灤河支流水質(zhì)評(píng)價(jià)及農(nóng)業(yè)面源污染來(lái)源的相關(guān)性

郝桂珍，熊曉瑩，趙勇，范慧雙，徐利，3

（1.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；3.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056009）

0 引 言

河流作為地表水的重要組成部分，中國(guó)整體水質(zhì)在2009-2019年趨于改善[1]，但其污染問(wèn)題依舊嚴(yán)重[2-4]。根據(jù)全國(guó)污染普查公報(bào)可知，在點(diǎn)源污染得到控制的當(dāng)下，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)逐漸發(fā)展為造成水體富集污染物總氮、總磷的主要來(lái)源。

21世紀(jì)以來(lái)，農(nóng)田、農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖和生活排污是造成水體氮、磷富營(yíng)養(yǎng)化的主要來(lái)源[5]，并隨著降雨量和流量的增加，大量氮素、磷素隨水土流失進(jìn)入水體，同步出現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷偏高的情況[6]。王萌指出[7]大部分研究未將總氮納入地表水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系當(dāng)中,僅考核總磷來(lái)判斷農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響存在偏差。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法（試行）》可知，河流斷面水質(zhì)類別評(píng)價(jià)采用單因子評(píng)價(jià)法的結(jié)果，即根據(jù)評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)該斷面參評(píng)的指標(biāo)中類別最差一項(xiàng)來(lái)確定。但承德支流總氮污染嚴(yán)重超標(biāo)，單因子評(píng)價(jià)結(jié)果受個(gè)別指標(biāo)影響，發(fā)生較大偏差，無(wú)法全面合理體現(xiàn)整體污染情況。目前較常見的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的方法還有內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法、主成分分析法、加拿大水質(zhì)指數(shù)法（CCME WQI）等。內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法是國(guó)內(nèi)外進(jìn)行地表水綜合污染指數(shù)計(jì)算的最常用方法之一，但該方法是在超標(biāo)倍數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分指數(shù)平均值及最大值比較，過(guò)分突出分指數(shù)最大因子對(duì)水質(zhì)的影響，忽略了各污染因子權(quán)重問(wèn)題[8]。劉金英[9]指出灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法存在離散程度大，不存在不產(chǎn)生序列效應(yīng)同時(shí)滿足規(guī)范性的關(guān)聯(lián)度量化模型。主成分分析法是將多維因子在降低維度后納入同一體系，避免少數(shù)污染指標(biāo)對(duì)水質(zhì)類別的決定性影響，更加客觀的綜合分析水質(zhì)類別[10-12]。根據(jù)潘犖等人[13]的研究發(fā)現(xiàn)，CCME WQI不僅適用于飲用水水質(zhì)的評(píng)價(jià)，也可用于河流水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)；CCME WQI評(píng)價(jià)法相較于內(nèi)梅羅評(píng)價(jià)法和單因子評(píng)價(jià)法考慮了不同污染因子對(duì)水質(zhì)的影響程度，評(píng)價(jià)結(jié)果以更直觀嚴(yán)格的百分評(píng)分制體現(xiàn)[14]；并在我國(guó)汾河水庫(kù)及上游河段[15]、鰲江感潮河段[16]、渭河寶雞段[17]等河流水體的水質(zhì)評(píng)價(jià)中驗(yàn)證其可重復(fù)性，加拿大水質(zhì)指數(shù)成功運(yùn)用于國(guó)內(nèi)外地表水環(huán)境評(píng)價(jià)中[15-18]。

承德市水資源匱乏，主要河流普遍受到污染，且污染程度逐年上升[19,20]。灤河作為貫穿研究區(qū)域的主要水系，肩負(fù)著向下游天津、唐山地區(qū)輸水供水的重任，同時(shí)也是京津冀地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)地之一。承德以傳統(tǒng)農(nóng)耕養(yǎng)殖作為主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源，是氮素、磷素污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域之一，城鎮(zhèn)化程度不高，未開發(fā)的林地在全市面積中具有較高的占比[21]。農(nóng)田、果林化肥施用量逐年增加，但由于承德農(nóng)業(yè)耕作方式較為落后，化肥利用率低，對(duì)林地保護(hù)意識(shí)不足，導(dǎo)致水土流失，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)面源污染情況復(fù)雜且缺乏相關(guān)研究。

