安寧河流域(攀枝花市段)主要污染物特征及水質(zhì)變化分析

羅小利，楊 玖，張 利

(1.攀枝花市米易生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，四川 攀枝花 617000；2.四川省攀枝花生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 攀枝花 617000； 3.攀枝花市仁和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，四川 攀枝花 617000)

前 言

隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷提高和人類社會快速發(fā)展，污染物排放加劇，大量污染物不斷通過地表徑流排入天然河流，導(dǎo)致河流被污染得十分嚴(yán)重。近些年來，由于各地都在強(qiáng)調(diào)GDP，安寧河上游增加不少的工業(yè)企業(yè)，很多工業(yè)廢水、廢渣、廢料都是直接排入安寧河，對整個流域的動植物、人類生產(chǎn)生活造成一定的影響，對生態(tài)環(huán)境造成一定的程度的破壞。雖然這些企業(yè)主要集中在涼山州境內(nèi)，攀枝花段作為下游段，最后匯入雅礱江進(jìn)而流入金沙江，對整個流域造成一定的影響，因此有必要摸清安寧河攀枝花段具體污染情況以及匯入雅礱江之前污染物的情況，研究安寧河攀枝花段水質(zhì)污染現(xiàn)狀對提出水質(zhì)綜合污染防治對策具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，水質(zhì)現(xiàn)狀評價常用的方法有綜合污染指數(shù)法[1]、模糊綜合評價法、灰色系統(tǒng)理論法、單因子評價法、Kendall 檢驗法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等[2]。這些方法均能在一定程度上較好的評價水質(zhì)情況，但是由于水體環(huán)境比較復(fù)雜，一般由多種污染指標(biāo)變量組成，且各變量之間具有不同程度的關(guān)聯(lián)度，可能包含著重疊的信息，利用主成分分析方法對河流水質(zhì)評價具有很好的評價效果[3]。因此本文根據(jù)2016-2020年安寧河攀枝花段水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)狀，采用單因子污染指數(shù)和主成成分兩種分析方法，對安寧河攀枝花段水質(zhì)開展研究，意義在評價安寧河攀枝花段水環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀和為水體污染綜合防治等提供科學(xué)依據(jù)，通過對安寧河流域進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀分析，了解沿岸主要生產(chǎn)企業(yè)及水污染物排污情況，針對性提出安寧河流域水污染防治措施，為環(huán)境保護(hù)管理部門提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 攀枝花境內(nèi)安寧河流域基本概況

安寧河源于橫斷山脈小嶺之陽糯雪山與菩薩崗，分東西兩源，在拖烏區(qū)匯合后進(jìn)入大橋水庫，后流經(jīng)復(fù)興鎮(zhèn)、瀘沽鎮(zhèn)、冕寧縣、西昌市、德昌縣，于烏龜石電站處進(jìn)入攀枝花市米易縣，后于攀枝花市米易縣得石橋處匯入雅礱江，安寧河是雅礱江下游左岸的最大支流。

1.2 攀枝花市境內(nèi)安寧河流域的企業(yè)分布概況

安寧河流域攀枝花段有29家重點工業(yè)企業(yè)，集中在米易縣，涉及污水排放的企業(yè)有4家，其他企業(yè)不涉及污水排放，污水排放量較大的企業(yè)為攀枝花東方鈦業(yè)有限公司。

攀枝花市境內(nèi)安寧河沿岸企業(yè)分布以丙谷為界，丙谷以北，以球團(tuán)廠，石材加工廠及洗選廠為主。其中球團(tuán)廠及長坡花崗石園區(qū)廢水以生活區(qū)生活廢水為主；丙谷以南以釩鐵鈦企業(yè)為主。

1.3 安寧河攀枝花段監(jiān)測斷面設(shè)置

安寧河攀枝花段例行監(jiān)測斷面現(xiàn)為昔街大橋斷面、黑灣子斷面、灣灘電站斷面，其中昔街大橋斷面為米易縣入境斷面。具體詳見表1、圖1。2016年前三個季度數(shù)據(jù)為縣城大橋斷面，第四季度監(jiān)測斷面為黑灣子斷面。

表1 安寧河攀枝花境內(nèi)監(jiān)測斷面Tab.1 the geographic coordinate of monitoring sections of Anning River

圖1 安寧河攀枝花境內(nèi)監(jiān)測斷面示意圖Fig.1 Diagram of monitoring sections in Panzhihua of Anning River

1.4 數(shù)據(jù)來源

各監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)均來自于米易縣環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測報告和攀枝花市環(huán)境監(jiān)測中心站監(jiān)測報告。監(jiān)測頻次為每季度一次，全年共監(jiān)測4次，監(jiān)測方法采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.5 水質(zhì)評價方法

