黃石市磁湖水質(zhì)時空分布及污染源解析

張冬萍，劉蓬，劉琳，劉芫，吳盛嵐，劉勝山，李海波*

1.湖北大學資源環(huán)境學院

2.黃石市生態(tài)環(huán)境局

3.武昌理工學院

磁湖位于長江之濱、黃石市主城區(qū)中心地帶，是典型的城中湖，也是湖北省重點保護湖泊之一[1]。近年來，黃石市政府高度重視磁湖的生態(tài)環(huán)境保護工作，大力推進流域生態(tài)建設(shè)，切實改善了流域的污染現(xiàn)狀[2]。但由于社會經(jīng)濟高速發(fā)展形成的環(huán)境壓力和歷史上高強度礦冶生產(chǎn)形成的環(huán)境污染等矛盾的交織，使得磁湖水質(zhì)未從根本上得到好轉(zhuǎn)[3]，參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》可知，磁湖水質(zhì)類別介于Ⅳ類～Ⅴ類之間，營養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營養(yǎng)化，不能滿足磁湖水環(huán)境功能區(qū)劃Ⅲ類水質(zhì)的要求[4]，主要超標因子為總氮、總磷[5]。為了更好地保護磁湖水生態(tài)系統(tǒng)，筆者在主成分分析（PCA）提取影響磁湖水質(zhì)的最顯著指標并識別出關(guān)鍵污染源的基礎(chǔ)上，采用絕對主成分-多元線性回歸分析（APCSMLR）計算污染源對主要指標的貢獻率[6]，并通過反距離權(quán)重（IDW）插值法來評價磁湖的綜合水質(zhì)情況，分析2015—2019年磁湖水環(huán)境的演變趨勢，以期為磁湖的精準治污提供科學依據(jù)。

1 磁湖概況

磁湖（114°57′E～115°06′E，30°10′N～30°15′N）東臨長江，北與花馬湖相連，南以黃荊山分界，西由東方山與大冶湖相隔[4]。湖體以杭州路為界，分為南、北2個半湖，如兩葉“綠肺”鑲嵌在黃石城區(qū)中央[7-8]。磁湖流域面積為62.2 km2，水面面積8.30 km2，多年平均水位17.9 m，平均水深2.70 m，最大水深4.80 m，正常蓄水位18.5 m，相應(yīng)湖容2 120萬m3[8]。磁湖流域是典型亞熱帶季風性氣候，四季分明、降雨充沛，承擔著黃石市氣候、水體生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能，是集防洪、排澇和休閑游玩于一體的多功能湖泊[9]。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于黃石市環(huán)境監(jiān)測站2015—2019年每奇數(shù)月對磁湖水質(zhì)的監(jiān)測。監(jiān)測指標信息見表1。去除低于檢出限和水質(zhì)優(yōu)于Ⅰ類的數(shù)據(jù)，選取水溫(TW)、pH、電導率(EC)、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、化學需氧量 (CODCr)、總氮 (TN)、總磷 (TP)、氟化物(F)共11個主要水質(zhì)指標作為評價指標。共有12個監(jiān)測點位、660個樣本數(shù)，其中省控點位7 個，分別是 2#（琥珀山莊）、4#（南半湖湖心）、6#（澄月橋）、7#（長虹橋）、8#（理工學院）、9#（北半湖湖心）、10#（鯰魚墩）；市控點位 5個，分別是 1#（下陸港入湖口）、3#（胡家灣泵站處）、5#（銀湖月色處）、11#（青山湖連通港處）、12#（磁湖排江口）。監(jiān)測點位分布如圖1所示。

表1 監(jiān)測指標描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics of monitoring indicators

圖1 磁湖水質(zhì)監(jiān)測點位Fig.1 Water quality monitoring stations in Cihu Lake

2.2 分析方法

2.2.1 主成分分析

主成分分析常用于將原始數(shù)據(jù)的大部分信息集中在幾個新生成的正交主成分中，以減少數(shù)據(jù)矩陣的維度，這些主成分在環(huán)境分析中定義為污染源[10]。本研究污染指標個數(shù)（m）為11，樣本總數(shù)（n）為660，滿足主成分分析樣本數(shù)量條件n≥m+50[11]，主成分得分計算公式如下[12]：

式中：Zk為k監(jiān)測點位標準化的污染物濃度，mg/L；j為PCA過程得到的主成分序號； (AZ)jk為主成分得分；wj為第j主成分的因子系數(shù)；ck為k監(jiān)測點位的污染物濃度；cˉ 為污染物濃度的算數(shù)平均值；σ為污染物濃度的標準差 。