為進(jìn)一步保護(hù)京津冀飲用水供應(yīng)的安全，響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，深化“綠水青山就是金山銀山”的理念，支持“八百里灤河水質(zhì)保護(hù)”工程，研究重點(diǎn)支流污染物變化情況，分析承德地表水主要污染來(lái)源及農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)支流水質(zhì)的影響，將對(duì)灤河承德段部分支流水污染治理和水資源管理的理論和實(shí)踐做出貢獻(xiàn)，具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

承德市地處河北省東北部，處于華北和東北兩個(gè)地區(qū)的過(guò)渡地帶。全市總面積39 788.71 km2，屬于溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，全市河流常年有水，汛期洪水暴漲暴落。承德市主要河流——灤河，位于河北省的東北部，河流全長(zhǎng)885 km，干流呈東南向，橫穿燕山和冀東平原，流域面積4.49 萬(wàn)km2，承德市境內(nèi)干流長(zhǎng)486 km，流域面積2.86萬(wàn)km2。灤河進(jìn)入承德境內(nèi)后匯入興洲河、伊遜河、武烈河、柳河、瀑河等支流，是一條單一獨(dú)立的入海水系。

伊遜河、武烈河、瀑河及柳河作為灤河在承德地區(qū)的主要二級(jí)支流，受承德當(dāng)?shù)貧夂?、地理?xiàng)l件的影響，降水多集中于夏季，歷史上曾多次發(fā)生洪水災(zāi)害，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了負(fù)面影響。伊遜河發(fā)源于河北省圍場(chǎng)縣哈里哈鄉(xiāng)，流經(jīng)隆化縣和灤平縣，屬于灤河流域的較大支流，水量變化較大。武烈河流域地處灤河中游，建有數(shù)目較多的水利設(shè)施，深受人類活動(dòng)的影響。瀑河流域依靠其原有的自然資源，旅游業(yè)發(fā)展較好，雖然及時(shí)治理了一些污染企業(yè)，但近幾年由于采礦作業(yè)，植被減少，水質(zhì)遭到破壞，瀑河水量銳減。柳河發(fā)源于興隆縣，最終匯入灤河，地勢(shì)起伏較大，水流陡急。四條支流在承德境內(nèi)匯入灤河，形成了自己獨(dú)特的流域文化，對(duì)研究承德地區(qū)水環(huán)境狀況具有一定的代表意義。

1.2 采樣與研究方法

1.2.1 采樣

選取伊遜河、武烈河、瀑河及柳河作為研究對(duì)象，共14個(gè)斷面，采樣時(shí)間為2017-2020年（月中采樣）。其檢測(cè)數(shù)據(jù)作為研究灤河中游主要支流水質(zhì)的依據(jù)，采樣點(diǎn)及編號(hào)如圖1和表1所示。

表1 采樣點(diǎn)編號(hào)Tab.1 Sample point number

圖1 研究區(qū)域地表水采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Map of the distribution of surface water sampling points in the study area

選用全不銹鋼水樣采集器，采集亞表層水體（水下0.5 m），河寬小于50 m的斷面中泓采樣，大于50 m近左、右岸有明顯水流處混合采樣。水樣運(yùn)輸保存全程均在4 ℃避光恒溫箱內(nèi)，水溫、pH、溶解氧均采用HQ-40D多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其他指標(biāo)24 h內(nèi)實(shí)驗(yàn)室完成檢測(cè)。

檢測(cè)方法采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法，并根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 630-2011）做好質(zhì)量控制。抽檢的10%的平行樣結(jié)果相對(duì)偏差均小于5%，檢測(cè)數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求。

1.2.2 CCME WQI評(píng)價(jià)方法

CCME WQI評(píng)價(jià)法是1995年由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)(UBC)提出的水質(zhì)指數(shù)改進(jìn)而來(lái)[22]。其評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取靈活、評(píng)價(jià)結(jié)果嚴(yán)格直觀，從指標(biāo)的超標(biāo)范圍、超標(biāo)頻率和超標(biāo)幅度3個(gè)角度衡量水體污染狀況，能夠較為全面地評(píng)價(jià)某一時(shí)期的水體質(zhì)量，廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的水環(huán)境評(píng)價(jià)[23,24]。CCME WQI的取值范圍在0～100之間，將水質(zhì)分為極好(94, 100]、良好(79, 94]、中等(64, 79]、較差(44, 64]、極差[0, 44]共5類等級(jí)。

