大汶河水質(zhì)狀況評價和污染源分析

申洪鑫,牛蓓蓓,李富強,王 英,李新舉*

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，山東 泰安 250102)

水資源是人類賴以生存和社會發(fā)展不可或缺的物質(zhì)資源。20世紀70年代以來，隨著人口的快速增加和經(jīng)濟的高速發(fā)展，水資源的需求量短時間內(nèi)急劇增長，同時城鄉(xiāng)污水大量排放污染了地表水及地下水，不可避免地形成了“水質(zhì)性缺水”等一系列水污染問題。我國70%江河湖泊的水質(zhì)受到各種污染物的影響，水污染不僅破壞了自然生態(tài)景觀，而且會影響經(jīng)濟發(fā)展和人類健康。因此，適時開展河流水質(zhì)評價和污染源解析，有助于對河流進行有效管理和污染防治，對于區(qū)域社會-經(jīng)濟-生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

大汶河為黃河下游在山東境內(nèi)最大的支流，亦是山東省泰安市地表水資源的主要來源。它流經(jīng)東平湖注入黃河，作為南水北調(diào)東線工程重要的蓄水走廊——東平湖的唯一匯入河流，大汶河水質(zhì)狀況勢必會影響南水北調(diào)工程的調(diào)水水質(zhì)。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加快，大汶河流域內(nèi)水資源短缺和水污染問題日漸凸顯。近年來，左欣等利用模糊數(shù)學(xué)法對2000年大汶河主要控制斷面水質(zhì)進行了評價，發(fā)現(xiàn)大汶河水質(zhì)污染嚴重，大部分河段水質(zhì)都不能夠滿足功能區(qū)的需求；何濤等通過分析大汶河沿線4個監(jiān)測點的水質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，2007—2014年間受流域各項減排措施的影響，大汶河有機污染得到有效緩解，受攔蓄工程影響，河段內(nèi)TP含量明顯下降，TN含量總體上升，其水質(zhì)狀況整體有所好轉(zhuǎn)；申祺等采用主成分分析和相關(guān)分析方法對2017年大汶河的采樣分析數(shù)據(jù)進行了水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價，結(jié)果表明大汶河水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價結(jié)果主要以一般和較差為主，分別占總采樣點的58.33%和20.83%。目前的已有研究主要偏重于常規(guī)水質(zhì)指標的分析評價，對于大汶河重金屬污染狀況和污染來源的分析研究較少。為此，本文基于2019年6月份和8月份大汶河21個斷面的兩次采樣分析數(shù)據(jù)，采用單因子評價法、內(nèi)梅羅指數(shù)法和因子分析法等方法對大汶河水質(zhì)狀況進行了評價和污染源解析，以期為大汶河水體污染防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大汶河位于山東省中部泰山南麓，介于116°E～118°E、35.7°N～36.6°N之間，發(fā)源于山東沂源縣境內(nèi)，自東向西流經(jīng)萊蕪、新泰、泰安、肥城、東平等縣、市，匯注東平湖，出陳山口后入黃河。大汶河全長208 km，流域面積為9 098 km，以大汶口、戴村壩為節(jié)點劃分為上、中、下游，東平縣馬口以下稱東平湖區(qū)。大汶河上游為主要集水區(qū)，地形以低山丘陵為主，河岸穩(wěn)定，土壤肥沃；大汶河中、下游地形以平原為主，且土壤以沙土和沙壤土為主，透水通氣，保溫保濕性能良好，適合農(nóng)業(yè)發(fā)展。大汶河多年平均徑流量約為18.2億m，灌溉面積達290余萬畝。大汶河為沿岸居民的生產(chǎn)和生活提供用水保障，是山東省內(nèi)重要的河流之一。

2 研究方法

2.1 采樣點布設(shè)

根據(jù)大汶河河流特征和污染源分布特征，在大汶河主要干流和支流布設(shè)了21個采樣斷面，編號依次為1～21號，采樣點分布如圖1所示。其中，1～9號采樣斷面位于大汶河北支的灜汶河、牟汶河；11、12號采樣斷面位于大汶河南支(柴汶河)；大汶口以下大汶河干流采樣斷面5個(編號為10、16、17、19、20)；海子河采樣斷面1個(編號為13)；漕河采樣斷面2個(編號為14、15)；匯河采樣斷面1個(編號為18)；東平湖采樣斷面1個(編號為21)。