2.2.2 污染源貢獻計算

定量源解析方法主要分為擴散模型和受體模型2類，常用的受體模型有化學質(zhì)量平衡模型（CMB）[13]、正定矩陣因子分解模型（PMF）[14]、主成分分析/因子分析-多元線性回歸（PCA/FA-MLR）等[15]。

（1）由于 (AZ)jk是標準化的值，不能直接用于計算主成分的原始貢獻，需將標準化的因子得分轉(zhuǎn)化為非標準的絕對主成分得分（APCS）才能用于主成分對污染物的貢獻分析。APCS計算公式如下[12]：

式中：i為 水化學因子序號； (A0)j為監(jiān)測點污染物濃度設(shè)為0后的主成分得分；Sij為 因子得分系數(shù)； (Z0)i為監(jiān)測點污染物濃度設(shè)為0后標準化的污染物濃度。

（2）以實測水質(zhì)濃度（C）為因變量，以 APCS為自變量建立多元線性回歸方程，具體公式如下[12]：

式中：amy為 污染源m對污染因子y的回歸系數(shù)；amy×APCSmy為污染源m對污染指標濃度Cy的貢獻；by為多元線性回歸的常數(shù)項。

污染源m對污染因子y的貢獻比例由下式計算[16]：

2.2.3 IDW空間插值法

IDW是空間插值中最常用的方法之一[17]，此法基于地理學第一定律相近相似原理，認為每個采樣點對鄰域的插值點有一定影響，距離越大影響越小[18]，其基本公式如下[19]：

式中：N(S0)為S0處的主成分因子綜合得分插值結(jié)果；N(Si)為在Si處實際監(jiān)測值；n為監(jiān)測點的數(shù)量；Wi為插值計算過程各監(jiān)測點的權(quán)重；di為第i個站點與插值點間的距離；1 /dit為權(quán)重系數(shù)；t為第i個站點到插值點的距離的冪，t越大則越靠近待插值點，對插值結(jié)果的貢獻越大。

使用Microsoft Office Excel 2019和IBM SPSS Statistics 22.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計計算 ，制圖使用Matlab，使用ArcGIS 10.7軟件進行插值計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 主成分分析結(jié)果

3.1.1 主要因子識別

將原始數(shù)據(jù)進行標準化處理后，針對各變量的相關(guān)性進行KMO-Bartlett球形檢驗，檢驗結(jié)果為KMO=0.653、P<0.001，說明各變量之間有較強的相關(guān)性，適合開展因子分析[20]。如圖2所示，基于Kaiser特征值大于1的標準[21]，進行11個水質(zhì)指標分析，共提取出3個主成分。第1、第2、第3主成分（記為F1、F2、F3）累積方差占總方差的76.3%，表明3個因子較為集中地反映了影響因素76.3%的信息量。為使數(shù)據(jù)分析更簡易，選取F1、F2、F3為分析對象，展示磁湖水質(zhì)評價中原始數(shù)據(jù)可提供的大部分信息[22]。為了突出各主成分的典型指標，采用最大方差法對因子載荷矩陣進行正交轉(zhuǎn)換，載荷越大表明相關(guān)性越大[23]，旋轉(zhuǎn)后各指標對各主成分的載荷如圖3所示。

圖2 各主成分特征值碎石圖Fig.2 Scree plot of eigenvalues of each principal component

圖3 各主成分因子載荷Fig.3 Factor loading diagram of each principal component

F1的特征值為4.310，方差貢獻率為39.2%，主要載荷變量包括CODMn、CODCr、TP，載荷分別為0.917、0.839、0.699。CODMn、CODCr均為碳源有機污染物指標[1]，反映出磁湖水質(zhì)受碳源有機污染物的影響。研究表明TP來源于降雨和地表徑流沖刷，CODMn、CODCr等有機污染大部分來源于城市面源[22]，說明F1與有機污染和磷污染有關(guān)。磁湖位于黃石市中心城區(qū)，城市的建筑工地、汽車、路面垃圾、城區(qū)雨水口的垃圾與污水等都是城市面源污染的主要來源。湖周人口聚集，人為活動污染排放和雨天沖刷污染入湖給湖泊帶來污染帶[1-4]。因此，F(xiàn)1可定義為城市面源。

