趙天旸,石成春,謝蓉蓉,3,4,李家兵,3,4,江 華,陳 錦,劉繼輝*
(1.福建師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福建 福州 350007;2.福建省環(huán)境科學(xué)研究院,福建 福州 350013;3.福建師范大學(xué)福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350007;4.數(shù)字福建環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350007;5.福州市環(huán)境科學(xué)研究院,福建 福州 350013)
地表水是人類(lèi)生活和生產(chǎn)的主要來(lái)源,其水質(zhì)直接影響著人們的生活、工業(yè)發(fā)展和人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步[1]。近年來(lái),全球地表水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,流域污染管控是水環(huán)境治理和改善的重要手段,流域水環(huán)境的有效評(píng)估可為水環(huán)境管理提供重要的技術(shù)支撐。
目前,河流水環(huán)境污染情況的評(píng)價(jià)是國(guó)內(nèi)外水環(huán)境保護(hù)相關(guān)研究的熱點(diǎn)之一,Tang M等[2]引入貝葉斯理論和模糊數(shù)理論,提出了一種基于廣義三角模糊數(shù)的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)模型,其可對(duì)長(zhǎng)江武漢段水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Xu S等[3]通過(guò)模擬模糊綜合評(píng)價(jià)(FCE)和采用雅可比法求解特征方程的主成分分析(PCA)來(lái)評(píng)估中國(guó)南四湖流域的水質(zhì)。Huang J C等[4]發(fā)現(xiàn)中國(guó)東部水質(zhì)17.2%的采樣點(diǎn)水質(zhì)條件較差,經(jīng)評(píng)估認(rèn)為糧食生產(chǎn)系統(tǒng)、城市化和其他人為活動(dòng)極大地改變了自然水文和養(yǎng)分循環(huán),是中國(guó)河流水質(zhì)受損的主要原因。Soni Y等[5]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了對(duì)恒河水質(zhì)的估算模型,可為水體內(nèi)部的水質(zhì)制定合適的標(biāo)準(zhǔn)。Yang S W等[6]結(jié)合典型相關(guān)分析和基于距離影響的評(píng)估方法定量化社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和河流水質(zhì)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與河流水質(zhì)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。Zhou P等[7]通過(guò)自組織地圖方法發(fā)現(xiàn)點(diǎn)源污染越大,土地利用和水質(zhì)相關(guān)性越不顯著。閩江流域內(nèi)常駐人口近1 300×104,占福建省人口總量的1/3[8]。近年來(lái)閩江流域水質(zhì)問(wèn)題日益突出。針對(duì)閩江流域水質(zhì)問(wèn)題近年研究較多且管理部門(mén)較為關(guān)切的主要為低氧問(wèn)題[9-11]、流域保護(hù)[12]和氮磷污染[13],此外,閩江口水質(zhì)評(píng)價(jià)[14-15]、經(jīng)濟(jì)和政策[16]和水環(huán)境的時(shí)空分布[17]也是目前閩江流域研究的熱點(diǎn)。
由于我國(guó)系統(tǒng)水監(jiān)測(cè)布點(diǎn)較晚且因數(shù)據(jù)的保密要求,對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列、多監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、全流域干支流覆蓋的水環(huán)境評(píng)估研究較為缺乏?;诖?,本文以閩江流域?yàn)槔占烁芍Я?6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2004—2020年的周數(shù)據(jù),采用季節(jié)性肯達(dá)爾分析法對(duì)研究區(qū)域S1~S16點(diǎn)位各指標(biāo)進(jìn)行多年變化趨勢(shì)分析,并采用時(shí)序全局主成分分析法對(duì)2017—2020年S1~S13點(diǎn)位進(jìn)行主要污染識(shí)別和水質(zhì)綜合評(píng)價(jià),為流域的污染治理和水質(zhì)改善提供技術(shù)支撐。