圖1 大汶河監(jiān)測斷面分布圖Fig.1 Distribution map of monitoring sections in the Dawen River

2.2 水樣采集與分析方法

大汶河水質(zhì)檢測儀器見表1，具體檢測方法依據(jù)《地下水質(zhì)檢驗方法》(DZ/T 0064—1993)、《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T 5750—2006)，并遵循《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3828—2002)的要求。

表1 大汶河水質(zhì)檢測儀器Table 1 Water quality testing instruments in this study

2.3 水質(zhì)評價方法

2.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是通過指數(shù)運算出在所有進行水質(zhì)評價的指標中最差的單項水質(zhì)指標，隨后通過此指標所屬的類別來確定水體的綜合水質(zhì)類別，實質(zhì)上是用水體各評價因子的監(jiān)測結(jié)果對照該項目的分類標準，確定其水質(zhì)類別。單因子污染指數(shù)法是進行水體水質(zhì)評價過程中應(yīng)用最為廣泛的評價方法之一，它有效地避免了確定指標權(quán)重的主觀隨意性。在此基礎(chǔ)上，徐祖信將其改進為單因子水質(zhì)標識指數(shù)法，并且已經(jīng)在水體水質(zhì)評價工作中得到了一定的應(yīng)用。

單因子污染指數(shù)法的計算公式為

(1)

式中:

P

為采樣點污染物

i

的污染指數(shù);

C

為采樣點污染物

i

濃度的實測值(mg/L);

S

為采樣點污染物

i

的標準濃度值(mg/L)(取《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅲ類水質(zhì)標準)。

單因子污染指數(shù)法環(huán)境質(zhì)量評價分級標準，見表2。

表2 單因子污染指數(shù)法環(huán)境質(zhì)量評價分級標準Table 2 Classification criteria for environmental quality assessment of single-factor pollution index method

2.3.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)最早是由美國敘拉古大學(xué)內(nèi)梅羅(N.L.Nemerow)教授在其所著的《河流污染科學(xué)分析》一書中提出的一種水污染指數(shù)。與單因子污染指數(shù)法相比，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在突出污染最嚴重的評價因子的同時，更兼顧了評價體系中其他因子的貢獻度，是一種比較綜合的評價方法。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的計算公式為

(2)

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法環(huán)境質(zhì)量評價分級標準，見表3。

表3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法環(huán)境質(zhì)量評價分級標準Table 3 Classification criteria for environmental quality assessment of Nemerow pollution index method

2.4 水質(zhì)時空變化評價方法

水質(zhì)隨時間和空間的變化程度分別根據(jù)其時間變化率

T

和空間變化率

S

來判斷，其計算公式如下：

(3)

(4)

上式中：

P

、

P

分別為比較時間內(nèi)起始時刻和終止時刻采樣斷面的內(nèi)梅羅污染指數(shù)；

P

、

P

分別為比較空間內(nèi)起始斷面和終止斷面采樣點的內(nèi)梅羅污染指數(shù)。

2.5 因子分析法

因子分析法是一種變量降維的方法，它假設(shè)原有變量的背后存在多個不可觀測的隱藏因子，它從研究原始變量的相關(guān)矩陣出發(fā)，通過降維的方法將眾多原始變量歸納為少數(shù)幾個綜合因子，而這些因子能揭示出隱藏在原始變量之間的聯(lián)系，尤其是成因上的聯(lián)系，繼而解釋基于原始變量得到的旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣、成分得分系數(shù)矩陣。

在進行因子分析之前，需要對原始數(shù)據(jù)進行Z標準化處理，以消除不同污染物濃度量綱差異所帶來的影響。

2.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel、IBM SPSS Statistics 23軟件，作圖采用ArcGIS 10.2軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 大汶河水質(zhì)統(tǒng)計特征

大汶河2期水質(zhì)指標統(tǒng)計結(jié)果，見表4。其中，各個水質(zhì)指標的平均值用于表征水體各水質(zhì)指標整體的含量水平；變異系數(shù)主要用來反映水體化學(xué)成分的變異程度，揭示水體水質(zhì)化學(xué)指標在空間上的差異。

