染較上游嚴(yán)重。為探究這一現(xiàn)象, 將洋河流域分上下游兩個(gè)單元進(jìn)行水質(zhì)污染特征分析。

將洋河流域的各指標(biāo)均值與對(duì)應(yīng)的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比后可知整個(gè)流域DO、COD、TP均超過了地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn), pH值呈堿性。是洋河流域應(yīng)重點(diǎn)加以控制的主要因子。從上下游河段統(tǒng)計(jì)特征情況看: (1)洋河上游表現(xiàn)為DO、COD、TP和濁度均超過了地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn), 除濁度超標(biāo)率達(dá)100%, 其余水質(zhì)因子超標(biāo)率均達(dá)25%。pH均值為9.895, 最小值為8.1, 上游呈弱堿性并超出正常值范圍, 是上游應(yīng)重點(diǎn)加以控制的主要因子。從變異系數(shù)來看, 表現(xiàn)為濁度變異系數(shù)最大(160%), 其次TP是(85.8%)和BOD5是(70%); 離散程度較高。(2)洋河下游表現(xiàn)為DO、COD、TP、NH4+-N和濁度均超出地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。其中TP、濁度和pH值超標(biāo)率達(dá)100%, 其余水質(zhì)因子超標(biāo)率為25%。pH均值為11.21, 最小值為10.83, 下游呈現(xiàn)強(qiáng)堿性嚴(yán)重超出正常范圍, 是洋河下游應(yīng)重點(diǎn)加以控制的水質(zhì)因子。從變異系數(shù)來看, 表現(xiàn)為TP變異系數(shù)最大(130.1%), 其次是BOD5(98.1%); 離散程度較高。

3.2 水質(zhì)異質(zhì)性成因分析

3.2.1 河岸土地利用類型與水質(zhì)變化的關(guān)系

對(duì)近河岸帶500 m、1000 m、1500 m區(qū)內(nèi)土地利用類型信息樣本統(tǒng)計(jì)分析。由圖2可知, 洋河河岸帶主要以耕地為主, 其次是城鎮(zhèn), 建設(shè)用地及工廠占總統(tǒng)計(jì)面積最少; 上游緩沖區(qū)內(nèi)三個(gè)尺度下耕地面積均占分類總面積的88%以上, 林地、城鎮(zhèn)用地都占3%—7%, 而建設(shè)用地及工廠占總面積不足1%; 下游緩沖區(qū)內(nèi)三個(gè)尺度下耕地均占分類總面積76%—77%, 城鎮(zhèn)用地占4%—10%, 草地占2%—9%, 建設(shè)用地及工廠用地占4%—5%, 水面(水產(chǎn)養(yǎng)殖池)占2%。說明洋河上游流域主要以面源污染為主, 河岸帶土地利用類型較為單一。洋河下游河岸耕地面積減少, 草地、園地、林地和建設(shè)用地增加導(dǎo)致耕地面積所占比例顯著減少。土地利用豐富度增加, 說明受人類活動(dòng)影響增加。城鎮(zhèn)化率提高、人口增加是導(dǎo)致土地利用類型發(fā)生空間變異的主導(dǎo)因素[18]。

注: “- ”為未超標(biāo)

圖2 洋河河岸帶緩沖區(qū)內(nèi)不同尺度下土地覆蓋類型信息

Figure 2 Information on land cover types at different scales in the buffer zone of the Yanghe riparian zone

