基于APCS-MLR模型的九洲江廣東段不同水期水質(zhì)變化特征及污染來源解析

摘要：為探究九洲江廣東段水質(zhì)變化特征及其污染來源，選取了2021-2022年九洲江營仔國考斷面自動站逐日水質(zhì)數(shù)據(jù)，利用相關性分析、絕對主成分一多元線性回歸（APCS-MLR）模型對九洲江不同水期水質(zhì)特征及污染來源進行了研究。結(jié)果表明：九洲江營仔斷面豐水期水質(zhì)相對較差，高錳酸鹽指數(shù)、總磷和濁度相較枯水期顯著升高，溶解氧、pH相較枯水期顯著下降；不同水期水質(zhì)指標相關性存在一定差異，與枯水期相比，豐水期pH、溶解氧和濁度與其他水質(zhì)指標的相關性有所增加，而高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和總氮指標間的相關性有所減小；枯水期畜禽養(yǎng)殖源+城鎮(zhèn)生活源對總磷、氨氮和總氮的絕對貢獻率分別為58.47％、48.71％和44.14％，未識別污染源對高錳酸鹽指數(shù)、水溫、pH和電導率的絕對貢獻率分別為63.08％、59.48％、54.90％和52.65％；豐水期農(nóng)業(yè)面源+城鎮(zhèn)面源對總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)的絕對貢獻率分別為51.96％、41.38％和34.78％，氣象因子對溶解氧、pH和氨氮的絕對貢獻率分別為55.66％、40.75％和31.87％。綜合來看，九洲江廣東段水質(zhì)指標枯水期主要受畜禽養(yǎng)殖源+城鎮(zhèn)生活源和未識別污染源的影響，豐水期主要受農(nóng)業(yè)面源+城鎮(zhèn)面源和氣象因子影響，故九洲江廣東段水質(zhì)管控不僅要加強畜禽養(yǎng)殖污染治理、城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)完善，還應注重保障生態(tài)流量、削減汛期面源污染等工作。

關鍵詞：絕對主成分-多元線性回歸模型；污染源解析；不同水期；九洲江

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）02-0401-10 doi：10.11654/jaes.2023-0424

近年來，國家和各級政府部門高度重視生態(tài)環(huán)境保護工作，水污染防治取得了一定成效，但部分流域和斷面改善基礎仍不牢固，持續(xù)穩(wěn)定達標形勢依然嚴峻。開展水環(huán)境污染源解析，定量分析主要污染物來源及其污染負荷相對貢獻量，有助于針對性開展流域水環(huán)境治理。目前常用的方法有排放清單法、流域模型法和統(tǒng)計學方法，絕對主成分一多元線性回歸（absolute principal component score-multiple linear regression，APCS-MLR）模型就是統(tǒng)計學方法中一種典型的受體模型，通過對已知數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，能較好地定量估算污染物來源及其貢獻，近年來已被較多地運用于土壤、地下水、大氣、地表水等污染源解析研究中。基于APCS-MLR模型，杜展鵬等的研究發(fā)現(xiàn)，滇池草海主要的污染源為農(nóng)業(yè)面源、城市面源和內(nèi)源，外海的主要污染源為農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)生活污染源、城市面源和內(nèi)源；張彥等的研究表明，暴雨前河流水質(zhì)指標受到氣象因子和河流水體內(nèi)源的影響較大，暴雨后城市污染源、農(nóng)業(yè)面源對河流水質(zhì)指標的影響增大；Chen等的研究顯示，安徽新汴河流域主要污染源為地質(zhì)過程、農(nóng)業(yè)活動、畜禽養(yǎng)殖、生活污染和交通污染。

