江南河網地區(qū)典型河道二干河水質時空分異特征及污染源解析

摘要：基于2006—2012年張家港二干河4個監(jiān)測斷面的9項水質指標數(shù)據(jù)，綜合運用水質標識指數(shù)（WQI）、方差分析（ANOVA）和因子分析（FA）的方法分析張家港二干河水質時空分異特征，并解析污染來源。2006—2012年間，河道整體污染水平呈減輕趨勢，4個監(jiān)測斷面污染程度由低到高依次為十一圩閘<欄桿橋<港豐公路大橋<蔣橋，呈現(xiàn)河道中段污染較嚴重的現(xiàn)象；所有斷面各年糞大腸桿菌、銨態(tài)氮和總氮的污染程度均較嚴重；不同年份二干河的主導污染源有所差別，近年來工業(yè)點源污染、農村及城市生活面源污染起綜合的作用。運用以上3種方法可以客觀合理地評價二干河的水質變化狀況，為水環(huán)境治理提供參考。

關鍵詞：江南河網地區(qū)；二干河；水質標識指數(shù)；多元統(tǒng)計分析；時空分布；污染源

中圖分類號： X824文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0351-04

收稿日期：2014-07-11

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAJ25B07）。

作者簡介：曹曉艷（1990—），女，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要從事河道修復研究。E-mail：yxh20000905@163.com。

通信作者：成水平，博士，教授，主要從事生態(tài)工程研究。Tel：（021）65980763；E-mail：shpcheng@tongji.edu.cn。城市河流作為區(qū)域居民生活污水、工業(yè)廢水和地表徑流排放等污染源的主要載體，最易遭受到污染和破壞。近幾十年來，地方政府部門開展了大量河流水質監(jiān)測項目，鑒于各個監(jiān)測指標及監(jiān)測點之間存在復雜的相互影響，無法直觀地提供給地方決策者管理和改善水環(huán)境的依據(jù)[1-4]；因此，有必要以大量的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，綜合評價河流水質，識別潛在污染源，幫助決策者建立高效合理的水環(huán)境管理和綜合治理方案[4-5]。近年來，各類評價方法和多元統(tǒng)計方法被廣泛應用于水質綜合評價。水質標識指數(shù)法（WQI）是一種基于代數(shù)運算的水質連續(xù)性刻畫評價方法[6]，對水質進行定性與定量評價，并考慮多個水質因子之間的相互作用，能夠較好地評價污染嚴重的河流水質[7-10]。多元統(tǒng)計技術能夠對復雜的多元數(shù)據(jù)進行降維簡化，且可以保證主要信息不會丟失。方差分析、因子分析作為傳統(tǒng)的多元統(tǒng)計技術，在水質時空分異特征及潛在污染源識別上得到普遍的應用[11-15]。本研究基于江蘇省張家港市二干河水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，應用綜合水質標識指數(shù)法和方差分析法對水質進行綜合評價，揭示河道水質污染特征和時空變化規(guī)律；結合單因子標識指數(shù)識別不同時間段不同區(qū)域水環(huán)境的主要污染源，以期較客觀合理地評價水環(huán)境治理措施對該河道水質提升的效果，為江南河網地區(qū)典型城市河流的水質評價和環(huán)境治理工作提供借鑒。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

張家港市水系屬長江流域太湖水系，長江縈繞于西北部、北部和東北部，屬典型平原感潮河網地區(qū)。全市的河網布局為南北分片控制，相互之間水系連通性差，無法實現(xiàn)水體的充分交換和循環(huán)流動。二干河是張家港市的一條錫北運河主航道，提供工業(yè)、農業(yè)用水，自江蘇省江陰市北涸起到十一圩港口，長約27 km，流域面積約為7 210 hm2，功能區(qū)目標為地表水Ⅳ類水。

1.2數(shù)據(jù)收集

水質數(shù)據(jù)為張家港環(huán)境監(jiān)測站2006—2012年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其水質采樣在1—12月各進行1次，水質指標均采用國家地表水環(huán)境質量標準基本分析方法進行分析[16]。選取二干河4個典型監(jiān)測斷面作為分析點位（圖1），每個點位選擇高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、銨態(tài)氮（NH+4-N）含量、石油類含量、揮發(fā)酚含量、化學需氧量（CODCr）、總氮（TN）含量、總磷（TP）含量和糞大腸桿菌數(shù)量9項指標作為水質分析參數(shù)。為了便于分析，取每個指標12個月的平均值作為分析數(shù)據(jù)。

1.3研究方法

1.3.1水質標識指數(shù)單因子水質標識指數(shù)Pi可表示為：

Pi=W1.W2W3。

式中：W1為第i項水質指標的水質類別，W2為監(jiān)測數(shù)據(jù)在W1類水質變化區(qū)間中所處的位置，W3表示水質類別與功能區(qū)劃設定類別的比較結果，視評價指標的污染程度而定[17-18]。