計(jì)算公式如下：

式中：F1為超過(guò)目標(biāo)水質(zhì)限值的指標(biāo)項(xiàng)目百分比，是超標(biāo)指標(biāo)的超標(biāo)范圍；F2為監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值的所有次數(shù)所占百分比，作為超標(biāo)頻率；F3為超標(biāo)幅度；P為超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；N為監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)總數(shù)；q為全部水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中超標(biāo)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；M為水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)；S為在具體某一監(jiān)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的超標(biāo)倍數(shù)；Q為參數(shù)，即各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)倍數(shù)和與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)之比。

然而，CCME WQI作為一種確定性指數(shù)，污染物濃度接近評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果易發(fā)生“躍遷”，并且在設(shè)定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上需要結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和群眾期望，具有一定主觀性[24]。

1.2.3 農(nóng)業(yè)面源污染指標(biāo)流失計(jì)算方法

有研究指出主要農(nóng)業(yè)面源污染濃度與地表水水質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，單憑污染物排放指標(biāo)無(wú)法正確反映主要面源污染物對(duì)水質(zhì)的影響[25]，故引入了畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢物利用率，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染指標(biāo)流失量計(jì)算如下：

式中：TPLi為i類污染指標(biāo)流失總量，kg；Km為第m年畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢物利用率，前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示2017、2018、2019、2020年畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢物利用率分別為60%、66%、70%、75%[26]；Xij為j種畜禽的i類污染指標(biāo)的排放系數(shù)，kg/（頭·a）；Bj為j種畜禽的養(yǎng)殖量（具體數(shù)值見《河北統(tǒng)計(jì)年鑒》）；Lij為j種畜禽的i類污染指標(biāo)的流失率，%。見表2。

表2 畜禽糞便排放系數(shù)與流失率[27]Tab.2 Livestock and poultry manure emission coefficient and loss rate

2 結(jié)果分析

2.1 2017-2020年水質(zhì)情況

武烈河、伊遜河、瀑河及柳河作為重要源頭支流及飲用水源地，各斷面根據(jù)《河北省水功能區(qū)劃》規(guī)定均執(zhí)行地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)包括pH值、溶解氧指數(shù)（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮濃度（NH4+-N）、石油類污染物濃度、化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）、糞大腸菌群等。其中作為主要污染指標(biāo)的pH值、DO、CODMn、BOD5、NH4+-N濃度、石油類污染物濃度均能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)值分別在7.6～9.0、8.9～12.8、1.6～4.2、1.0～3.5、0.07～0.66、0.005～0.044、8～10、8～10 mg/L之間波動(dòng)。

由于數(shù)據(jù)量較大，為了方便觀察數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，繪制了4條河流檢測(cè)指標(biāo)濃度箱線圖，如圖2所示。箱子的寬度在一定程度上代表了數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度，超出的點(diǎn)位可以理解成異常值。

圖2 河流斷面主要污染物檢測(cè)值箱線圖Fig.2 Boxline diagram of the test values of major pollutants in river sections

圖3顯示農(nóng)業(yè)面源污染典型指標(biāo)在研究期間的各斷面月平均濃度變化情況。河流受TN污染情況十分嚴(yán)重，濃度最高可超出地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的12.8倍；武烈河、瀑河、柳河4項(xiàng)污染物濃度在2017年之后有所下降，伊遜河近4年TN檢測(cè)濃度變化不大。TP指標(biāo)濃度僅在2017年李臺(tái)（0.3 mg/L）超過(guò)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，COD僅在2017年的26號(hào)大橋超標(biāo)，濃度為22.7 mg/L，4年檢測(cè)到各斷面NH4+-N月平均濃度均在地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值之下。

圖3 2017-2020年河流斷面主要污染物月平均檢測(cè)值折線圖Fig.3 2017-2020 Line chart of monthly average test values of major pollutants in river sections