九洲江是一條跨粵桂兩?。▍^(qū)）獨流人海的河流。九洲江中游鶴地水庫是廣東省重要飲用水源地，也是環(huán)北部灣廣東水資源配置工程的重要接點站，其水環(huán)境質(zhì)量涉及400多萬人的飲水安全，具有十分重要的政治、社會和經(jīng)濟意義。目前關于九洲江流域的研究多集中于沉積物、水土流失、生態(tài)補償?shù)确矫?，已開展的水質(zhì)評價研究基本集中在九洲江廣西段流域范圍，對于九洲江流域下游廣東境內(nèi)尚無系統(tǒng)的研究。本研究利用九洲江營仔國考斷面地表水水質(zhì)自動站逐日監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用APCS-MLR模型分析了九洲江廣東段不同水期水質(zhì)指標的變化特征和污染來源，以期為九洲江廣東段流域水質(zhì)安全管理提供相關科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

九洲江處于沿海地區(qū)，是一條跨粵桂兩省（區(qū)）獨流人海的河流，發(fā)源于廣西陸川縣文龍徑，流經(jīng)廣西博白縣、廣東廉江市后注入北部灣，干流全長162km。本文研究區(qū)域主要為九洲江廣東段流域范圍，干流河長89 km，流域面積2 145 km2，占全流域總面積的63.1％。地勢以低丘為主，中下游兩岸為狹長的河谷平原，河床平均比降0.47‰。九洲江是研究區(qū)域主要受納水體，水系豐富，廣東省境內(nèi)主要包括武陵河、廉江河、沙鏟河、龍?zhí)逗拥纫患壷Я骷巴哟搴?、塘蓬河、香山河、白馬嶺河、三叉河等二級支流。

九洲江廣東段屬熱帶、亞熱帶氣候，季風氣候明顯，全年日照充足，年平均日照時數(shù)在1760-1 994 h。雨熱同季，多年平均氣溫23℃，多年平均年降雨量為1 715 mm，年內(nèi)降水分布不均勻，多集中在4-9月，約占全年降雨量的80％。多年平均年徑流量為29.14億m3[缸瓦窯（三）水文站]，4-9月汛期徑流占年總量的76.2％。

九洲江干流在廣東省湛江市廉江市橫山鎮(zhèn)附近一分為二人海，其中一條為營仔河向西流經(jīng)營仔鎮(zhèn)匯入北部灣安鋪港，另一條安鋪河向南流經(jīng)安鋪鎮(zhèn)、黎頭沙匯入北部灣安鋪港。安鋪河、營仔河上分別建有高墩水閘、河水閘（又名茅坡水閘）兩座擋潮節(jié)制閘，其中安鋪河高墩水閘常閉，僅泄洪期間才開啟，日常通過營仔河河水閘及其水電站控制九洲江下泄水流，營仔國考斷面水質(zhì)自動監(jiān)測站就位于河水閘后約100m處。

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究選取的九洲江營仔斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)，來源于廣東省環(huán)境監(jiān)測中心地表水自動監(jiān)測預警監(jiān)控平臺審核數(shù)據(jù)，時間范圍為2021年1月1日至2022年12月31日逐日數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標包含水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮共9項水質(zhì)指標。研究中剔除了所有低于檢測限的數(shù)據(jù)。

1.3絕對主成分-多元線性回歸（APCS-MLR）模型

APCS-MLR模型分析參考Cheng等、后康希等、劉莊等的研究方法，首先提取水質(zhì)指標的主成分，將其得分轉(zhuǎn)化為絕對主成分得分（APCS），然后各水質(zhì)指標再分別對所有的APCS進行多元線性回歸分析，最后將回歸系數(shù)用于計算各主成分對應的污染源對某水質(zhì)指標含量的貢獻量。

1.4數(shù)理統(tǒng)計分析

先將2021-2022年九洲江營仔斷面自動站數(shù)據(jù)按照水期劃分，再對不同水期的逐日數(shù)據(jù)進行水質(zhì)變化趨勢、相關性變化特征、主要污染因子識別和污染源貢獻率分析。采用地理信息系統(tǒng)ArcGIS 10.5繪制研究區(qū)域及點位示意圖；采用WPS和SigmaPlot 14.0軟件進行數(shù)據(jù)處理及圖表制作，并通過SPSS 19.0進行顯著性水平分析。