綜合水質標識指數(shù)（Iwq）由整數(shù)位和3位小數(shù)位組成。表示為：

Iwq=X1.X2X3X4。

式中：X1為綜合水質類別，X2為綜合水質在X1類水濃度區(qū)間中距下限值的位置，X3為參與評價的指標中劣于水環(huán)境功能區(qū)水質類別的指標個數(shù)，X4為綜合水質劣于水環(huán)境功能區(qū)目標的類別數(shù)[19]。上述兩式中的W1.W2和X1.X2由計算獲得，W3、X3和X4根據(jù)比較結果得到。通過綜合水質標識指數(shù)可以判斷河流是否黑臭，判斷標準為：6.0

劣于Ⅴ類，但不黑臭；X1.X2>7.0，水體黑臭[19]。

1.3.2多元統(tǒng)計分析在水質評價過程中，考慮到水體污染物在時間、空間上的差異性與相似性，采用方差分析的方法對各評價指標分別進行年際間和空間上的顯著差異性檢驗。

因子分析是一種數(shù)據(jù)簡化技術，通過研究眾多變量之間的內部依賴關系，探求觀測數(shù)據(jù)之間的基本結構，并用少數(shù)幾個獨立的不可觀測變量（因子）來表示其基本的數(shù)據(jù)結構。各公因子對應的最高因子載荷變量對其有最強的解釋能力[20]。根據(jù)負荷值的大小將變量的相關性水平分為3類：負荷值>0.75，為顯著相關；負荷值∈（0.50，0.75]，中等相關；負荷值∈[0.30，0.50]，為弱相關[5]。水質分析中常用因子分析提取污染因子對污染源定性[2，5，8，11，14，21]。

2結果與分析

2.1水質時空變化綜合評價

2006—2012年二干河欄桿橋、蔣橋、港豐公路和十一圩閘4個斷面綜合水質標識指數(shù)的評價結果見圖2。由圖2可見，2006—2012年間，二干河整體污染程度呈減輕趨勢，各年綜合WQI值分別為6.734、6.314、6.236、5.712、5.893、5654、5.983，由劣Ⅴ類水體提升至Ⅴ類水體；但目前二干河水質仍未達地表水Ⅳ類水的功能區(qū)目標。二干河欄桿橋、蔣橋、港豐公路大橋和十一圩閘4個監(jiān)測斷面年平均WQI值分別為5.37、7.45、6.25、5.25，污染程度由低到高依次為十一圩閘<欄桿橋<港豐公路大橋<蔣橋，河道呈現(xiàn)中段污染較大的特點。除了欄桿橋和十一圩閘斷面，其余各斷面兩兩間均差異極顯著（P<0.01）。欄桿橋和蔣橋斷面污染程度呈現(xiàn)波動性下降趨勢，WQI值分別下降24%、25%，水質逐年改善。欄桿橋斷面以居民用地為主。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，生活污水接管率不斷提高，斷面水質得到改善。蔣橋斷面WQI極顯著高于其他斷面（P<0.01）。該斷面以工業(yè)用地和居民用地為主，城市中心不斷擴張，大多企業(yè)往下游遷移或關停，斷面工業(yè)負荷大幅度下降，水質在短期能得到改善。同時，該區(qū)域人口密度和硬化路面的比例增大，城市徑流等面源污染負荷逐步成為該斷面的主要污染源，水質在2010年出現(xiàn)惡化。港豐公路斷面7年間綜合水質均處于劣Ⅴ類，黑臭問題頻頻暴發(fā)。蔣橋-港豐公路段以居住用地和工業(yè)用地為主，沿途接納工業(yè)廢水和生活污水，NH+4-N含量超標造成了水體缺氧而呈黑臭狀態(tài)（圖3）[22]。十一圩閘斷面2006—2009年水質波動較大，2010—2011年綜合水質達到功能區(qū)目標。十一圩閘位于入江口，長江水對其稀釋作用明顯。

進一步對2006—2012年各斷面的月綜合水質標識指數(shù)進行統(tǒng)計分析，結果見圖4。由圖4可知，欄桿橋斷面2006—2012年間各個月WQI值均在3～8之間波動，該斷面每年（2006—2012年）1月綜合標識指數(shù)均超過年均WQI，屬于污染最嚴重的月之一，因為張家港市1月屬于冬季少雨期，水體水流不暢，富氧情況差，污染物累積，所以導致該月污染嚴重；蔣橋斷面WQI在5～10之間波動；港豐公路斷面2006—2010年各月WQI均在4～9之間波動，2011年、2012年各月WQI在3～12之間波動；十一圩閘斷面2006—2012年間各月綜合標識指數(shù)均在3～8之間波動，5月在大多數(shù)年份中的污染均較嚴重。二干河是一條高度人工受控河流，在雨量較小的干旱季節(jié)往往通過人為調水保證河道充盈，同時河道清淤等整治工作可使河道水質在短時間內發(fā)生較大變化。