糞大腸菌群指標(biāo)的地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值為1 萬(wàn)個(gè)/L，圍場(chǎng)上游（2018-2020年）及黨壩（2017年）出現(xiàn)了超標(biāo)情況。根據(jù)我國(guó)居民的生活習(xí)慣，糞大腸菌群超標(biāo)并不會(huì)影響飲用水水質(zhì)，但會(huì)影響其景觀娛樂功能，并且水廠為進(jìn)行處理投加更多藥物而造成副產(chǎn)物的增加，影響出水水質(zhì)。糞大腸菌群指標(biāo)由于缺乏連續(xù)性數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行具體時(shí)空變化分析。

2.2 CCME WQI水質(zhì)評(píng)價(jià)分析

根據(jù)王坤[16]的分析可知，利用CCME WQI評(píng)價(jià)水質(zhì)類別時(shí)，水質(zhì)目標(biāo)的設(shè)定對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大，若將水質(zhì)目標(biāo)提高一級(jí)，則水質(zhì)評(píng)價(jià)數(shù)值出現(xiàn)不同程度的下降。因此在設(shè)定水質(zhì)目標(biāo)時(shí)，依照相關(guān)文件規(guī)定CCME WQI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ類水體，并根據(jù)水質(zhì)功能類別來(lái)選擇參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)。參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)應(yīng)大于8個(gè)，小于20個(gè)；水質(zhì)指標(biāo)間不應(yīng)存在高度相關(guān)性，避免相關(guān)性水質(zhì)指標(biāo)重復(fù)選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響[22]。參考CCME WQI 2017附錄2初步選擇pH，DO，CODMn，BOD5，NH4+-N，石油類，COD ，TN，TP，糞大腸菌群共10項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。

從表3可以看出，部分指標(biāo)之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)|r|均小于0.8，一般認(rèn)為|r|≥0.8的變量高度相關(guān)。由此可以認(rèn)定各組指標(biāo)未達(dá)到高度相關(guān)的條件?？蓪⑦x擇的水質(zhì)指標(biāo)納入CCME WQI評(píng)價(jià)體系中。

表3 支流斷面CCME WQI水質(zhì)指標(biāo)顯著性分析Tab.3 Significance analysis of CCME WQI water quality indexes in tributary section

河流斷面水質(zhì)類別評(píng)價(jià)采用單因子評(píng)價(jià)法，各支流斷面總數(shù)小于5時(shí)，根據(jù)指標(biāo)濃度的算數(shù)平均值中類別最差的一項(xiàng)確定定類指標(biāo)。該評(píng)價(jià)方法中糞大腸菌群、TN指標(biāo)單獨(dú)評(píng)價(jià)。研究對(duì)象單因子評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于《河北省水功能區(qū)劃》規(guī)定的水功能類別，與CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果有一定差別，而CCME WQI考慮了總氮、糞大腸菌群等超標(biāo)項(xiàng)目的超標(biāo)范圍、超標(biāo)頻率和超標(biāo)幅度，因此得出的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果較合理。

柳河上、下游水質(zhì)較好且相對(duì)穩(wěn)定，CCME WQI評(píng)價(jià)最高值出現(xiàn)在2020年的大杖子（二）斷面，中游26號(hào)大橋斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)較差但逐年好轉(zhuǎn)；武烈河及伊遜河較高的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果有自上游到中下游轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，河流主要污染區(qū)域發(fā)生變更，但伊遜河的水質(zhì)相對(duì)更差；瀑河在中下游水質(zhì)最差，但到2019年，瀑河的水污染情況明顯好轉(zhuǎn)。灤河主要支流整體水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果分布在中等水平（59.51～78.99），并未出現(xiàn)水質(zhì)極好或很差情況；近年來(lái)4條支流的水質(zhì)有明顯好轉(zhuǎn)，河流治理初步出現(xiàn)成效，但伊遜河的源頭污染問(wèn)題情況加重。

根據(jù)CCME WQI評(píng)價(jià)法計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)F1和F3的權(quán)重較高，所以水質(zhì)指標(biāo)項(xiàng)目的選擇和超標(biāo)幅度對(duì)CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果有較大影響。各斷面TN濃度嚴(yán)重超標(biāo)，是影響CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果的主要因素，見表4和圖4。

表4 CCME WQI法與單因子法評(píng)價(jià)2017-2020年支流整體水質(zhì)結(jié)果Tab.4 CCME WQI method evaluates the overall water quality results of tributaries in 2017-2020

圖4 2017-2020年灤河支流各斷面CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果變化情況Fig.4 Changes in CCME WQI evaluation results in various sections of Luan River tributaries from 2017-2020