由表4可以看出：

表4 大汶河豐、枯水期水質(zhì)指標統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistical results of water quality indexes of the Dawen River in high flow and low flow period

3.2 大汶河水質(zhì)評價

3.2.1 單因子污染指數(shù)法水質(zhì)評價

根據(jù)公式(1)，對大汶河流域21個監(jiān)測斷面的16個監(jiān)測指標進行計算，得到大汶河流域各監(jiān)測斷面單因子污染指數(shù)見表5，其污染等級分類結(jié)果見圖2。

表5 大汶河流域各監(jiān)測斷面水體水質(zhì)污染評價結(jié)果(單因子污染指數(shù)法)Table 5 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin(Single factor pollution index method)

圖2 大汶河流域各監(jiān)測斷面水體水質(zhì)污染評價結(jié)果(單因子污染指數(shù)法)Fig.2 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin (single factor pollution index method)

大汶河流域處水質(zhì)主要污染物為TN、Se和Hg。其中，只有在豐水期水體中發(fā)生Se含量超標情況，而含Se廢水主要是由顏料染料、硫酸制造和精煉銅等行業(yè)排放，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)大汶河沿岸有紡織業(yè)工廠的存在。Se中毒是一個緩慢的過程，對生態(tài)環(huán)境、人體健康都有極大的潛在危害，故有關(guān)部門需引起重視。大汶河上游的劉家廟村、前王莊，中游的石家門村和下游的匯河入大清河斷面處水體水質(zhì)污染嚴重，主要污染物為TN和Se，大部分斷面處水體中TN超標，存在較大的富營養(yǎng)化風(fēng)險。

3.2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法水質(zhì)評價

根據(jù)公式(2)，對大汶河流域21個監(jiān)測斷面的16個監(jiān)測指標進行計算，得到基于內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的大汶河流域各監(jiān)測斷面水體水質(zhì)污染評價結(jié)果，見表6。

表6 大汶河流域各監(jiān)測斷面水體水質(zhì)污染評價結(jié)果(內(nèi)梅羅污染指數(shù)法)Table 6 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin(Nemerow pollution index method)

結(jié)合表5和表6的數(shù)據(jù)可以看出，由于Se和Hg含量超標，大汶河流域大部分斷面水體中最大污染因子為Se和Hg，致使大汶河流域不同區(qū)域水體污染狀況以重度污染為主。

大汶河流域水體污染程度由高到低可劃分為：大汶河上游>大汶河中游>大汶河下游。其中，大汶河上游區(qū)域，由于趙莊橋斷面、北店子橋斷面和北望泉林壩上游斷面位于中心城區(qū)河流下游，居民生產(chǎn)的生活用水量大，污水排放較多，且附近工廠較多，工業(yè)廢水集中排放，最終導(dǎo)致這3個斷面處水體水質(zhì)指標嚴重超標；大汶河中游區(qū)域，寧陽海子河斷面處水體水質(zhì)指標超標原因與大汶河上游區(qū)域相同，漕河肖家店橋斷面處水體水質(zhì)在此次監(jiān)測過程中超標最為嚴重，主要超標項為Hg。Hg在自然界中以三種形式存在，其中有機Hg對生態(tài)環(huán)境的危害最大，其具有穩(wěn)定性強、毒性高、生物積累性強等特點。水體中Hg的來源有很多，自然來源包括地表徑流、大氣降水等，其中地表徑流中的Hg大部分來源于可溶解土壤中的Hg；人為來源主要包括化工、冶金、輕工等多種行業(yè)排放的工業(yè)廢水。經(jīng)調(diào)查，漕河上游有化工、冶金等工廠的存在，大量工業(yè)廢水的排放導(dǎo)致水體中Hg的含量嚴重超標。

采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對大汶河流域各監(jiān)測斷面水體水質(zhì)污染狀況進行評價的結(jié)果，見圖3。

圖3 大汶河流域各監(jiān)測斷面水體水質(zhì)污染評價結(jié)果Fig.3 Water pollution assessment results of monitoring sections in the Dawen River Basin

由圖3可見，兩種方法的評價結(jié)果基本一致，但內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價更全面、更可靠。根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法水質(zhì)評價結(jié)果，流域內(nèi)枯水期Ⅴ類水質(zhì)斷面為14個，占比為66.7%；豐水期Ⅴ類水質(zhì)斷面為17個，占比為81%。整體來說，大汶河流域枯水期水體水質(zhì)明顯優(yōu)于豐水期，且從河流上游至下游污染程度逐漸加重。