2.2斷面污染特征分析

基于“2.1”節(jié)中的水質時空綜合評價，由各斷面的單因子水質標識指數(shù)進一步分析各斷面污染特征（圖3）。2006—2012年間，欄桿橋斷面CODCr、BOD5、CODMn、石油類含量和揮發(fā)酚含量的平均值均能達到水質功能區(qū)目標，而大腸桿菌

污染最嚴重，其次是TN和NH+4-N。港豐公路和蔣橋斷面僅CODMn、石油類含量和揮發(fā)酚含量達到水質功能區(qū)目標，主要污染因子為NH+4-N、TN和大腸桿菌，其中蔣橋斷面TP單因子標識指數(shù)為6.25，磷污染嚴重。十一圩閘斷面CODCr、TP含量、BOD5、高錳酸鹽含量、石油類含量和揮發(fā)酚含量的平均值達到Ⅴ類水標準。

2006—2012年，所有斷面糞大腸桿菌數(shù)量、NH+4-N含量、TN含量超標嚴重，可能是鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理規(guī)模與人口增長不一致，農村生活污水、畜牧養(yǎng)殖廢水的排入導致河流污染。有資料顯示，NH+4-N含量、糞大腸桿菌數(shù)量的升高標志著生活污水、人畜排泄物的排入[23]。

2.3污染源解析

利用因子分析對2006—2012年間各水質參數(shù)進行污染源分析，結果見表1。由表1可知，2006年，第1變量因子（VF1）與TN含量和CODMn強相關，與BOD5和NH+4-N含量中度相關，主要代表耗氧有機污染[20]。VF2表征因子為TP含量和糞大腸桿菌數(shù)量，代表著城市生活及養(yǎng)殖廢水等面源污染。VF3主要代表工業(yè)污染源。因此，2006年二干河受到綜合污染。2007年的VF1表征因子為CODMn和CODCr；VF2表征因子為石油類含量，主要污染源為工業(yè)污染。2008年VF1 表征因子為TN含量和NH+4-N含量，NH+4-N最主要的來源是生活污水，其次還可來源于降雨徑流。NH+4-N是水體中的主要耗氧物，這就解釋了CODMn在VF1上也占有較高載荷的原因；VF2與TP含量強相關，與CODCr、BOD5和糞大腸桿菌數(shù)量中度相關，表明其污染來源可能是與養(yǎng)殖廢水和生活污水相關的面源污染。可見，工業(yè)整治初見成效，河道污染情況呈現(xiàn)出以面源污染為主、點源污染為次的格局。2009年VF1與石油類、TN、TP含量強相關，主要代表工業(yè)污染；VF2與NH+4-N含量和CODCr強相關；VF3與糞大腸桿菌數(shù)量強相關。2010年VF1的方差貢獻率為43.553%，與CODMn、BOD5、揮發(fā)酚含量和CODCr強相關，主要代表市政污水和工業(yè)點源對河道水質的影響。2011年VF1與糞大腸桿菌數(shù)量和石油類含量強相關，主要代表徑流污染[5]；VF2的表征因子為CODCr和TN含量，主要代表工業(yè)污染；VF3的表征因子為CODMn和BOD5，主要代表有機污染，說明河道水體受快速城市化引起的市政污水排放的強烈影響[2，24]。2012年9項水質指標分別在不同的變量因子上均占有較高的載荷，這表明工業(yè)污水、市政污水、農村農業(yè)及城市活動對河道水質起綜合作用，沒有明顯的主導污染源。因此，2009—2012年工業(yè)污水、市政污水、農村農業(yè)及城市活動對二干河水質起綜合影響。

3結論

采用綜合水質標識指數(shù)法評價二干河的水質，結果表明，2006—2012年間河道整體污染程度減輕，水質得到改善，由劣Ⅴ類提升至Ⅴ類，但仍未達到功能區(qū)目標，水污染控制與水環(huán)境治理仍要加大力度。

二干河4個監(jiān)測斷面污染程度由低到高依次為十一圩閘<欄桿橋<港豐公路大橋<蔣橋，呈現(xiàn)河道中段污染較嚴重的現(xiàn)象，與其工業(yè)發(fā)展、居住人口較多有關。斷面各月綜合指數(shù)波動受降雨徑流、河道清淤和閘控調度的影響。

污染；2007年工業(yè)污染占主導作用；2008年工業(yè)治理初見成效，河道污染情況呈現(xiàn)出面源污染為主、點源污染為次的格局；2009—2012河道受到工業(yè)點源和農村及城市生活面源的綜合作用。

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