F2的特征值為2.620，方差貢獻率為23.8%，主要載荷變量包括BOD5、NH3-N、TN，載荷分別為0.836、0.698、0.527。BOD5載荷較高，說明污染源排放的污水可生化性較高，故可能來自于少量分散的生活污水的影響[24]。NH3-N、TN等均為氮源營養(yǎng)性污染指標，相關(guān)系數(shù)高說明湖內(nèi)水體營養(yǎng)物質(zhì)失衡，大量藻類生長繁殖。研究表明，磁湖大部分氮元素沉積于底泥中[25]，容易導致湖泊富營養(yǎng)化[1]。生活污水的排入也是造成富營養(yǎng)化的重要因素。磁湖流域涉及黃石港區(qū)、西塞山區(qū)、下陸區(qū)，黃石港區(qū)內(nèi)的工業(yè)企業(yè)在相關(guān)部門的要求下逐年外遷，剩余部分工業(yè)企業(yè)廢水排量較少，且均已被納管截污，該區(qū)污水主要來源于居民產(chǎn)生的城鎮(zhèn)生活污水。下陸區(qū)污染來源以下陸大道兩側(cè)和團城山居住區(qū)產(chǎn)生的城鎮(zhèn)生活污水為主。西塞山區(qū)污水來源集中于磁湖南岸居民區(qū)?？傮w來看，F(xiàn)2可以定義為城鎮(zhèn)生活污染源。

F3的特征值為1.460，方差貢獻率為13.3%，與F3密切相關(guān)的變量包括EC、DO、pH，載荷分別為0.753、0.516、0.047。這些指標皆為水體的理化指標，水體被污染后造成水質(zhì)指標pH、EC和DO發(fā)生變化。pH的高低影響水生植物的光合作用和各類微生物的生長代謝；EC反映磁湖電解質(zhì)程度[1]；水生植物生長繁殖有賴于水中DO水平，湖中生物量的增加會導致DO濃度降低，進而干擾水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展[26]。這些因子受氣象因素影響較大，因此可認定F3為氣象因子[22]。

3.1.2 因子得分

主成分F1、F2、F3的得分分別記為A1、A2、A3，綜合得分記為A。得分越高，說明該區(qū)域水質(zhì)越差[27]。各監(jiān)測點位的因子得分和綜合得分見表2。由表2可知，A1得分較高的點位包括1#（下陸港入湖口）、2#（琥珀山莊）、12#（磁湖排江口），其得分分別為1.250、0.664、0.845，表明這幾個監(jiān)測點位的水質(zhì)主要受城市面源污染影響；A2得分較高的點位包括1#、12#，得分分別為0.944、1.010，表明這幾個監(jiān)測點位的水質(zhì)主要受城鎮(zhèn)生活污染影響；A3得分較高的點位包括1#、2#、3#（胡家灣泵站處），得分分別為 1.370、0.651、0.624，這幾個監(jiān)測點位的水質(zhì)主要受氣象因子的影響。其中點位1#的水質(zhì)受到F1、F2、F3的較高影響，點位2#受到F1和F3的較高影響，點位12#受到F1和F2的較高影響。綜合得分較高的前3個點位依次是1#、12#、2#，表明這3個點位的綜合水質(zhì)較差。監(jiān)測點位1#是磁湖主要港渠入湖監(jiān)測斷面，受到下陸區(qū)生活污水的影響。監(jiān)測點位1#和2#均位于磁湖的南半湖。磁湖橫跨黃石港、西塞山、下陸3個城區(qū)轄地，沿岸分布有大中型企業(yè)50多家。過去在發(fā)展工礦產(chǎn)業(yè)的同時，對環(huán)境保護重視不夠，帶來了一些歷史遺留問題。如分布在磁湖南半湖沿岸的水泥廠、煉鋼廠等重污染企業(yè)，導致南半湖底泥污染嚴重，進而影響了監(jiān)測點位1#和2#的綜合水質(zhì)。

表2 磁湖各斷面水質(zhì)綜合評價結(jié)果Table 2 Comprehensive evaluation results of water quality of each section of Cihu Lake