閩江是福建省境內(nèi)的最大河流,全長(zhǎng)577 km,流域面積60 992 km2(25°23′~28°16′N(xiāo)、116°23′~119°35′E)[18],約占全省面積的一半。閩江(圖1)發(fā)源于武夷山脈,上游建溪、沙溪、富屯溪三條支流在南平市匯合,閩江干流為南平匯合口到入??诤佣?,沿途有吉溪、尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流匯入[8],具有供水、防洪抗旱、養(yǎng)殖、航運(yùn)等多種功能[19]。流域內(nèi)為亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,降雨豐富,植被覆蓋率高[20]。
注:S1.清流長(zhǎng)灌;S2.山峰電站;S3.清流安砂水庫(kù);S4.明溪瑤奢;S5.梅口懸索橋;S6.邵武和順;S7.政和護(hù)田;S8.延平延安;S9.延平南溪;S10.閩侯下西園;S11.閩侯大樟溪;S12.順昌富文;S13.福州原厝;S14.南平水汾橋;S15.閩侯竹岐;S16.長(zhǎng)樂(lè)白巖潭。
從福建省水質(zhì)周報(bào)(http://sthjt.fujian.gov.cn/)收集了閩江流域16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(圖1),S9、S10、S13、S15和S16為干流點(diǎn)位,其余均為支流。其中S1~S11、S12~S13和S14~S16水質(zhì)數(shù)據(jù)覆蓋年份分別為2017—2020年、2009—2020年和2004—2017年。各點(diǎn)位可查年份內(nèi)為每周一次數(shù)據(jù),每個(gè)點(diǎn)位的樣本數(shù)為2 089~8 859不等。主要水質(zhì)指標(biāo)為酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)和氨氮(NH3-N),各指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)自福建省水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站,以水質(zhì)在線分析儀為核心,由取水單位、配水預(yù)處理單元、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)單元、系統(tǒng)控制基站、輔助系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)等部分組成,實(shí)現(xiàn)水樣的自動(dòng)采集、預(yù)處理和水質(zhì)在線分析,采樣和監(jiān)測(cè)探頭位于水下0.5~1.0 m處。
1.3.1 季節(jié)性肯達(dá)爾趨勢(shì)分析法
季節(jié)性肯達(dá)爾趨勢(shì)分析法對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行非正態(tài)分布特征的趨勢(shì)分析,其原理是將每一年同一時(shí)段的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前后比較[21],若前一時(shí)段數(shù)據(jù)記載的數(shù)值較大記為“-1”,反之記為“+1”,通過(guò)對(duì)“+1”和“-1”的數(shù)量進(jìn)行求和,計(jì)算變化趨勢(shì)。若求和大于0,判為上升趨勢(shì);若求和小于0,判為下降趨勢(shì);若求和為0,判為無(wú)明顯變化趨勢(shì)。
假設(shè)一年12月的水質(zhì)數(shù)據(jù)在分布上有相同的概率,建立第n年第p月水質(zhì)數(shù)據(jù)(Xnp)的測(cè)量矩陣X:
當(dāng)α≤0.01,表明季節(jié)性肯達(dá)爾趨勢(shì)分析具有高度顯著性水平;當(dāng)0.01<α≤0.1 時(shí),分析具有顯著性。當(dāng)α值滿足上述條件時(shí),t>0具有顯著性(或高度顯著性) 上升趨勢(shì),t<0具有顯著性(或高度顯著性)下降趨勢(shì),t=0為無(wú)趨勢(shì)[22]。
1.3.2 時(shí)序全局主成分分析法
時(shí)序全局主成分分析法以主成分分析為基礎(chǔ),通過(guò)綜合多個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo),把多數(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)且具有綜合指向的指標(biāo),基于少數(shù)綜合指標(biāo)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析,一般步驟為[23-24]:
設(shè)有n個(gè)樣本,每個(gè)樣本有p個(gè)指標(biāo)變量,構(gòu)成n×p的數(shù)據(jù)矩陣:X=(Xij)n×p,其中i=1,2,…,n,j=1,2,…,p;Xij表示第i個(gè)樣本的第j項(xiàng)指標(biāo)值。
1)采樣Z-score對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理:
2)建立相關(guān)系數(shù)矩陣:
3)計(jì)算特征值、特征向量、主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率:
