宿州重污染河流氮磷污染多源識別及背景值

陳光旭，付金沐，孫林華，陳蜜蜜，徐 川

(1.東華理工大學核資源與環境省部共建國家重點實驗室培育基地，江西南昌 330013；2.宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州 234000；3.宿州學院環境與測繪工程學院，安徽宿州 234000；4.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島 266510；5.吉林大學地球科學學院，吉林長春 130061)

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宿州重污染河流氮磷污染多源識別及背景值

陳光旭1，2，付金沐3*，孫林華2，陳蜜蜜4，徐 川5

(1.東華理工大學核資源與環境省部共建國家重點實驗室培育基地，江西南昌 330013；2.宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州 234000；3.宿州學院環境與測繪工程學院，安徽宿州 234000；4.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島 266510；5.吉林大學地球科學學院，吉林長春 130061)

摘要[目的]研究宿州市重污染河流奎河宿州段的污染源頭和環境背景值。[方法]對河水進行總氮、總磷分析測試，并進行密度曲線圖分析、頻率直方圖分析和Q聚類分析。利用正態法獲取奎河總氮、總磷的環境背景值。[結果]奎河宿州段河水污染嚴重，受到人為因素污染程度大，污染源主要為工業廢水、生活污水和農業污水。總氮環境背景值為0～6.66 mg/L，總磷環境背景值為0～0.84 mg/L。[結論]該研究可為奎河治理標準提供科學依據。

關鍵詞河流污染；環境背景值；環境地球化學；來源識別；氮磷

受上游污染的影響，奎河成為淮河流域污染最嚴重的河流，對沿河兩岸村民健康造成嚴重危害[1-2]。該現狀受到了多位研究者的關注，并在污染類型劃分，污染程度確定，污染時空變化規律，污染來源分析等方面開展了大量研究[3-7]。目前，物質來源分析方法較多[8-9]，如因子分析、聚類分析、判別分析和密度直方圖分析等。前人對環境背景值的研究方法也較多[10-12]，如相對累積頻率、正態分布、回歸分析、離群測試、迭代標準差和計算分布函數等。筆者設置奎河楊莊和時村北2個監測斷面，對總氮、總磷含量進行了多源識別，并用算數平均值方法計算獲取奎河水總氮、總磷的環境背景值，旨在為奎河宿州段的污水治理提供科學依據。

1材料與方法

根據奎河宿州段水文特點，分別設置2個采樣監測斷面(圖1)，即楊莊斷面和時村北斷面。調查時間為2008年3月至2010年12月，每個斷面每個月采水樣檢測1次。水樣采集后立即用 0.45 μm微孔濾膜過濾，加入1 mol/L的H2SO4酸化保存。采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮，采用過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法測定總磷，測試過程在安徽省煤礦勘探工程技術研究中心完成。

圖1　奎河區域采樣點位置Fig.1　The location of sampling sites in Kuihe River Area

2結果與分析

2.1氮、磷含量的分布特征對奎河上、下游的2個監測斷面的檢測結果進行統計分析，結果見表1。由表1可知，時村北大橋斷面和楊莊斷面的奎河水總氮含量分別為0.100～24.600和1.070～41.460 mg/L，平均值分別為9.590和16.250 mg/L，變異系數分別為0.69和0.56，偏度分別為0.70和0.81，峰度分別為-0.04和0.89，均小于3.00，說明奎河存在較少的總氮極端異常值。

對于總磷含量而言，時村北大橋斷面和楊莊斷面分別為0.036～6.710和0.240～21.380 mg/L，平均值分別為1.170和2.600 mg/L，變異系數和偏度均偏大，表現出明顯的正偏態勢，峰度分別為23.30和9.41，說明奎河總磷具有較多的極端異常值。

對奎河上、下游2個監測斷面的觀測數值與國家地表水標準(GB 3838—2002)[13]進行對比，可以得出：在楊莊斷面的34個測試樣品中，有33個測試樣品的總氮含量超過國家V類水質標準，有31個測試樣品的總磷含量超過國家V類水質標準；時村北監測面的總氮含量有30個測試樣品超過國家V類水質標準，總磷含量有24個測試樣品超過國家V類水質標準。可見，在監測期間，奎河已經受到嚴重污染。