本文主要選取總氮(TN) 、總磷(TP) 、高錳酸鹽指數(shù) (CODMn) 、氨氮(NH3-N) 、五日生化需氧量(BOD5) 、化學(xué)需氧量(CODCr)、水溫、pH、溶解氧(DO)、糞大腸菌群等10項指標(biāo)進(jìn)行評價。

1.5.1 綜合污染指數(shù)法

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》(環(huán)辦[2011]22號)進(jìn)行評價。其中，污染分擔(dān)率計算公式如下：

Ki=Pi/P×100%

(1)

式中：Ki—i污染物在諸污染物中的污染分擔(dān)率；Pi-i污染物單因子污染指數(shù)。P-各項污染指數(shù)之和。

單因子污染指數(shù)公式如下：

(2)

綜合污染指數(shù)公式如下：

(3)

式中：Pj為綜合污染指數(shù)；Pi為單項因子污染指數(shù)；Ci為監(jiān)測因子i監(jiān)測濃度值，mg/L；Si為評價標(biāo)準(zhǔn)值[4]。選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值。

1.5.2 主成分分析法

主成分分析主要是通過更加有效地利用數(shù)據(jù)，用較少的指標(biāo)來代替原來較多的變量，同時又要求這些較少的指標(biāo)盡可能多地反映原始數(shù)據(jù)變量的信息，且這些原始指標(biāo)之間又互不相關(guān)；用較少的變量去解釋原始數(shù)據(jù)中的大部分變異，它的思想是利用降維思想將多個互相關(guān)聯(lián)的數(shù)值變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個互不相關(guān)的綜合指標(biāo)統(tǒng)計方法[5]。主要步驟是(1)首先將原有的變量標(biāo)準(zhǔn)化，然后計算各變量之間的相關(guān)矩陣、該矩陣的特征根和特征向量，最后將特征根由大到小排列，分別計算出對應(yīng)的主成分。(2)確定主成分的個數(shù)，通過累計貢獻(xiàn)率，當(dāng)前k個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到某一特定值(一般采用70%以上)時，則保留前k個主成分；特征根，一般選取特征根≥1的主成分。

在安寧河攀枝花段水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價中，監(jiān)測指標(biāo)都反映了水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量在不同程度上的一些信息，運(yùn)用主成分分析可以得到少數(shù)幾個新的綜合因子，并在主成分的因子中保留原始監(jiān)測指標(biāo)對水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的主要影響程度，從而對監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行篩選，避免主觀隨意性，是一種簡單有效的環(huán)境質(zhì)量綜合評價方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 攀枝花市境內(nèi)安寧河流域水質(zhì)近五年變化趨勢

圖2 攀枝花境內(nèi)安寧河監(jiān)測斷面各監(jiān)測指標(biāo)2016～2020年水質(zhì)變化Fig.2 Water quality changes of monitoring indexes in monitoring sections of Anning River in Panzhihua from 2016 to 2020

從圖2可知，各斷面溶解氧隨著時間呈季節(jié)性變化，夏季各斷面溶解氧低于其他時期，可能跟水溫和污染物排放量有關(guān)。空間上看，昔街大橋斷面(入境斷面)溶解氧均高于與其他斷面變化，黑灣子斷面與灣灘電站斷面變化趨勢一致，這表明灣灘電站受上游斷面的影響較大同時受到河流兩岸污染物的影響。三個斷面總氮濃度總體趨勢隨著時間的增加而增加，且均在三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值以上。從空間上分析，昔街大橋斷面(入境斷面)總氮濃度總體上低于其他兩個斷面，控制斷面黑灣子斷面總氮濃度最大值為3.59mg/L，下游灣灘電站總氮濃度與昔街大橋斷面總氮濃度均低于黑灣子斷面，這表明總氮濃度受攀枝花境內(nèi)兩岸工業(yè)或者農(nóng)業(yè)面源污染，且在下游隨著河流的自凈和稀釋作用，水體總氮濃度降低。影響總氮的因素很多，如水庫富營養(yǎng)化、農(nóng)業(yè)面源氮肥和有機(jī)肥施放不合理和生活污水影響等因素均會造成總氮的升高。該指標(biāo)僅作為參考指標(biāo)而不參與水質(zhì)評價。糞大腸菌群個數(shù)各斷面均呈現(xiàn)出周期性變化，且可以看出，各斷面糞大腸菌群個數(shù)在1月份較低，而在4、7、10月份明顯較高。高錳酸鹽指數(shù)近五年變化不大，在2016年和2017年7月份高錳酸指數(shù)高于其他時間，灣灘電站高錳酸鹽指數(shù)接近三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，后期隨著時間無顯著性變化，且各斷面變化趨勢一致。安寧河整個流域水溫隨著季節(jié)變化而變化，各斷面變化趨勢一致；各斷面pH值在2016～2017年波動較大，隨后變化不大，均呈弱堿性?？偭诐舛冉迥瓴▌虞^大，整體變化趨勢降低，入境斷面昔街大橋總磷濃度大部分時間低于其他兩個斷面，且黑灣子斷面與灣灘斷面變化趨勢較一致，這表明下游各斷面受上游斷面影響較小，灣灘斷面受黑灣子斷面影響較大。隨著時間的推移，三個斷面總磷濃度變化趨勢較一致，這可能是采取一定的環(huán)保措施后和水體的自凈作用導(dǎo)致的。

