武烈河流域水質污染特征及污染源解析

周煉，安達，王月，楊延梅，唐軍，安志民，陳曉志

1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074 2.中國環境科學研究院，國家環境保護地下水污染過程模擬與控制重點實驗室，北京 100012 3.承德市環境保護局，河北 承德 067000

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武烈河流域水質污染特征及污染源解析

周煉1,2，安達2*，王月2，楊延梅1，唐軍2，安志民3，陳曉志3

1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074 2.中國環境科學研究院，國家環境保護地下水污染過程模擬與控制重點實驗室，北京 100012 3.承德市環境保護局，河北 承德 067000

以武烈河流域2014年1—12月23項指標的監測數據為基礎，采用單因子評價法和水質綜合指數評價法，對水質污染特征進行綜合評價；運用主成分分析法，確定流域主要污染因子及區域水質空間變化特征，并進一步對流域污染來源進行解析。結果表明：武烈河流域上游支流水質為Ⅱ類，干流段監測斷面S1與S3水質為Ⅲ類，S2與S4水質為Ⅳ類，主要污染指標為BOD5與TP；流域水質由2個主成分組成，CODCr、CODMn為第一主成分，NH3-N、DO與BOD5為第二主成分；流域主要污染源包括生活污水、工業廢水、農業化肥和農藥的投入及畜禽養殖廢水等。

武烈河流域；水質評價；污染特征；污染源解析

承德市武烈河流域位于灤河流域上游，地處國家《重點流域水污染防治“十二五”規劃》中海河流域于橋水庫上游的承德、唐山控制單元，屬水質維護型單元，其水質目標完成情況直接關系到海河流域和河北省水污染防治總體目標的實現[1]。武烈河流域范圍內涵蓋上游多個用水和排污重鎮，承接了承德市城區近70%的廢水排放，對流域水質、水量影響較大。據2014年承德市水環境狀況評價結果[2]，武烈河流域的雹神廟斷面水質已降至Ⅳ類，低于區域水質目標，水環境形勢不容樂觀。針對武烈河流域的水污染防治與水質改善工作勢在必行。

為此，筆者采用單因子評價法和水質綜合指數評價法，對水質污染特征進行綜合評價，運用主成分分析法，確定流域主要污染因子及區域水質空間變化特征，并對流域污染源進行解析，以期為下一步武烈河流域水污染防治與水質改善工作提供參考依據。

1 研究區域與方法

1.1 區域概況與數據來源

武烈河是灤河的一級支流，發源于圍場縣道至溝，流經雙峰寺鎮后縱貫承德市雙橋區，至雹神廟村匯入灤河，干流全長114 km，流域面積2 580 km2，平均年徑流量2.172 4億m3[3]。流域上游主要有興隆河、鸚鵡河、茅溝河、玉帶河4條支流，呈扇形分布。研究區流域上共設有4個常規監測斷面及8個監測點(圖1)，其中流域支流設有8個監測點(S5～S12)，武烈河干流設有4個常規監測斷面，分別為S1(磷礦上游斷面)、S2(上二道河子斷面)、S3(旅游橋斷面)和S4(雹神廟斷面)。研究區降水年內分布不均勻，枯水期為3—5月，以5月為最枯月，豐水期為6—9月，降水主要集中在7、8月，其余5個月為平水期[4]。

S1—磷礦上游；S2—上二道河子；S3—旅游橋；S4—雹神廟；S5—興隆河上游；S6—興隆河中游；S7—鸚鵡河上游；S8—鸚鵡河中游；S9—茅溝河上游；S10—茅溝河中游；S11—玉帶河上游；S12—玉帶河中游。圖1 武烈河流域水系及水質監測斷面與監測點分布Fig.1 Distribution of water quality monitoring sections and points in Wulie River basin