計(jì)算R的特征值λi(i=1,2…p)及其對(duì)應(yīng)的特征向量uj=uj1,uj2,…,ujp(j=1,2…p),且λ1≥λ2…≥λp即為主成分的方差,方差越大對(duì)總方差的貢獻(xiàn)越大。則可將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)變量轉(zhuǎn)換為主成分Fj=uj1Z1+uj2Z2+…+ujPZP。
4)確定主成分:
將主成分對(duì)應(yīng)的特征值大于1的前 m 個(gè)主成分提取為主成分;
5)計(jì)算綜合得分F:
本文采用季節(jié)性肯達(dá)爾趨勢(shì)分析法對(duì)閩江流域2004—2020年的水質(zhì)變化進(jìn)行趨勢(shì)分析,采用時(shí)序全局主成分分析法計(jì)算5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率確定主要污染物,并計(jì)算2017—2020逐年各點(diǎn)位主成分綜合得分,得到流域內(nèi)水質(zhì)污染的時(shí)空變化分布。
研究區(qū)域各點(diǎn)位2004—2020多年水質(zhì)平均濃度見(jiàn)圖2,由圖2可知,pH范圍為6.68~7.46,DO為6.17~9.12 mg·L-1,COD為1.56~5.35 mg·L-1,TP為0.03~0.20 mg·L-1(不含S16),NH3-N為0.05~1.21 mg·L-1。
從空間分布看:1)靠近入??谔幍闹Я骱透闪鱬H較高,干流中上游pH較低,近入??赟16點(diǎn)位主要受閩江口咸潮上溯的影響使pH升高。其中,建溪(S7:7.12 mg·L-1,S8:7.22 mg·L-1)、富屯溪(S6:6.88 mg·L-1,S12:7.11 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游逐漸升高的趨勢(shì);沙溪(S3:7.15 mg·L-1,S14:6.80 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游逐漸下降;干流(S9:6.93 mg·L-1,S10:6.85 mg·L-1,S15:6.68 mg·L-1,S13:6.86 mg·L-1,S16:7.07 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游先降低后升高。2)DO主要呈現(xiàn)為支流高、干流低,在干流(S9:7.30 mg·L-1,S10:6.17 mg·L-1,S15:6.76 mg·L-1,S13:7.03 mg·L-1,S16:7.18 mg·L-1)自上游到下游出現(xiàn)顯著的高-低-高的波動(dòng)變化。3)S1(5.35 mg·L-1)的COD遠(yuǎn)高于其他點(diǎn)位,其余較高COD出現(xiàn)在松溪上游(S7:2.83 mg·L-1)、沙溪下游(S14:2.69 mg·L-1)、大樟溪下游(S11:2.61 mg·L-1)和福州城區(qū)(S13:2.56 mg·L-1)。在干流(S9:2.46 mg·L-1,S10:1.56 mg·L-1,S15:2.23 mg·L-1,S13:2.56 mg·L-1,S16:3.08 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游先降低后升高。4)TP在S1(5.35 mg·L-1)遠(yuǎn)高于其他點(diǎn)位,在梅口懸索橋S5(0.03 mg·L-1)最低,各支流TP相當(dāng)。5)同COD和TP一致,NH3-N在S1(0.87 mg·L-1)也遠(yuǎn)高于其他點(diǎn)位,其余較高點(diǎn)位位于沙溪下游(S14:0.39 mg·L-1)、富屯溪(S6:0.26 mg·L-1,S12:0.26 mg·L-1)和干流靠近入??谔?S16:0.32 mg·L-1)。此外,干流(S9:0.17 mg·L-1,S10:0.11 mg·L-1,S15:0.21 mg·L-1,S13:0.16 mg·L-1,S16:0.32 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游先降低后升高的狀態(tài)。
采用不同年份同月的數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域各點(diǎn)位主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行季節(jié)性肯達(dá)爾趨勢(shì)分析,結(jié)果見(jiàn)圖3,由圖3可知:1)6個(gè)點(diǎn)位pH呈顯著性或高度顯著性上升,主要分布在富屯溪和沙溪上游、閩侯和大樟溪支流;5個(gè)pH呈顯著性或高度顯著性下降的點(diǎn)位分布在金溪源頭、沙溪上游和靠近入海口;其余點(diǎn)位pH無(wú)顯著變化趨勢(shì)。2)DO除3個(gè)高度顯著性上升趨勢(shì)點(diǎn)位(S6、S13和S14)和2個(gè)高度顯著性下降點(diǎn)位(S5和S15)外,整體均表現(xiàn)為無(wú)明顯變化趨勢(shì),此外,S14在2004年(3.69 mg·L-1)和2005年(4.54 mg·L-1)出現(xiàn)年均DO值較低的情況。 