2.3 降維分析

采用SPSS 25軟件對(duì)所有支流、伊遜河、武烈河、瀑河數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)及Bartlett球形檢驗(yàn)。KMO檢驗(yàn)結(jié)果均大于0.7，Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性概率P值均小于0.001，說(shuō)明本研究水質(zhì)數(shù)據(jù)適合用于主成分分析。旋轉(zhuǎn)后的全部支流數(shù)據(jù)成分矩陣如表5所示。

表5 旋轉(zhuǎn)后的公因子與變量相關(guān)系數(shù)Tab.5 The coefficient of correlation of the rotated common factor to the variable

因子1（占總方差的29.028%）與CODMn、BOD5、NH4+-N、COD有顯著的正相關(guān)關(guān)系，除對(duì)pH存在負(fù)向影響外，其他指標(biāo)均為正相關(guān)關(guān)系。由于生活污水的排放和農(nóng)業(yè)耕作都會(huì)造成水體中有機(jī)物、氮磷污染物含量的明顯上升，且缺乏硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)一步區(qū)分，初步認(rèn)定因子1為生活污水排放或農(nóng)業(yè)耕作造成的污染物流失。

因子2（占總方差的20.583%）可考慮為來(lái)自降水徑流污染影響。根據(jù)表5可知因子2對(duì)DO、TP有顯著作用，指標(biāo)之間存在的相關(guān)性相反；因子2影響加強(qiáng)的同時(shí)也會(huì)造成研究水體變酸、糞大腸菌群的檢測(cè)數(shù)量增加。降雨時(shí)大氣壓強(qiáng)降低，水體中DO值下降，山區(qū)雨水的過(guò)度沖刷會(huì)導(dǎo)致水土流失，未經(jīng)處理的生活污水、垃圾糞便等污染源被降雨徑流直接帶入水中。

因子3（占總方差的19.044%）會(huì)對(duì)pH值上升、堿度增加起顯著的正向作用，對(duì)TN濃度的增加出現(xiàn)顯著的阻礙作用。受到磷元素積累的刺激，浮游生物快速生長(zhǎng)，消耗二氧化碳，使水體pH值上升，分泌藻類多糖[28]，故因子3可認(rèn)為是浮游生物生長(zhǎng)繁殖的影響。因子4（占總方差的11.691%）僅與石油類排放有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，得出因子4為石油的泄露。

通過(guò)主成分分析確定支流存在4個(gè)主要污染源，主要影響因子方差百分比占整體的80.346%，特征值均大于1。總方差排序?yàn)樯钗鬯蜣r(nóng)業(yè)耕作污染（29.028%）＞降雨徑流（20.583%）＞浮游生物的生長(zhǎng)繁殖（19.044%）＞石油泄漏（11.691%）。參數(shù)降維后通過(guò)對(duì)應(yīng)水污染物化學(xué)特征分析來(lái)確定其污染來(lái)源方向，具體的污染物及其量化的判斷仍需進(jìn)一步深入解析。

3 討 論

3.1 利用承德地區(qū)土地利用類型分析污染分布

繪圖數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)注冊(cè)與出版系統(tǒng)的中國(guó)多時(shí)期土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集（CNLUCC）。中國(guó)科學(xué)院在國(guó)家資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，以美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat遙感影像數(shù)據(jù)作為主信息源，通過(guò)人工目視解譯，建成了國(guó)家尺度1∶10比例尺多時(shí)期土地利用專題數(shù)據(jù)庫(kù)。圖5采用CNLUCC中2020年承德地區(qū)土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其分辨率精度為1 000 m[29]。

圖5 2020年承德地區(qū)土地利用情況Fig.5 Land use in Chengde in 2020

研究區(qū)土地利用類型以林地、草地為主體，這是以其獨(dú)特的山區(qū)地形條件造就的；其次是旱地，基本分布在河流兩岸；城鎮(zhèn)用地以聚集點(diǎn)狀分布在伊遜河及武烈河下游、柳河及瀑河上游；農(nóng)村居民點(diǎn)較為分散。