各斷面監(jiān)測指標(biāo)溶解氧、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量均在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以下，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[6]，糞大腸菌群和總氮均有不同程度的超標(biāo)。

2.2 綜合污染指數(shù)

從污染因子的污染分擔(dān)率來分析：即表達(dá)單項污染因子指數(shù)對綜合水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)大小，污染分擔(dān)率高的因子即為水體的主要污染物。由圖3可見，安寧河(三個斷面)主要污染因子排序從大到小均為糞大腸菌群、總氮、溶解氧。其中糞大腸菌群均能達(dá)到25%以上。

圖3 各斷面污染因子分擔(dān)率(2016～2020年)Fig.3 The contribution rates of pollution factors in each section from 2016 to 2020

綜合污染指數(shù)均能反映河流水質(zhì)污染狀態(tài)，根據(jù)圖4 結(jié)果顯示，2016～2019年昔街大橋斷面綜合污染指數(shù)均大于其他兩個斷面，這表明昔街?jǐn)嗝嬷饕鞘苌嫌螞錾蕉蔚挠绊懀渌麅蓚€斷面綜合污染指數(shù)較低，表明水體的自凈和稀釋作用大于所受周邊污染物的影響；2020年昔街?jǐn)嗝婢C合污染指數(shù)低于其他兩個斷面，由此安寧河攀枝花境內(nèi)水質(zhì)污染主要受攀枝花境內(nèi)污染物的影響。

2.3 監(jiān)測斷面之間及主要污染物相關(guān)性分析

2.3.1 監(jiān)測斷面之間的相關(guān)性分析

由表2可見，灣灘斷面主要污染因子pH值、溶解氧、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷、糞大腸菌群個數(shù)均與上游黑灣子斷面呈顯著性正相關(guān)；與昔街大橋斷面(入境斷面)只有pH值、溶解氧呈顯著正相關(guān)，其他污染因子不顯著，這表明灣灘電站斷面主要受上游黑灣子斷面

圖4 各斷面綜合污染指數(shù)變化(2016～2020年)Fig.4 Changes in the comprehensive pollution index in each section from 2016 to 2020

的影響。黑灣子斷面主要污染物因子除了pH值與溶解氧，均未出現(xiàn)顯著相關(guān)性，表明受上游污染較小。

黑灣子斷面主要污染因子氨氮與上游昔街大橋變化趨勢相關(guān)性不明顯；灣灘斷面與上游黑灣子斷面基本相符。安寧河黑灣子斷面水體中高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量及生化需氧量與上游入境斷面—昔街?jǐn)嗝孀兓厔菹喾?，說明水體中還原性污染物受上游來水影響很大；氨氮與上游變化趨勢相關(guān)性不明顯，說明受上游來水影響較小，可能是受周邊農(nóng)業(yè)面源和生活污水影響。安寧河灣灘斷面水體中高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量及生化需氧量主要受上游黑灣子來水影響以及受周邊農(nóng)業(yè)面源和生活污水影響；氨氮受上游來水、周邊農(nóng)業(yè)面源和生活污水影響。

表2 各斷面污染物指標(biāo)之間的關(guān)系Tab.2 The relationship between the pollutant indexes of each section

2.3.2 各污染物之間的相關(guān)性分析

通過Spearman相關(guān)性分析，可以看出(見表3)，水溫與溶解氧、生化需氧量呈顯著負(fù)相關(guān)，與糞大腸菌群呈顯著正相關(guān)，這說明各斷面糞大腸菌群個數(shù)變化呈周期性變化，前后相互印證，糞大腸菌群個數(shù)變化主要是受水溫變化的影響。pH值、溶解氧與化學(xué)需氧量呈顯著正相關(guān)，溶解氧與高錳酸鹽指數(shù)、糞大腸菌群個數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；生化需氧量與化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)呈顯著正相關(guān)；高錳酸鹽指數(shù)與生化需氧量、糞大腸菌群呈顯著正相關(guān)；總磷與總氮呈顯著負(fù)相關(guān)；總氮與氨氮呈顯著正相關(guān)，與生化需氧量、化學(xué)需氧量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 污染物Spearman 相關(guān)分析Tab.3 Spearman correaltion Analysis of pollutant indexes