為探究水質(zhì)要素變異性與土地覆蓋類型間的響應(yīng)關(guān)系, 選取代表性的5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)作為數(shù)據(jù)樣本。如圖3 所示, 發(fā)現(xiàn)5項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)出向下游污染加重的現(xiàn)象, 并且最大值均出現(xiàn)在下游。從各項(xiàng)指標(biāo)變化情況來看, COD變化最顯著, 下游水體中該項(xiàng)指標(biāo)明顯高于上游, 并且最大值出現(xiàn)在下游; 其次是BOD5, 上游水體中該項(xiàng)指標(biāo)值變化緩慢且接近于1(mg/L),下游水體中該指標(biāo)值變化顯著且出現(xiàn)最大值。TP、DO和NH4+-N變化較緩, 其中由水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果來看, 下游水體中TP的濃度值要高于上游水體中的。從水質(zhì)要素累積量來看, 下游總累計(jì)量明顯大于上游, 其中87號(hào)點(diǎn)累計(jì)量達(dá)最高值其次是86號(hào)點(diǎn)和85號(hào)點(diǎn), 表明下游水體中污染物的量大于上游水體中的。結(jié)合圖2結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)上游河岸兩側(cè)以農(nóng)田耕地為主要土地覆蓋類型, 偶有工廠出現(xiàn)。河岸兩側(cè)以河灘地為主, 面源所產(chǎn)生的污染物可直接進(jìn)入水體污染水質(zhì), 由此可認(rèn)為上游主要受到面源污染為主。由于下游河岸兩側(cè)的工廠、城鎮(zhèn)等用地增多, 耕地面積所占比例減少。由于建設(shè)用地及工廠、城鎮(zhèn)等用地的增加, 下游水體受到點(diǎn)源污染加重?？傮w來看, 洋河上游主要以面污染源為主; 洋河下游則傾向于點(diǎn)污染源。

3.2.2 水質(zhì)要素與河岸帶土地利用類型間相關(guān)性分析

以洋河兩岸不同緩沖區(qū)內(nèi)各土地利用類型面積和9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)作為基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù), 計(jì)算土地利用類型與水質(zhì)之間的Pearson相關(guān)性, 結(jié)果見表2。

洋河河岸帶500 m緩沖區(qū)內(nèi), COD、ORP、DO和濁度與土地利用類型的面積未出現(xiàn)顯著相關(guān)性, BOD5與耕地呈現(xiàn)高度相關(guān)性; TP和NH4+-N與建設(shè)用地、裸地和城鎮(zhèn)的面積呈高度相關(guān)性, NH4+-N還與草地面積呈較高的相關(guān)性; TDS和SPC與水面(水產(chǎn)養(yǎng)殖池)面積呈現(xiàn)很高的相關(guān)性。

洋河河岸帶1000 m緩沖區(qū)內(nèi), DO和濁度與土地利用類型的面積未出現(xiàn)顯著相關(guān)性; COD與草地呈現(xiàn)很高的相關(guān)性; BOD5與水面、城鎮(zhèn)和耕地呈現(xiàn)很高的相關(guān)性; TP和NH4+-N與建設(shè)用地、裸地、園地的面積呈高度相關(guān)性, 此外TP與城鎮(zhèn), NH4+-N與草地也呈現(xiàn)較高的相關(guān)性; TDS和ORP與林地和水面面積呈現(xiàn)較高的相關(guān)性; ORP與水面面積呈現(xiàn)較高的相關(guān)性。

圖3 采樣點(diǎn)水質(zhì)要素濃度累積柱狀圖

Figure 3 Concentration accumulation histogram of water Quality Element at Sampling Point

洋河河岸帶1500 m緩沖區(qū)內(nèi), DO和NH4+-N與各土地利用類型未出現(xiàn)顯著相關(guān)性, 其余水質(zhì)要素均與土地利用類型面積均呈現(xiàn)一定正相關(guān)。其中, BOD5與水面、城鎮(zhèn)和耕地顯著相關(guān), 與耕地相關(guān)性最顯著; COD與建設(shè)用地及工廠、草地呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系; TP與建設(shè)用地及工廠、裸地和城鎮(zhèn)呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系。TDS和SPC均與林地呈現(xiàn)出顯著正相關(guān); ORP與耕地呈現(xiàn)出現(xiàn)在正相關(guān)關(guān)系; 濁度只與城鎮(zhèn)表現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。說明河岸帶緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型對(duì)水質(zhì)有不同程度影響, 流域土地利用類型的變化可以引起水質(zhì)的變化。總體來看, 河岸1000m緩沖區(qū)內(nèi)土地利用面積與水質(zhì)呈現(xiàn)的相關(guān)性程度最高, 說明該范圍內(nèi)污染源對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生最為復(fù)雜的影響。應(yīng)對(duì)該范圍內(nèi)景觀格局制定合理的生態(tài)治理與生態(tài)保護(hù)政策。