3.3 大汶河水質(zhì)時空變化分析

根據(jù)公式(3)和(4)，計算大汶河流域各監(jiān)測斷面水體水質(zhì)的時間變化率

T

和空間變化率

S

，其結(jié)果見表7。

表7 大汶河流域各監(jiān)測斷面水體水質(zhì)的時空變化Table 7 Spatiotemporal changes of water quality at monitoring sections in the Dawen River Basin

由表7可知：大汶河豐水期與枯水期相比，監(jiān)測斷面2、8、10、16、18、20處的水質(zhì)明顯惡化(時間變化率平均值為-32.59%)，監(jiān)測斷面1、5、6、17、19、21處的水質(zhì)輕微惡化(時間變化率平均值為-7.09%)，監(jiān)測斷面3、4、7、9、11、12、13、14、15處的水質(zhì)改善(時間變化率平均值為18.44%)。其中，監(jiān)測斷面6、8、16、17均位于水壩上游，枯水期無補充水源，夏季用水高峰水庫水被調(diào)用，造成水量持續(xù)減少，水質(zhì)污染幾率降低。受2019年第9號臺風(fēng)“利奇馬”的影響，全省降水量較2018年同期偏多50%，雨水帶來的面源性污染是造成2019年大汶河豐水期水質(zhì)惡化的主要原因之一。

本文選擇大汶河具有代表性的9處干流監(jiān)測斷面分析其水質(zhì)空間變化，并根據(jù)支流匯入的上、下游兩個斷面水質(zhì)的變化情況對支流水質(zhì)對干流水質(zhì)的影響進行了分析。

3.4 因子分析

為了消除不同變量單位差異而造成因子分析的誤差，在SPSS 23軟件中先對各采樣點的原始數(shù)據(jù)進行Z標準化處理，再進行因子分析。在進行因子分析前，須進行KMO檢驗和Bartlett球形度檢驗，以判斷數(shù)據(jù)是否適合進行因子分析。本研究中，KMO統(tǒng)計量顯示為0.57，一般認為KMO值大于0.5即說明適合做因子分析，因此本文數(shù)據(jù)適合做因子分析；Bartlett球形度檢驗的近似卡方值為259.724，自由度為105，概率值為0，即使球形假設(shè)被拒絕，即可以認為相關(guān)系數(shù)矩陣與單位矩陣有顯著差異，說明本文數(shù)據(jù)適合進行因子分析。

運用主成分分析方法提取因子，采用最大方差法進行正交旋轉(zhuǎn)，按照累計貢獻率80%以上和初始特征值大于1的原則抽取因子。由于本研究參與分析的樣本數(shù)量多達42個，因子數(shù)量為15個，樣本數(shù)與因子數(shù)都較大，故提取代表性的公因子的難度也較大，因此本次分析結(jié)果76.48%接近80%，可視為可以接受的范圍。本研究獲得6個公因子，旋轉(zhuǎn)前和旋轉(zhuǎn)后的累計方差貢獻率沒有發(fā)生變化，說明這6個公因子可以用來解釋大汶河流域15個原始變量的基本信息。旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣和各公因子的水質(zhì)主要控制指標，見表8和表9。

表8 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣Table 8 Factor loading matrix after rotation

表9 2019年枯水期與豐水期提取的公因子Table 9 Common factors extracted from both low and high flow periods in 2019