伊遜河的水質(zhì)最差，上游兩岸分布較大規(guī)模的旱田，工業(yè)排污口污水排放量高[20]，畜禽養(yǎng)殖業(yè)較為傳統(tǒng)，出現(xiàn)了糞大腸菌群超標(biāo)的情況；下游存在一定規(guī)模的城市聚集，生活污水排放造成了TP濃度的超標(biāo)；污染物通過(guò)不同途徑的流失造成了TN的積累，在流向上呈上升趨勢(shì)。武烈河中游及柳河的林地、草地覆蓋較高，水土保持較好，污染主要來(lái)源于城鎮(zhèn)居民生活污水排放和山區(qū)降雨導(dǎo)致的局部地區(qū)水土流失。瀑河流域土地覆蓋與其他研究支流差別較大，大面積農(nóng)田沿河分布，地形平坦，植被覆蓋以低矮灌木、草地為主。由此可知不同支流的水污染狀況有很大區(qū)別，水污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率與土地利用類型密切相關(guān)。

3.2 農(nóng)業(yè)面源主要污染指標(biāo)與承德灤河典型二級(jí)支流水質(zhì)相關(guān)性分析

王思如[30]通過(guò)聚類分析法分析了農(nóng)業(yè)面源污染的主導(dǎo)來(lái)源，得出我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染物TN、TP主要來(lái)自于畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田種植，雖然各省污染情況不同，但是兩者之和占比大多數(shù)超過(guò)了90%。因此，承德農(nóng)業(yè)面源污染與支流水質(zhì)相關(guān)性分析采用化肥施用量以及畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的COD、TP、NH4+-N污染量。

根據(jù)2017-2020年《河北統(tǒng)計(jì)年鑒》農(nóng)業(yè)部分，可得到承德4年化肥施用量、全市畜禽出欄量與存欄量，通過(guò)計(jì)算公式得出2017-2020年承德地區(qū)化肥施用量及畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD、TP、NH4+-N指標(biāo)流失狀況，并引入畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢物利用率指標(biāo)，2017、2018、2019、2020年畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢物利用率分別為60%、66%、70%、75%，計(jì)算結(jié)果與CCME WQI水質(zhì)評(píng)價(jià)值進(jìn)行相關(guān)性分析?；适┯昧颗c畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物單位量級(jí)不同，故采用農(nóng)業(yè)面源污染指標(biāo)相對(duì)值（以2017年為標(biāo)準(zhǔn)）與斷面CCME WQI值進(jìn)行擬合。

圖6為Pearson相關(guān)性熱圖，可知瀑河化肥施用量以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要污染指標(biāo)與CCME WQI值存在顯著的負(fù)相關(guān)性，柳河、武烈河、伊遜河4項(xiàng)農(nóng)業(yè)污染指標(biāo)與CCME WQI值無(wú)相關(guān)性。瀑河水質(zhì)會(huì)隨著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)面源污染物的減少而有所改善。根據(jù)|r|值可以看出化肥施用情況對(duì)瀑河水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響最大，但與其他參與相關(guān)性分析的指標(biāo)相差不遠(yuǎn)。承德地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染情況與瀑河流域水環(huán)境的好壞存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，結(jié)果與土地利用情況相吻合。

圖6 主要農(nóng)業(yè)面源污染指標(biāo)與CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果的Pearson相關(guān)性熱圖Fig.6 Pearson correlation heat map of major agricultural non-point source pollution indicators and CCME WQI evaluation results

農(nóng)業(yè)化肥施用量與畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要污染指標(biāo)之間極顯著正相關(guān)，化肥施加量的增長(zhǎng)會(huì)影響畜禽養(yǎng)殖業(yè)造成的氮、磷污染情況加重。由于TPLCOD、TPLTP、TPLNH+4-N計(jì)算結(jié)果均來(lái)自于地區(qū)禽畜養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)量，導(dǎo)致相關(guān)分析出現(xiàn)了嚴(yán)格的線性關(guān)系。根據(jù)唐肖陽(yáng)[31]的結(jié)論可知在漢江流域，農(nóng)業(yè)面源TN污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的污染源是農(nóng)田化肥，TP等污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的污染源是畜禽養(yǎng)殖業(yè)，二者的污染負(fù)荷在空間分布上有很強(qiáng)的一致性。2017年黃河流域畜禽養(yǎng)殖是COD排放量的最直接影響因素，化肥是NH4+-N、TN及TP排放量的最直接影響因素[32]。農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生也與氣象條件密切相關(guān)，降雨徑流是面源污染的主要原因[33,34]。河流在地形相對(duì)平緩的區(qū)域，土壤淋溶、小規(guī)模農(nóng)田退水的不規(guī)則排放和大型農(nóng)田灌區(qū)退水是氮磷進(jìn)入受納水體的主要途徑[35,36]。根據(jù)上述結(jié)果可知，承德地區(qū)主要受農(nóng)業(yè)面源污染影響的河流為瀑河，農(nóng)田化肥施用影響力較高，且化肥的使用是造成NH4+-N、COD及TP污染的不可忽視的影響因素之一。這是由于瀑河流域處在平緩地段，沿河兩岸大面積的農(nóng)田耕種和低覆蓋度的草地不僅造成了水土流失，還使農(nóng)業(yè)污染物通過(guò)雨水進(jìn)入水體。