2結(jié)果與討論

2.1九洲江營仔斷面水質(zhì)變化趨勢

2021-2022年九洲江營仔斷面自動站不同水期水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1，根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）（總氮不參評），九洲江營仔斷面2021年、2022年平均水質(zhì)均能達Ⅲ類水標準，水質(zhì)指標年際變化幅度小，其中水溫、pH、溶解氧和高錳酸鹽指數(shù)變化幅度低于5％，氨氮、總氮和濁度變化幅度約為10％，總磷指標變化幅度約為16％。從逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)來看（圖2），九洲江營仔斷面枯水期（1-3月、10-12月）水質(zhì)基本能達到Ⅲ類水，豐水期（4-9月）水質(zhì)明顯下降，高錳酸鹽指數(shù)、總磷顯著升高（Plt;0.01），溶解氧、pH顯著下降（Plt;0.01），其中高錳酸鹽指數(shù)4月、5月、7月和8月平均濃度分別為6.16、6.07、6.06mg·L-1和6.24 mg·L-1，均為Ⅳ類水，這主要與豐水期較高的面源污染負荷有關。根據(jù)統(tǒng)計，九洲江流域2022年豐水期降雨量占年降雨總量的82.63％，較多的泥沙顆粒及陸源污染物隨降雨沖刷入河，導致水體中濁度明顯升高。豐水期較多的污染物匯入，使得水體中高錳酸鹽指數(shù)、總磷濃度明顯升高。水體中污染物的降解過程需要消耗大量溶解氧，導致豐水期水體溶解氧濃度明顯降低。

2.2不同水期水質(zhì)指標相關性變化特征

九洲江營仔斷面自動站不同水期水質(zhì)指標Pearson相關系數(shù)矩陣見表2，由表2可知九洲江營仔斷面不同水期水質(zhì)指標相關性存在一定差異，豐水期pH、溶解氧、濁度與其他水質(zhì)指標的相關性有所增加，而高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和總氮指標間的相關性有所減小，說明豐水期降雨沖刷攜帶較多的污染物匯入河流，加之氣溫較高、閘壩調(diào)度頻繁等，影響了九洲江各水質(zhì)指標間的相互作用。九洲江營仔斷面豐水期水溫相對較高，比枯水期平均水溫高了7.62℃，較高的水溫不僅會降低水體中溶解氧含量（豐水期溶解氧平均濃度比枯水期低了1.36 mg·L-1），也會影響浮游生物的新陳代謝和生長繁殖，進而改變各水質(zhì)指標的濃度及相關性。九洲江流域雨熱同期，豐水期降雨量占全年總降雨量的八成多，大量降雨帶來較多陸源污染物的同時，往往也會造成九洲江河流水位上漲，為保障沿岸用水及防汛安全，營仔河水閘頻繁開關閘（豐水期平均電導率比枯水期降低了40.48％），一定程度上也影響了水質(zhì)指標之間的相關性。

2.3不同水期主要污染因子識別

針對不同水期九洲江營仔斷面水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等水質(zhì)指標進行主成分分析。首先將不同水期水質(zhì)原始數(shù)據(jù)進行標準化處理后進行KMO-Bartlett球形檢驗，檢驗結(jié)果顯示枯水期KMO值為0.529，Bartlett球度檢驗Plt;0.001，豐水期KMO值為0.586，Bartlett球度檢驗Plt;0.001，可以進行主成分分析。本研究選取特征值大于1的成分確定為主成分，其中枯水期提取了3個主成分（DS1、DS2和DS3），其累計方差貢獻率為72.26％，豐水期也提取了3個主成分（WS1、WS2和WS3），其累計方差貢獻率為70.69％，均能較好地反映原始數(shù)據(jù)信息。