3.2 污染源解析

利用PCA確定研究區(qū)主要污染源的組成和空間分布，得到污染較顯著的6個水質(zhì)指標（BOD5、CODCr、CODMn、NH3-N、TN、TP），再利用APCSMLR受體模型建立各污染源與6個水質(zhì)指標的函數(shù)關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，除TP外，研究區(qū)主要水質(zhì)指標的預(yù)測值與實測值線性擬合的相關(guān)系數(shù)（R2）為0.77～0.93，各監(jiān)測點位的預(yù)測值與實測值比值接近于 1，BOD5、CODCr、CODMn、NH3-N、TN、TP指標的均方根誤差（RMSE）分別為0.48、1.2、0.23、0.13、0.22、0.02 mg/L，回歸方程的相關(guān)性均為顯著相關(guān)（P<0.05），說明構(gòu)建的APCS-MLR模型基本可靠，對磁湖的污染源計算分配具有很好的適用性[16]。

圖4 磁湖主要污染指標實測值與預(yù)測值對比Fig.4 Comparison of observed and predicted values of key pollution indicators in Cihu Lake

基于構(gòu)建的APCS-MLR模型，計算各污染源對主要水質(zhì)指標的貢獻率，結(jié)果如表3所示。由表3可知，BOD5受F1、F2與未識別源的影響，其貢獻率分別為42%、39%、19%；CODCr受F1及F3影響，其貢獻率分別為88%、12%；CODMn受F1及未識別源影響，其貢獻率分別為76%、24%；NH3-N受F1、F2及未識別源的影響，其貢獻率分別為55%、32%、12%；TN受4類污染源影響，其貢獻率分別為46%、21%、21%、11%；TP受F1、F2及未識別源的影響，其貢獻率分別為67%、10%、23%。

表3 磁湖主要污染指標的污染源貢獻率Table 3 Contribution rates of pollution sources to main pollution indexes in Cihu Lake

城市面源對CODCr、CODMn、TP的貢獻率較大，分別為88%、76%、67%；城鎮(zhèn)生活污染源對BOD5、NH3-N的貢獻率較大，分別為39%、32%。根據(jù)各污染源對污染指標的貢獻率分析可知，磁湖主要污染來源于城市面源及城鎮(zhèn)生活污染。

3.3 IDW插值分析結(jié)果

在SPSS分析計算出的12個監(jiān)測點位的各主成分得分及綜合得分的基礎(chǔ)上，運用ArcGIS軟件進行IDW插值計算，2015—2019年磁湖水質(zhì)變化的分布如圖5所示。由圖5可知，2015年污染較為嚴重的點位有1#、2#、12#；2016年綜合水質(zhì)情況較差的是1#、2#；2017年較嚴重的點位是 1#、2#；2018年較嚴重點位是1#、2#、12#；2019年只有點位1#水質(zhì)較差。從整體上看，2015—2019年水質(zhì)略有好轉(zhuǎn)但變化不明顯。5年分布圖均顯示1#點位污染情況最嚴重，該點位為下陸港入湖口，有多條港渠匯入，主要受工礦產(chǎn)業(yè)歷史發(fā)展導致的底泥淤積和下陸區(qū)城鎮(zhèn)生活污水與地表徑流污染的影響。

圖5 2015—2019年磁湖水質(zhì)時空分布Fig.5 Spatial and temporal distribution of water quality in Cihu Lake in 2015-2019

4 結(jié)論

（1）通過PCA將11個水質(zhì)指標提取為3個重要的主成分，其解釋了原始數(shù)據(jù)集總方差的76.3%。F1（39.2%）主要受到城市徑流的影響，代表城市面源污染；F2（23.8%）指示了造成磁湖富營養(yǎng)化污染的主要原因，受城市生活污水影響，定義為城鎮(zhèn)生活污染源；F3（13.3%）主要含EC、DO、pH 等水體理化指標，其受氣象因子影響，定義為氣象因子。

（2）通過構(gòu)建APCS-MLR受體模型，建立多元線性回歸方程，計算了F1、F2、F3分別對6個水質(zhì)指標BOD5、CODCr、CODMn、NH3-N、TN、TP 的貢獻率。結(jié)果表明，F(xiàn)1對6個水質(zhì)指標貢獻率最大，分別 為88% 、76% 、67% 、55% 、46% 、67% ，F(xiàn)2對BOD5、NH3-N的貢獻率較大，分別為39%、32%。總體看，磁湖主要污染來源為城市面源及城鎮(zhèn)生活污染。

（3）磁湖2015—2019年水質(zhì)時空變化結(jié)果顯示，2015—2019年水質(zhì)略有好轉(zhuǎn)但變化不明顯。尤其是點位1#（下陸港入湖口）污染情況最嚴重。其主要受工礦產(chǎn)業(yè)歷史發(fā)展導致的底泥淤積和下陸區(qū)城鎮(zhèn)生活污水排放的影響。