4 討 論

4.1 大汶河水體污染來源分析

大汶河流域水體污染主要分為兩個方面：一方面為水體富營養(yǎng)化(以TN污染為主)；另一方面為水體重金屬污染(以Hg和Se污染為主)。

大汶河沿岸土地利用類型以耕地為主，河流中TN與耕地呈正相關(guān)。這是由于耕地氮肥施加過多加重了水體中TN污染的程度，從而對流域水體形成面源性污染。大汶河水體中重金屬的主要來源是工業(yè)廢水排放，主要來自冶金、化工、紡織等行業(yè)。這是由于近年來該流域內(nèi)工業(yè)化進程的加快使得工業(yè)廢水排放量增加，從而對大汶河流域水體形成重金屬污染。迄今大汶河流域泰安市域內(nèi)仍有省控以上重點污水排放企業(yè)82家，涉及紡織、食品、造紙、化工、冶金、礦業(yè)等行業(yè)。此外，化工、冶煉及燃煤動力等也會產(chǎn)生含有Hg、Se等重金屬的廢氣，通過沉降在土壤和水體中富集。李瑞平等的研究證明泰安市6個縣市區(qū)農(nóng)田土壤Hg含量平均值是山東省土壤元素背景值的17.8倍，土壤中累積的重金屬會隨雨水進入水體，進一步對河流產(chǎn)生污染。

4.2 大汶河流域管理對策

水污染已嚴重威脅著我國的水資源安全，水污染的防治不僅僅是環(huán)境問題，更是關(guān)系到國家安全的戰(zhàn)略性問題，水污染的治理以及河道生態(tài)修復(fù)是我國可持續(xù)性發(fā)展的必要課題。

大汶河流域上游以農(nóng)業(yè)面源污染為主，對于農(nóng)業(yè)面源污染的治理，可參考《重點流域農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理示范工程建設(shè)規(guī)劃(2016—2020年)》，根據(jù)大汶河流域農(nóng)業(yè)面源污染組成的特征，因地制宜地建設(shè)農(nóng)田面源污染綜合防控工程，加強農(nóng)藥化肥的減量增效、農(nóng)業(yè)廢棄物的循環(huán)利用以及畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染治理；同時，要堅持生產(chǎn)生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展，堅持統(tǒng)籌推進，以地方政府為主體，以縣為基本單元，開展農(nóng)業(yè)面源污染的綜合治理。

大汶河流域中、下游以水體重金屬污染為主，且在豐水期污染更為嚴重，表明存在某些企業(yè)在雨季增加不合格污水排放的情況。因此，管理部門應(yīng)加大監(jiān)管力度，提高監(jiān)管信息化水平，設(shè)計多個關(guān)鍵性指標，通過對這些指標的監(jiān)測來判斷工廠的污水處理是否合格，并責令不達標的企業(yè)停業(yè)整頓，同時將污染重的企業(yè)遷離重要水源地；同時，應(yīng)制定激勵政策，鼓勵企業(yè)開展污水治理技術(shù)創(chuàng)新，既保證了生態(tài)效益又保證了經(jīng)濟效益。此外，工業(yè)企業(yè)應(yīng)響應(yīng)國家號召，按照污染物總量控制的原則，擴建污水處理設(shè)施，增強污水處理的能力，提高水資源的利用率；與政府共同協(xié)商，大力推動清潔生產(chǎn)，優(yōu)化工業(yè)園區(qū)廢水排放管理。

除此之外，河長制是現(xiàn)階段水環(huán)境治理中的一種新型的行政管理體制，即由各級黨政主要負責人擔任“河長”，各自負責轄區(qū)內(nèi)河流的污染治理職責,并明確其責任、剛性化考核，在水環(huán)境治理中發(fā)揮其“領(lǐng)頭羊”的作用，同時還要加強監(jiān)督，構(gòu)建科學(xué)、有效的監(jiān)督管理體系。

水體污染的治理需要多方力量的共同參與，政府有關(guān)部門要扮演好“服務(wù)者”的角色，企業(yè)是主體，個人是“監(jiān)督者”，要做到“共同治理，全民參與”。

5 結(jié) 論

大汶河流域水體整體水質(zhì)以Ⅴ類水為主，流域內(nèi)枯水期Ⅴ類水質(zhì)斷面占比為66.7%，豐水期Ⅴ類水質(zhì)斷面占比為81%。流域內(nèi)水體中主要污染物以TN、Hg和Se等為主。

從時間變化來看，大汶河枯水期水質(zhì)明顯優(yōu)于豐水期；從空間變化來看，大汶河上游至下游水質(zhì)污染程度逐漸加重。

大汶河流域水體整體以面源性污染為主，水體污染主要分為兩個方面：一方面為水體富營養(yǎng)化(以TN污染為主)，主要與農(nóng)藥、化肥的使用有關(guān)；另一方面為水體重金屬污染(以Hg和Se污染為主)，主要與工業(yè)廢水排放有關(guān)。