研究區水質監測斷面及監測點均為人工采樣，檢測GB 3838—2002《地表水環境質量標準》[5]中的23項常規指標，監測頻率為1次月。水樣分析方法參照GB 3838—2002和《水和廢水監測分析方法》[6]。其中DO、CODCr、BOD5，營養元素N、P，有毒化合物揮發酚、氰化物、砷化物，重金屬離子，石油類及細菌等指標受人類日常生活行為、農業及工業、經濟行為等直接或間接影響[7]。2014年采集12次水樣，其分析檢測數據顯示：武烈河流域內Cr6+、Hg、Se、Cu、Pb、Cd、As、Zn、氰化物、硫化物、石油類、陰離子表面活性劑等12項指標低于GB 3838—2002的Ⅰ類標準限值，對水質評價及主成分分析結果無影響。根據流域實際情況，選取S1～S12中2014年3月、4月和5月的CODCr、NH3-N、BOD5、TP、DO、氟化物和揮發酚等7項水質指標的平均值作為2014年流域枯水期地表水質數據。根據流域枯水期水質評價結果，進一步選取S1～S4中DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N和TP等6項水質指標，取各水質指標2014年1—12月水質濃度的平均值作為流域干流2014年地表水質數據。

1.2 評價方法

1.2.1 水質評價方法

依據2014年武烈河流域枯水期地表水質數據，采用單因子評價法[8]和水質綜合指數評價法[9]評價其水質等級。以單因子評價指數作為各指標的污染指數，采用加權平均法求得其水質綜合指數。其中單因子評價指數的評價標準執行《地表水環境質量標準》[5]中的Ⅲ類標準。

1.2.2 主成分分析

主成分分析是將多個指標化為少數幾個不相關的綜合指標(主成分)的統計分析方法，綜合指標能反映出原指標所提供的絕大部分信息，達到降維和源識別的目的[10-13]。依據武烈河流域干流2014年地表水質數據，借助SPSS22軟件，進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 流域干支流水質評價

根據《河北省水環境功能區劃》，武烈河劃分為武烈河河北承德保留區、武烈河承德飲用水源區和武烈河承德工業用水區3個水功能區。武烈河河北承德保留區(監測點S5～S12)水質目標為Ⅱ類，飲用水源區和工業用水區(監測斷面S1～S4)水質目標為Ⅲ類。

根據2014年武烈河流域枯水期水質監測及評價結果(表1)：流域支流中，監測點S5水質為Ⅲ類，監測點S6～S12水質為Ⅱ類；武烈河干流監測斷面中，監測斷面S1、S3水質為Ⅲ類，監測斷面S2與S4水質為Ⅳ類；主要污染指標為BOD5與TP。水質為Ⅳ類的監測斷面中，監測斷面S4綜合污染指數為0.57，污染最嚴重。

表1 2014年武烈河流域枯水期水質監測數據統計及評價結果

2.2 水質主成分分析

2.2.1 主成分確定

依據流域干流2014年地表水質數據，對監測斷面S1～S4中DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N、TP6項指標進行主成分分析。表2為主成分分析中各指標的相關系數矩陣；表3為特征值、主成分貢獻率及累積貢獻率；表4為主成分載荷矩陣。

特征值表示主成分對指標變量影響力度的大小，若特征值小于1，則說明該主成分的解釋力度不夠[14]。根據表3的結果，第一主成分的特征值為3.389，第二主成分的特征值為2.045，均大于1，而從第三主成分開始，特征值均小于1，這說明前2個主成分對解釋原有變量的貢獻最大，符合主成分挑選條件，第三主成分己經不滿足要求。由于第一和第二主成分己經包含了6個指標的全部信息，且這二者的累積貢獻率已達90.565%，其對水質變化的影響最大。因此，確定主成分個數為2個：第一主成分(PC1)在CODCr、CODMn上有較大載荷，其載荷值分別為0.979、0.992，可以表征有機物污染的程度；第二主成分(PC2)主要在NH3-N、DO與BOD5上有較大載荷，其載荷值分別為0.889、0.766、0.731，表征污染類型為營養物以及耗氧型有機物污染。