3.2.3 流域區(qū)縣能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)污染貢獻(xiàn)分析

由2016年張家口市經(jīng)濟(jì)年鑒中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 結(jié)果如圖4所示。可以看出洋河上、下游流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)比: 由上游至下游, 第二產(chǎn)業(yè)所占比重增加且增量最高, 其次是第一產(chǎn)業(yè)稍有增加; 第三產(chǎn)業(yè)所占比重顯著降低。上游流域區(qū)縣第一、二、三產(chǎn)業(yè)比重為14.92:34.28:50.79, 到下游變?yōu)?6.48:39.14:44.38其中第二產(chǎn)業(yè)增加了近5個(gè)百分點(diǎn), 表明工業(yè)成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主體。隨著經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng), 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不能得到合理調(diào)配, 再加上傳統(tǒng)的污水處理設(shè)備及技術(shù)不能滿足工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大速度, 區(qū)域污水處理效率低下, 可導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降[19]。

表2 不同緩沖區(qū)內(nèi)土地利用面積與水質(zhì)要素含量間Pearson相關(guān)性

注: “**”為在 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)?！?”為在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。“-”為負(fù)相關(guān)

圖4 洋河流域各區(qū)縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)信息

Figure 4 Industrial structure information of urban areas and county towns in the Yanghe River Basin

能源消耗與用水間存在復(fù)雜關(guān)系, 能源的開采與使用過程中需消耗大量水資源, 并產(chǎn)生大量工業(yè)廢水。同時(shí), 在取水、用水和回收處理過程中, 需要消耗大量能源。面對(duì)區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量下降的問題, 基于水資源與能源間的相互關(guān)系, 本文將以洋河流域區(qū)縣工業(yè)企業(yè)能源消費(fèi)量為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 結(jié)果如圖5 所示。

發(fā)現(xiàn)洋河上游與下游流域區(qū)縣能源結(jié)構(gòu)變化顯著。其中焦炭增加量最大, 其次是能源消費(fèi)總量、原煤量和電力消費(fèi)量, 最后是汽油和柴油用量。煤炭與煤制油、氣兩大企業(yè)是用水較大的企業(yè), 企業(yè)運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生大量廢水, 對(duì)水環(huán)境污染起到較大貢獻(xiàn)[20]。綜上所述, 可以認(rèn)為下游污染主要由于工業(yè)企業(yè)的活動(dòng)影響, 流域區(qū)縣能源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理調(diào)控是水環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)工作。

3.2.4 流域區(qū)縣經(jīng)濟(jì)因素與水質(zhì)間相關(guān)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)洋河流域各區(qū)縣經(jīng)濟(jì)年鑒中8項(xiàng)數(shù)據(jù)作為影響水質(zhì)的環(huán)境因子, 計(jì)算這些環(huán)境因子與水質(zhì)要素之間的相關(guān)關(guān)系, 結(jié)果如表3所示。

圖5 洋河流域各區(qū)縣能源消費(fèi)現(xiàn)狀

Figure 5 Current status of energy consumption in urban areas and counties of Yanghe River Basin

表3 洋河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水質(zhì)要素間Pearson相關(guān)性

注: “**”為在 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)?！?”為在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。“-”為負(fù)相關(guān)

流域各區(qū)縣的經(jīng)濟(jì)因素作為影響水質(zhì)要素的因子來看: BOD5受各類因子影響最復(fù)雜, 其中人口與該要素呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 而且主要是與農(nóng)村人口呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系; 農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品的產(chǎn)量以及區(qū)域GDP與該水質(zhì)要素呈現(xiàn)較顯著的正相關(guān)關(guān)系, 由此可以表明BOD5受農(nóng)村居民的生活活動(dòng)影響最大。NH4+-N和COD受綜合能源消耗量影響較大, 相互之間呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系, 說明NH4+-N和COD受到工業(yè)活動(dòng)的影響最大。結(jié)合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果來看, COD是洋河主要超標(biāo)的水質(zhì)要素之一, 保護(hù)水環(huán)境質(zhì)量重點(diǎn)應(yīng)該落實(shí)到對(duì)區(qū)域能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的工作上。