從時空分布上看，位于上游的楊莊斷面的總氮、總磷含量大多高于位于下游的時村北斷面，這主要是由于奎河上游對其總氮、總磷的貢獻較大所致。對于總氮含量的變化幅度，2008～2010年的上半年高于下半年，從下游的時村北斷面總磷含量看，下半年比上半年的變化幅度較為平緩(圖2)。

表1　奎河時村北和楊莊監測面總氮、總磷含量

2.2污染源識別通常造成水體污染的主要原因有兩方面。一方面，農業生產所致和農村生活所致的面源污染；另一方面，工礦廢水和城市污水排放所致的點源污染[14-15]。奎河水污染主要來源于工業污染、農業污染和生活污水[16]，其中主要來源于生活污水，工業和農業污染比重相對較小[17]。

從圖2可以看出，總氮、總磷的月變化特征較為顯著，可能受到外源因素的控制；總氮和總磷的偏度均為正值，最大值為4.49，故其呈現出正偏的態勢(表1)，且奎河水總氮、總磷的變異系數高，這說明原始總氮、總磷濃度不顯示正態分布。

圖2　2008～2010年奎河時村北和楊莊監測面總氮、總磷濃度變化情況Fig.2　Changes of TN and TP contents in north Shi Village and Yang Village monitoring sites of Kuihe River from 2008 to 2010

總氮濃度如果是單因子來源貢獻所致，數據可能服從對數正態分布。故對監測數據進行對數處理，并使用MYSTAT12進行密度曲線圖分析，為了避免取對數后產生過多的負值或者零，且總氮含量多數大于10 mg/L，故對原始數據加1后，再取對數。從圖3a可見，時村北的總氮有3個拐點，分布4段密度曲線，這說明奎河下游的總氮可能有4種類型的貢獻所致；而楊莊總氮的密度分布圖顯示左側尾部有2個拐點(圖3b)，整體數據呈現右偏的態勢。

圖3　奎河時村北和楊莊斷面總氮、總磷含量密度曲線Fig.3　Density curves of TN and TP contents in north Shi Village and Yang Village monitoring sites

取對數后的數據會削弱原有的共線性和異方差性等，為了辨別密度曲線圖的峰值是否有多源的疊加，故對時村北和楊莊斷面的總氮原始數據進行頻率直方圖的分析。從圖4a可以看出，時村北斷面的總氮濃度有4類，這與密度曲線圖3a吻合；楊莊斷面的總氮濃度有4類，頻率貢獻大多是濃度大于10 mg/L的樣品所致；據上述奎河區域污染特征[17]可知，奎河總氮的III類頻數最大，為生活污水所致，II類為農業污染所致，IV類為工業污染所致。除了I類外，II和III類上游的總氮濃度比下游稍大一些，這主要是由于奎河源頭為工業化較發達的徐州，總氮貢獻比重更大。

圖4　奎河時村北和楊莊斷面總氮、總磷含量頻率直方Fig.4　Frequency histograms of TN and TP contents in north Shi Village and Yang Village monitoring sites

對總磷濃度取對數，為避免取對數后產生過多的負值，且總磷含量多數小于1 mg/L，故對原始數據乘10后，再取對數；從圖3c可見，時村北斷面的總磷有1個拐點分為2段，主要含量呈右偏的態勢；而楊莊斷面的總磷(圖3d)有2個拐點分為3段，主要呈左偏態勢，留有1個尾部，說明濃度含量存在異常大值。同時，也對時村北和楊莊斷面的總氮原始數據進行頻率直方圖分析。從圖4c和圖4d可以看出，奎河總磷濃度也具有4類，總磷污染源的判別與總氮吻合。

為驗證密度曲線圖和頻率直方圖對樣品數據劃分的有效性，使用SPSS 20軟件對奎河總氮、總磷的濃度進行Q型聚類分析，其中聚類方法采用Ward法、度量標準為歐氏距離，其聚類結果見圖5。結果表明：時村北總氮含量有3組(0908、1005、0903)，總磷含量有3組(0908、0910、0905)，楊莊總氮含量有1組(1008)，總磷含量有4組(0803、0901、0907、1004)不吻合外，其他分類與密度曲線和頻率直方圖分析結果一致；驗證的正確率分別為91.2%、91.2%、97.1%和88.2%。