表2 相關系數矩陣

表3 特征值、主成分貢獻率及累積貢獻率

表4 主成分荷載矩陣

圖2 2014年武烈河水質監測斷面主成分分值變化Fig.2 Variation of principal component scores of monitoring sections in 2014

2.2.2 不同水質指標的空間變化

根據各主成分在單因子上的載荷，確定各主成分綜合函數，計算監測斷面S1～S4的水質污染綜合分值(表5)。從水質空間變化分析，監測斷面S1～S4水質污染程度呈惡化趨勢：S1水質污染程度較低，PC1造成的污染略高于PC2；S2水質污染以PC2為主，PC2污染分值達2.488，為4個監測斷面中最高；S3～S4的PC1污染呈上升趨勢并于S4達到最大，PC2污染逐步趨于穩定(圖2)。

表5 主成分和綜合主成分分值

3 流域污染來源分析

武烈河流域主要以CODCr、TN和TP污染為主，污染主要來自生活、農業活動和工業等方面，主要污染源包括生活污水、工業廢水、農業化肥和農藥的投入以及畜禽養殖等。流域上游興隆河、鸚鵡河、茅溝河、玉帶河4條支流主要接納流域農村污染，包含農田排水產生的面源污染、畜禽養殖產生的污染與農村生活污水污染。武烈河干流流經雙峰寺鎮后縱貫承德市城區，主要接納城鎮生活污水和工業廢水。

流域內現有城鎮污水處理廠1座，位于武烈河城區段下游，經污水管網收集接納了近80%的城鎮生活污水[1]。2014年，污水處理廠實際日處理量為7.33萬t，負荷率為91%，CODCr去除率基本在90%以上，TN、TP去除率為60%～70%[2]。監測斷面S2～S4，耗氧型有機物與營養物呈下降并趨于穩定的現象與該污水廠的正常運行有直接關系。但目前城區污水管網仍存在覆蓋不全面、部分管網老化等問題，造成城區生活污水未能全部收集。其中雙峰寺鎮至承德醫學院和環城北路獅子溝橋以西區域污水管網尚未建設，污水直排入附近的河道，導致監測斷面S1～S2耗氧型有機物與營養物污染嚴重。根據武烈河流域污染源調查結果(圖3)，流域城鎮生活污水所排放的CODCr、TN及TP為1 337.9、336.4及25.8 ta，分別占總排放量的67.9%、87.2%及70.9%。流域農村污水處理設施不夠完善，農村居民生活污水絕大部分就地排放到戶外。考慮蒸發及地下滲入等損失，農村生活污水所排放的CODCr、TN及TP達221.9、28.4及5.8 ta。

圖3 武烈河流域主要污染源污染物排放量Fig.3 Pollutant emission of Wulie River basin

流域內工業污染源也影響了各監測點水質質量。據調查，流域內有各類企業116家，涉及食品加工業、制藥、采選冶煉、建材材料制造、裝備制造、其他制造業、供熱等其他服務行業等多種行業。涉及污水排放企業共有7家，其中制藥廠2家，食品加工廠3家，釀酒廠和采選冶煉廠各1家，其CODCr、TN和TP排放量分別達9.88、4.88和2.74 ta[2]。這些企業主要位于旅游橋—雹神廟段的武烈河承德工業用水區，其排放的工業廢水直接影響武烈河S3～S4斷面間的水質質量。農業化肥和農藥的投入是流域面源污染的主要來源[15]。由于農田用地對投入的化肥農藥利用率很低，其余的化肥農藥通過分解、揮發、滲漏、淋溶等途徑將部分氮、磷和有毒有害物質匯入河流形成污染[16]。通過研究區各鄉鎮2014年統計年鑒數據分析，2014年武烈河流域內總耕地面積1.974萬hm2，共施用氮肥0.365萬t(以N計)，磷肥0.357萬t(以P2O5計)，農藥55 t。根據《承德市第一次全國污染源普查技術報告》對種植業污染情況的普查結果：流域內TN隨農田排水流失系數為0.005；TP隨農田排水流失系數為0.002。農田施用農藥有效成分有機磷以40%計算，隨農田排水流失系數取0.002。據此推算，化肥和農藥施入污染物排放量：CODCr為181.87 ta；TN為18.27 ta；TP為0.76 ta。