枯水期第一主成分DS1特征值為2.94，方差貢獻率為32.64％，主要載荷指標為總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)（表3）。已有研究指出，水體中的氮、磷一般來自生活源和農(nóng)業(yè)面源。根據(jù)《湛江市統(tǒng)計年鑒2022》顯示，2021年廉江市生豬出欄量及年末存欄量分別約134.7萬、87.8萬頭，畜禽養(yǎng)殖總量較大，且相當比例為畜禽散養(yǎng)戶，缺乏糞污處理設施或配套的設施較為落后，部分污染物直排周邊溝渠。近年來廉江市積極推進城鎮(zhèn)污水處理廠及配套管網(wǎng)建設，目前基本補齊了九洲江流域城鎮(zhèn)生活污水處理能力的旱季缺口，但因污水管網(wǎng)建設周期長，尚未能完全發(fā)揮效能，仍有部分區(qū)域生活污水未收集處理直排河道，因此畜禽養(yǎng)殖源與城鎮(zhèn)生活源仍是九洲江流域目前最主要的污染源。故DS1可定義為畜禽養(yǎng)殖源+城鎮(zhèn)生活源?？菟诘诙鞒煞諨S2特征值為2.30，方差貢獻率為25.56％，主要載荷指標為溶解氧、pH、水溫?？菟陂l后營仔斷面水位相對較低，溶解氧、pH、水溫等物理因子變量容易受氣象條件影響，故DS2可定義為氣象因子?？菟诘谌鞒煞諨S3特征值為1.27，方差貢獻率為14.06％，主要載荷指標為電導率、濁度。九洲江流域枯水期水位較低，為了保障沿岸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，營仔河水閘基本不開閘，閘后營仔斷面的電導率很大程度上反映了潮汐漲落的情況，而海水潮汐在底泥擾動較強的情況下也會使水體濁度升高，故DS3可定義為海水潮汐+河道內(nèi)源。

豐水期第一主成分WS1特征值為3.32，方差貢獻率為36.87％，主要載荷指標為總磷、總氮、濁度、高錳酸鹽指數(shù)。總磷作為典型污染因子之一，能較好地反映流域面源污染狀況。九洲江流域畜禽養(yǎng)殖糞污治理水平較低，大多畜禽糞污直排池塘消納或堆積糞污塘，易隨降雨影響周邊水體水質(zhì)，且流域內(nèi)仍以傳統(tǒng)作業(yè)方式為主，化肥、農(nóng)藥施用強度高（2021年化肥、農(nóng)藥使用量分別為71 510、2 303 t），雨季容易造成農(nóng)田氮磷流失，故農(nóng)業(yè)面源是流域豐水期的主要污染來源之一。此外，流域內(nèi)城鎮(zhèn)現(xiàn)狀管網(wǎng)以雨污合流管為主，雨季大量生活污水溢流，影響河流水質(zhì)。因此WS1可定義為農(nóng)業(yè)面源+城鎮(zhèn)面源。豐水期第二主成分WS2特征值為1.75，方差貢獻率為19.47％，主要載荷指標為溶解氧、pH，該變量在自然條件下受氣象條件影響較大，可定義為氣象因子。豐水期第三主成分WS3特征值為1.29，方差貢獻率為14.35％，主要載荷指標為電導率、氨氮。豐水期較多的降雨，使得九洲江干流水位相對較高，沿程閘壩調(diào)度較頻繁，增強了對河流底泥的擾動，進而影響斷面水質(zhì)，故WS3可定義為海水潮汐+河道內(nèi)源。

2.4不同水期污染源貢獻率分析

在主成分分析的基礎上，利用APCS-MLR模型建立各主成分與水質(zhì)指標的函數(shù)關系，并根據(jù)建立的函數(shù)關系預測水質(zhì)指標濃度。將不同水期水質(zhì)指標預測值與實測值進行線性擬合分析可知，九洲江流域總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等指標不同水期的預測值與實測值線性擬合R2均大于0.8，P值均小于0.05，表明構(gòu)建的APCS-MLR模型基本可靠，計算結(jié)果較為可信。