2.4 主成分分析

由分析可知，得到特征值及解釋方差和得分系數(shù)(見表4和表5)。根據(jù)累積貢獻(xiàn)率達(dá)到特定值(一般采用70%以上)保留相應(yīng)的主成分，特征根≥1，可提取3個主成分。灣灘斷面主成份累積貢獻(xiàn)率達(dá)到74.5%，結(jié)合各污染物指標(biāo)矩陣，第一主成份包含原變量CODCr、CODMn和TP；第二主成分包含DO和糞大腸菌群；第三主成分包含NH3-N和BOD5量，可推斷為流域段以生活污染源和水生植物的生理作用。黑灣子斷面主成份累計貢獻(xiàn)率達(dá)到71.8%，提取三個因子特征根均大于1，第一主成份包含原變量CODCr和BOD5；第二主成分包含糞大腸菌群；第三主成分包含NH3-N，受周邊農(nóng)業(yè)面源和生活污水影響；昔街大橋斷面主成份累計貢獻(xiàn)率達(dá)到75.2%，第一主成分包含TN和NH3-N，第二主成分包含DO，第三主成分包含糞大腸菌群主要受周邊農(nóng)業(yè)面源和生活污水影響。

表4 各斷面解釋的總方差Tab.4 Total variance of interpretation of each section

表5 各斷面成分矩陣Tab.5 Component matrix of each section

主成份分析結(jié)果顯示，昔街?jǐn)嗝嫠|(zhì)主要受糞大腸菌群、溶解氧和總氮等的影響，這與污染因子分擔(dān)率計算分析結(jié)果相同；黑灣子斷面水質(zhì)主要受化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、糞大腸菌群和氨氮等污染因子的影響；灣灘斷面水質(zhì)主要受化學(xué)需氧量、溶解氧和氨氮等污染因子的影響。黑灣子斷面與灣灘斷面水質(zhì)均受化學(xué)需氧量和氨氮的影響，兩個斷面相關(guān)性較大，這與監(jiān)測斷面相關(guān)性分析結(jié)果一致。

2.5 安寧河流域廢水污染排放現(xiàn)狀及建議

安寧河接納了所在流域工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水，加上畜禽養(yǎng)殖以及農(nóng)業(yè)面源污染，水環(huán)境壓力較大。根據(jù)2016～2019年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，流域內(nèi)年均廢水排放量在1 766萬t，其中工業(yè)源約占60%以上，生活污染物源占37%，其中化學(xué)需氧量、總氮和氨氮的年均排放量分別為3416t、421t、337t。因此應(yīng)主要以工業(yè)廢水治理為主，主要提出以下建議：一是強(qiáng)化工業(yè)廢水處理，加大工業(yè)節(jié)水改造力度；二是加強(qiáng)生產(chǎn)廢水由企業(yè)內(nèi)部自行處理，循環(huán)再利用。

3 結(jié) 論

3.1 各斷面監(jiān)測指標(biāo)DO、TP、CODMn、NH3-N、BOD5、CODCr均在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值以下，各斷面糞大腸菌群和總氮均有不同程度的超標(biāo)。

3.2 從污染因子的污染分擔(dān)率分析的結(jié)果來看，糞大腸菌群、TN、DO為安寧河三個斷面的主要污染物；從主成分分析法結(jié)果顯示，河流水質(zhì)變化的主要污染因子為CODCr、DO、NH3-N、TN和糞大腸菌群。

3.3 總體上，河流大部分水質(zhì)指標(biāo)均呈現(xiàn)逐年好轉(zhuǎn)的趨勢，特別是TP、CODMn、CODCr和BOD5，但TN和糞大腸菌群仍是河流的重要污染指標(biāo)。安寧河流域攀枝花段水質(zhì)主要受攀枝花境內(nèi)人類生產(chǎn)活動的影響，相關(guān)管理部門應(yīng)重點關(guān)注TN和糞大腸菌群的流入，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化流域內(nèi)環(huán)境綜合整治，加強(qiáng)工業(yè)廢水的處理，控制農(nóng)業(yè)面源污染，加快推進(jìn)污水處理能力建設(shè)，控制TN和糞大腸菌群的輸入，防止流域水質(zhì)惡化，提高水環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。