2.3環境背景值確定背景值的方法有算術平均值法、幾何平均值法、累計頻率法等[18]，其中算術平均值法適用于服從正態分布類型的統計；幾何平均值法適用于服從對數正態分布類型的統計；累計頻數法適用于偏態分布類型的統計。鑒于污染源識別分析結果，2個監測斷面總氮、總磷的I部分可以代表當前奎河環境背景值；采用正態分布的方法，使用P-P圖和Q-Q圖(采用Blom比例估計公式)對I部分數據進行正態檢驗(圖6)。從圖6可見，在95%置信區間內，總氮、總磷I部分的正態分布程度高，P-P圖擬合程度分別為0.936和0.926，Q-Q圖擬合程度均為0.95。

注：a為時村北總氮濃度；b為楊莊總氮濃度；c為時村北總磷濃度；d為楊莊總磷濃度。Note：a was TN content in north Shi Village，b was TN content in Yang Village；c was TP content in north Shi Village，and d was TP content in Yang Village.圖5　奎河時村北和楊莊斷面總氮、總磷含量Q型聚類分析樹狀Fig.5　The dendrograms of Q cluster analysis of TN and TP contents in north Shi Village and Yang Village monitoring sites

注：a為總氮I類的正態P-P圖；b為總氮I類的正態Q-Q圖；c為總磷I類的正態P-P圖；d為總磷I類的正態Q-Q圖。Note：a was normal P-P of TN in class I water sample，b was normal Q-Q of TN in class I water sample，c was normal P-P of TP in class I water sample，and d was normal Q-Q of TN in class I water sample.圖6　奎河I類水樣總氮、總磷P-P與Q-QFig.6　The P-P and Q-Q of TP and TN in class I water samples in Kuihe River

因此，采用算術平均值法對背景值范圍進行計算，因I部分的樣品個數較少，故采用如下式(1)、(2)進行背景值的計算，所得奎河總氮的環境背景值為0～6.66 mg/L，總磷環境背景值為0～0.84 mg/L，奎河環境背景值的分析結果與孫林華等[19]采用模式識別方法獲得的環境背景值相近。

(1)

(2)

式中，X為環境背景值的范圍；n為監測因子個數；Xi為實際檢測值。

奎河作為流域內的灌溉河流，其環境背景值范圍高于國家V類水質標準，由于監測期內奎河已經受到嚴重污染，其計算的結果只能代表檢測期內的奎河總氮總磷背景值。因此，想得到一個未受人為擾動的環境背景值，需要根據污染程度較小的數據進行分析。計算獲得的環境背景值可以作為當前的治理依據，當治理達到這個標準時，再進行奎河環境背景的分析；如果要根治奎河的污染問題，還需要類似的多階段環境治理。

3結論

(1)在監測期間，奎河宿州段受到嚴重的人為影響，水質已經受到嚴重污染，楊莊段的污染程度明顯高于時村北段的污染程度。

(2)奎河總氮、總磷濃度呈周期性變化，即每年從年初到年末具有降低的趨勢；其總氮、總磷的來源有3種，分別是農業污染、生活污水和工業廢水。

(3)當前奎河總氮的環境背景值為 0～6.66mg/L，總磷的環境背景值為0～0.84mg/L。

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基金項目國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201310379004)。

作者簡介陳光旭(1990-)，男，江蘇邳州人，碩士研究生，研究方向：地質工程。*通訊作者，教授，碩士生導師，從事區域環境質量演變與環境地球化學過程研究。

收稿日期2016-03-31

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-105-05

Multi-source Identification and Background Values of Nitrogen and Phosphorus Pollution in Heavy Polluted Rivers in Suzhou City

CHEN Guang-xu1,2, FU Jin-mu3*, SUN Lin-hua2et al

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang, Jiangxi 330013; 2.College of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou, Anhui 234000; 3. College of Environmental and Geomatic Engineering, Suzhou University, Suzhou, Anhui 234000)

Abstract[Objective] To research the pollution sources and environmental background values of heavy polluted river in Suzhou section of Kuihe River in Suzhou City of Anhui Province. [Method] Total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) in river were detected and analyzed. After the analysis of density curve, frequency histogram and Q cluster, environmental background values of TN and TP were obtained in Kuihe River by normal method. [Result] Suzhou section of Kuihe River was heavily polluted mainly due to the pollution of human factors. The pollution sources were mainly industrial waste, domestic sewage and agricultural wastewater. The environmental background values of TN and TP were 0-6.66 and 0-0.84 mg/L, respectively. [Conclusion] This research provides scientific references for the administrative standard of Kuihe River.

Key wordsRiver pollution; Environmental background values; Environmental geochemistry; Source identification; Nitrogen and phosphorus