伊遜河、武烈河、瀑河主成分分析的影響因子存在差異，以及僅有瀑河農(nóng)業(yè)面源污染指標(biāo)與WQI評(píng)價(jià)結(jié)果存在顯著相關(guān)性，同時(shí)證明了在不同的支流水環(huán)境，存在不同的的污染來(lái)源。近年來(lái)城鎮(zhèn)污水逐漸成為伊遜河、武烈河、柳河、瀑河主要的污染貢獻(xiàn)源，同時(shí)瀑河受到農(nóng)業(yè)面源污染的顯著影響。

隨著承德地區(qū)土地開發(fā)利用的加速，城鎮(zhèn)化帶來(lái)的水環(huán)境問(wèn)題逐漸加劇，原有的農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖污染問(wèn)題依舊存在。應(yīng)積極優(yōu)化耕作結(jié)構(gòu)，科學(xué)合理減少化肥的投加，實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；?guī)范化；優(yōu)化市政管網(wǎng)系統(tǒng)，推進(jìn)現(xiàn)代化水處理技術(shù)，加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)督管理，積極推行全面治理與專項(xiàng)專治，解決承德在轉(zhuǎn)型期間的水污染問(wèn)題。

4 結(jié) 論

（1）承德地區(qū)的4條支干河流TN濃度嚴(yán)重超標(biāo)，在2.25～12.80 mg/L之間，其次是受糞大腸菌群、TP、COD污染物超標(biāo)影響；pH值、DO、CODMn、BOD5、NH4+-N、石油類污染物濃度檢測(cè)指標(biāo)均符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

（2）CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果越高，當(dāng)?shù)厮|(zhì)情況越好。柳河在中游斷面水質(zhì)出現(xiàn)惡化，但其在上、下游斷面水質(zhì)良好，評(píng)價(jià)結(jié)果最高可達(dá)到89.00；武烈河及伊遜河的主要污染區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)移，伊遜河的源頭污染問(wèn)題逐年突出；瀑河水質(zhì)評(píng)價(jià)較為穩(wěn)定，整體評(píng)價(jià)結(jié)果在64.84～78.99之間。

（3）初步認(rèn)定污染貢獻(xiàn)率排序?yàn)槌擎?zhèn)化帶來(lái)生活污水或農(nóng)業(yè)耕作＞降雨徑流＞浮游生物的生長(zhǎng)繁殖＞石油泄漏。

（4）僅承德瀑河的農(nóng)業(yè)面源污染指標(biāo)與水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)CCME WQI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，瀑河流域水質(zhì)的好壞受農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的影響，農(nóng)業(yè)化肥施用量和畜禽養(yǎng)殖污染量排放減少，河流水質(zhì)好轉(zhuǎn)；但城鎮(zhèn)污水仍然是伊遜河、武烈河、柳河、瀑河主要的污染貢獻(xiàn)來(lái)源。

（5）承德各支流由于地形起伏變化和周邊土地利用的不同，形成了不同的水環(huán)境條件，水污染荷載及來(lái)源存在較大差異，應(yīng)用CCME WQI評(píng)價(jià)法與主成分分析的研究結(jié)論與其他研究地區(qū)相比具有地域獨(dú)特性。所以對(duì)于承德流域水質(zhì)治理應(yīng)做到專項(xiàng)專治，依據(jù)實(shí)際情況制定相關(guān)政策，科學(xué)治理水污染問(wèn)題。