3) COD除3個(gè)呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性上升趨勢(shì)點(diǎn)位(S3、S6和S13)和3個(gè)顯著性或高度顯著性下降點(diǎn)位(S1、S7和S16)外,整體均表現(xiàn)為無(wú)明顯變化趨勢(shì)。4)區(qū)域內(nèi)10個(gè)點(diǎn)位的TP呈顯著性或高度顯著性下降,干流和除大樟溪之外的各支流均有分布;2個(gè)TP呈顯著性或高度顯著性上升的點(diǎn)位,位于大樟溪和閩侯縣竹岐鄉(xiāng)。S1在2017—2018年年均TP較高,分別為0.261 mg·L-1和0.207 mg·L-1。5)9個(gè)點(diǎn)位NH3-N 呈顯著性或高度顯著性下降,干流、松溪上游、大樟溪和沙溪均有分布;富屯溪的2個(gè)點(diǎn)位呈顯著性或高度顯著性下降;較高年均NH3-N出現(xiàn)在2017年的 S1(1.108 mg·L-1)和2018年的S12(1.213 mg·L-1)。
注:圖中↑為顯著性上升;↑↑為高度顯著性上升;↓為顯著性下降;↓↓為高度顯著性下降;○為無(wú)變化。
采用時(shí)序全局主成分分析法識(shí)別研究區(qū)域2017—2020年的主要污染物,由于S16為近海點(diǎn)位,不監(jiān)測(cè)TP,而且2018—2020年缺少S14和S15監(jiān)測(cè)值,因此評(píng)價(jià)點(diǎn)位為S1~S13,年均變化情況詳見(jiàn)表1。經(jīng)檢驗(yàn)的KMO 取樣適切性量數(shù)為0.703,巴特利特球形度檢驗(yàn)顯著性為0.000,說(shuō)明時(shí)序全局主成分分析法可用于研究區(qū)域的污染分析。以特征值大于1為原則篩選了2個(gè)主成分。各主成分的特征值、方差與累計(jì)方差貢獻(xiàn)率見(jiàn)表2。各指標(biāo)的主成分因子載荷見(jiàn)表3。由表2和表3可知,5 項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)提取的2個(gè)主成分可解釋 75.440%的方差。第一主成分(PC1)為主要項(xiàng),對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為49.763%,其中 NH3-N和TP所占比例較大。結(jié)合閩江流域的實(shí)際水質(zhì)現(xiàn)狀,推斷研究區(qū)域水體污染指標(biāo)可能為NH3-N和TP,主要來(lái)自于農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等人類(lèi)生產(chǎn)生活活動(dòng)[26]。
表1 2017—2020年研究區(qū)域主要水質(zhì)指標(biāo)變化
續(xù)表1
表2 時(shí)序全局主成分分析的特征值、方差和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率
表3 時(shí)序全局主成分分析的因子載荷
對(duì)研究區(qū)域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2個(gè)主成分,按照2017—2020年逐年各點(diǎn)位分別進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(表4),主成分綜合得分越高,排名越前,表示該點(diǎn)位污染物含量越高[27]。由表4可知,在研究區(qū)域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中,閩江干流水質(zhì)評(píng)價(jià)總體優(yōu)于各支流,且閩江干流點(diǎn)位2017—2020四年水質(zhì)呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢(shì),S10點(diǎn)位評(píng)價(jià)得分最低,該處水質(zhì)最好。閩江干流水質(zhì)好轉(zhuǎn)主要受益于近年來(lái)閩江流域生態(tài)整治行動(dòng),尤其是南平市基于“河長(zhǎng)制”,全面落實(shí)閩江南平段的保護(hù)政策,通過(guò)削減養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)、投資污水治理項(xiàng)目、興建污水處理廠和污水管網(wǎng)等綜合治理手段,南平境內(nèi)閩江干流Ⅰ~Ⅲ類(lèi)水質(zhì)比例達(dá)100%[26]。沙溪上游支流水質(zhì)較差,S1連續(xù)四年得分均最高,S4水質(zhì)也不容樂(lè)觀,S2在2020年水質(zhì)突發(fā)惡化。2017—2020年金溪和富屯溪呈好轉(zhuǎn),建溪變化不大,而大樟溪?jiǎng)t呈惡化趨勢(shì)。總體來(lái)看,各支流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位附近都有農(nóng)田、工廠等面源或點(diǎn)源污染,含氨氮、磷和有機(jī)物污水排放較多,因此其水質(zhì)較差,這與程學(xué)寧等[8]研究結(jié)果相符。
表4 2017—2020年研究區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)位主成分評(píng)價(jià)結(jié)果