4 結(jié)論

綜上所述, 洋河流域水質(zhì)污染較嚴(yán)重, 下游比上游污染更嚴(yán)重。上游主要以DO、COD污染物為主, 表明上游水體中有機(jī)污染物含量較高, 經(jīng)土地利用類型的分析結(jié)果顯示, 洋河流域整體以耕地面積為主, 尤其集中于上游, 多以面源污染為主, 是水環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)。下游主要以COD、TP污染物為主, 建設(shè)用地和城鎮(zhèn)面積增加, 主要表現(xiàn)為點(diǎn)污染源。通過水質(zhì)要素與土地利用類型間相關(guān)性分析, 表明河岸帶緩沖區(qū)內(nèi)各水質(zhì)要素與土地利用類型面積呈現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)關(guān)系。導(dǎo)致水體污染的因素主要為耕地、城鎮(zhèn)、建設(shè)用地、水面和草地。對(duì)洋河流域各區(qū)縣能源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的分析。發(fā)現(xiàn)洋河流域自上游向下游, 工業(yè)越來越成為流域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主體, 能源消費(fèi)水平顯著增加。表明, 洋河下游流域受工業(yè)企業(yè)的污染較大。為保護(hù)水生態(tài)的穩(wěn)定需要大力調(diào)節(jié)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向, 將資源能源型社會(huì)轉(zhuǎn)向環(huán)境友好型。

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Present situation of Yanghe water quality and analysis of its causes

ZHANG Min1,LI Lingjun2,*, ZHAO Wenhui2, GUO Xiaoyu1, XU Jinhao1, WANG Xinlong1, ZHAO Wenji1,*

1. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China 2. Beijing Municipal Environment Monitoring Center, Beijing 100048, China

The water quality of Yanghe River between November and December 2017 was monitored, with spatial heterogeneities and their dependencies of ten indices analyzed. The results show that: (1) Based on the results of single-factor pollution index, the overall water quality of Yanghe River was poor, and presented distinct spatial differences. The water quality evaluation results of only 25% of the sampling sites along the river met the standard. Water quality in the downstream became even worse, with none of the water samples collected meeting the standard. The main indices which exceeded the standard included COD, TP, DO, NH4+-N and turbidity. (2) Spatial variation of the water quality was observed. In the upstream, the coefficient of variation of turbidity was the greatest, followed by TP and BOD5; while in the downstream, the coefficient of variation of TP was the greatest, followed by BOD5. (3) The correlation between water quality and land use types within a certain range of river banks on both sides extracted by remote sensing data was conducted. In the upstream, non-pointsources were the dominant pollution sources; while in the downstream, point sources were dominant. The water quality was significantly affected by cropland, town and construction land, water surface and grassland. (4) The correlation between water quality and socio-economic factors of counties in the river basin was analyzed. The aquatic ecosystems in the Yanghe River Basin were relatively vulnerable, and the downstream of river was heavily polluted by the industry. Socio-economic factors such as population, agricultural products, aquatic production and integrated energy consumption had significant impacts on water quality.

water quality status; land use; energy industry structure; correlation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.012

X522

A

1008-8873(2019)04-077-08

2018-09-02;

2018-10-23

國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41101404); 水源保護(hù)區(qū)水質(zhì)情況評(píng)價(jià)方法研究(01117220010037)

張敏(1994—), 女, 內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人, 碩士生,主要從水土污染研究, E-mail:455944412@qq.com

趙文吉E-mail: zhwenji1215@163.com; 李令軍lilj2000@126.com

張敏, 李令軍, 趙文慧, 等. 洋河水質(zhì)現(xiàn)狀及其成因分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(4): 77-84.

ZHANG Min, LI Lingjun, ZHAO Wenhui, et al. Present situation of Yanghe water quality and analysis of its causes[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 77-84.