農村畜禽養殖也是流域內TN和TP等污染的重要來源。流域內畜禽養殖主要以蛋雞、肉雞、豬、牛、羊為主。據統計，2014年流域內共有規?；B殖場(小區)27家，養殖專業戶166家，蛋雞18.75萬只、肉雞59.84萬只、牛5 283頭、豬1.74萬頭和羊0.074萬只。畜禽污染物排放量：CODCr為70.17 ta；TN為8.58 ta；TP為1.09 ta[2]。流域內養殖業規模化程度不高，以專業戶分散養殖為主，分散養殖雖然排污強度較小，但污染治理水平低，畜禽糞尿大部分未經無害化處理而直接隨意排放。

4 結論

(1)武烈河流域上游支流水質情況較好，為Ⅱ類水，污染主要集中在武烈河干流段。其中上二道河子斷面(S2)與雹神廟斷面(S4)水質為Ⅳ類，低于Ⅲ類水的水質目標，主要污染指標為BOD5與TP。

(2)CODCr、CODMn為第一主成分，主要反映有機物的污染，貢獻率占56.47%；NH3-N、DO與BOD5為第二主成分，主要反映營養物以及耗氧型有機物污染，貢獻率占34.09%。

(3)流域污染主要來自生活、農業活動和工業等方面，主要污染源包括生活污水、工業廢水、農業化肥和農藥的投入及畜禽養殖等。建議流域完善城市污水管網系統，以控制生活污水污染；加強對工業廢水排放監管；加快建設農村污水處理設施，控制農村生活污染以及畜禽養殖污染。

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Water Quality Pollution Characteristics and Pollution Source Analysis of Wulie River Basin

ZHOU Lian1,2, AN Da2, WANG Yue2, YANG Yanmei1, TANG Jun2, AN Zhimin3, CHEN Xiaozhi3

1.College of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.Chengde Environmental Protection Agency, Chengde 067000, China

Based on the monthly monitoring data of 23 water quality indexes of Wulie River basin in 2014, a comprehensive water quality evaluation was performed using single-factor assessment and comprehensive evaluation index method. Utilizing principle component analysis (PCA), the main pollution indicators in the river basin and the regional spatial variation characteristics of the water quality were determined. Furthermore, the pollution sources in the basin were analyzed. According to the results, the water quality of upper tributaries was in Class Ⅱ, the water quality of monitoring sections S1 and S3 in main stream was in Class Ⅲ, and that of monitoring sections S2 and S4 in main stream was in Class Ⅳ. The main pollution indicators were BOD5and TP. The PCA results showed that PC1 included CODCrand CODMn, the PC2 included NH3-N, DO and BOD5. There were four main pollution sources including domestic sewage, industrial wastewater, agricultural fertilizer and pesticide inputs, and livestock and poultry raising waste.

Wulie River basin; water quality evaluation; pollution characteristics; pollution source analysis

2016-03-25

河北省承德武烈河流域水污染控制與水質改善技術研究(15273606D)

周煉(1992—)，男，碩士研究生，主要從事地下水污染風險評估，zhoulian.work@outlook.com

*責任作者：安達(1979—)，女，副研究員，博士，主要從事地下水污染風險評估，anda@craes.org.cn

X52

1674-991X(2016)06-0579-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.083

周煉，安達，王月,等.武烈河流域水質污染特征及污染源解析[J].環境工程技術學報,2016,6(6):579-584.

ZHOU L, AN D, WANG Y, et al.Water quality pollution characteristics and pollution source analysis of Wulie River basin[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(6):579-584.