S1位于文川河流域,其COD、TP和NH3-N均呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性下降趨勢(shì),但各指標(biāo)多年平均濃度均遠(yuǎn)超其他點(diǎn)位(圖2)。文川河所在的永安市存在農(nóng)業(yè)面源污染、生活區(qū)雨污混接、管道破損、污水直排入河等問(wèn)題[28],需要引起重視,加強(qiáng)區(qū)域污染治理。
S3點(diǎn)位COD呈高度顯著性上升。S3位于永安市境內(nèi)的安砂水庫(kù),永安市近年來(lái)工業(yè)化發(fā)展迅速,工業(yè)污染逐年積累,加之安砂水庫(kù)上游的九龍湖景區(qū)旅游業(yè)的大力開(kāi)發(fā)[29],可能對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生一定的壓力。與S1點(diǎn)位類(lèi)似,農(nóng)業(yè)面源污染、生活污水排放對(duì)COD的顯著升高貢獻(xiàn)較大。
S6與S13點(diǎn)位COD雖在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi),但均呈現(xiàn)顯著性上升趨勢(shì)。畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活污水排放[30]和城鎮(zhèn)生活污水排放[31]是COD的主要來(lái)源。S6位于富屯溪中上游流域,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁[32],COD的上升可能與此有關(guān)。而S13位于福州市轄區(qū),上游是閩侯竹岐的農(nóng)業(yè)區(qū)域[33],城鎮(zhèn)生活污水和畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活污水的流入不可避免,由于該點(diǎn)位是福州市轄區(qū)重要飲用水源地,為近60%的福州市民提供飲用水[34],因此對(duì)該點(diǎn)位COD上升趨勢(shì)需要引起重視。
外源性氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入是引起河流富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一。S11和S15靠近人口和工農(nóng)生產(chǎn)集聚區(qū),生活污水、工農(nóng)業(yè)污水和牲畜糞便[8]排放增加了水中TP含量。S15段污染物主要來(lái)自于古田縣和閩侯縣,S11段主要來(lái)自于永泰縣,且兩地流域上游降雨集中,地表侵蝕嚴(yán)重,污染物易滲透入河[8],導(dǎo)致2017—2020年TP值有上升趨勢(shì),需加強(qiáng)對(duì)這兩地的水質(zhì)保護(hù)與管理的關(guān)注。
S6和S12所處的富屯溪中上游流域主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)[31],NH3-N來(lái)源于農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的面源污染。且位于S12上游順昌合成氨廠的排放直接增加該河段的NH3-N含量[35]。
S16位于閩江河口,是內(nèi)陸水與海水的交匯地帶。研究表明S16的pH、COD和NH3-N呈現(xiàn)高度顯著性下降趨勢(shì),推測(cè)受外海低濃度COD和氨氮的影響,河水?dāng)y帶的COD和氨氮在河口水團(tuán)混合過(guò)程中,被海水逐漸稀釋?zhuān)@與袁旗等[36]研究結(jié)果一致??梢灶A(yù)測(cè)未來(lái)水質(zhì)狀況比較樂(lè)觀。
本文采用季節(jié)性肯達(dá)爾分析法和時(shí)序全局主成分分析法,對(duì)閩江流域多年監(jiān)測(cè)水質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),得到以下結(jié)論:
1)閩江流域pH和DO整體上呈現(xiàn)各支流高于干流,干流下游(靠近人口聚居地)高于中上游的狀態(tài)。COD和NH3-N在干流自上游到下游呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。TP干流呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)。S1的COD、TP和NH3-N遠(yuǎn)高于其余點(diǎn)位,需引起注意。
2)通過(guò)季節(jié)性肯達(dá)爾趨勢(shì)分析法分析表明研究區(qū)域pH和DO近年有好轉(zhuǎn)趨勢(shì);但TP和NH3-N污染風(fēng)險(xiǎn)仍然較高,部分點(diǎn)位需提高對(duì)COD的重視。
3)時(shí)序全局主成分分析法識(shí)別出研究區(qū)域目前水體污染風(fēng)險(xiǎn)壓力主要來(lái)自NH3-N和TP,污染風(fēng)險(xiǎn)較為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在閩江各支流,尤其是建溪和大樟溪,需要加強(qiáng)管控。