根據(jù)APCS-MLR模型計算各污染源對不同水期水質(zhì)指標的貢獻結(jié)果如表4所示?？菟谛笄蒺B(yǎng)殖源+城鎮(zhèn)生活源對總磷（58.47％）、氨氮（48.71％）和總氮（44.14％）的絕對貢獻率大。豐水期農(nóng)業(yè)面源+城鎮(zhèn)面源對濁度（60.35％）、總氮（51.96％）、總磷（41.38％）和高錳酸鹽指數(shù)（34.78％）的絕對貢獻率大。不同水期氣象因子對溶解氧絕對貢獻率均最大。海水潮汐+河道內(nèi)源對枯水期濁度和豐水期電導率、氨氮的絕對貢獻率較大。

未識別源對物理因子水溫、pH和枯水期高錳酸鹽指數(shù)均有較大的絕對貢獻率，相似的結(jié)果也出現(xiàn)在其他研究中。后?？档鹊难芯恐赋鑫醋R別源對沱河總氮貢獻率最大，劉莊等的研究顯示未識別源對長潭水庫庫區(qū)COD、氨氮、總磷的貢獻率可達三至四成。這可能與基于數(shù)理統(tǒng)計方法對污染源解析存在一定的主觀性和局限性有關，可進一步結(jié)合不同污染源特性開展相應的專項研究，同時綜合運用不同污染源解析模型相互印證，增強污染源解析的準確性。

九洲江流域枯水期降雨少、水量小、沿程閘壩基本不開閘，外來污染輸入相對穩(wěn)定，外來干擾相對較小，此時水體各指標之間作用凸顯，水質(zhì)指標波動較大，未識別源可能主要是水體各指標之間的相互影響和物理化學作用。此外，枯水期水體流動性較差，浮游生物的新陳代謝和生長繁殖也會受到影響，進而影響河流理化特性。

對于九洲江營仔斷面主要超標因子高錳酸鹽指數(shù)來說，枯水期主要污染來源是未識別源，豐水期主要污染來源是農(nóng)業(yè)面源和城鎮(zhèn)面源，故九洲江流域枯水期除了強化畜禽養(yǎng)殖污染治理、完善城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)等之外，還要優(yōu)化閘壩聯(lián)合調(diào)度方式，在確保行洪和排澇安全，以及滿足上游用水需求的前提下，合理安排閘壩下泄水量和泄流時段，科學保障枯水期生態(tài)流量；豐水期要加強城鎮(zhèn)管網(wǎng)混錯接改造、老舊管網(wǎng)更新、破損修復改造，因地制宜推進雨污分流改造，推進糞污資源化利用，充分利用現(xiàn)有水塘、排水溝等建設生態(tài)溝渠、污水凈化塘等設施，著力削減汛期面源污染。

3結(jié)論

（1）九洲江營仔斷面豐水期水質(zhì)相對較差，高錳酸鹽指數(shù)、總磷和濁度相較枯水期顯著升高，溶解氧、pH值相較枯水期顯著下降。

（2）九洲江營仔斷面不同水期水質(zhì)指標相關性存在一定差異。與枯水期相比，豐水期pH、溶解氧、濁度與其他水質(zhì)指標的相關性有所增加，而高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和總氮指標間的相關性有所減小。

（3）九洲江水質(zhì)指標枯水期主要受畜禽養(yǎng)殖源+城鎮(zhèn)生活源和未識別污染源的影響，豐水期主要受農(nóng)業(yè)面源+城鎮(zhèn)面源和氣象因子影響。故九洲江廣東段流域水質(zhì)管理不僅要加強畜禽養(yǎng)殖污染治理、城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)完善，還應注重保障生態(tài)流量、削減汛期面源污染等工作。