喀斯特地區平水期水質污染綜合分析
——以貴州省白云巖喀斯特世界自然遺產地為例

張塵月, 劉子琦, 劉肇軍, 李 淵, 邢 鍇

(貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴州 貴陽55 001)

喀斯特地區是典型的生態環境脆弱區，其脆弱性表現為生態系統變異敏感度高，災變承受能力低，環境容量小[1]。中國西南喀斯特地區是世界上最大的喀斯特集中連片分布帶[2]，面積約5.50×105km2,占全國喀斯特面積的15.97%[3]，其中貴州施秉發育著世界上古老、保存完整的質純白云巖喀斯特[4]，世界遺產委員會評價它是“白云巖喀斯特的典型范例[5]。施秉白云巖喀斯特在全球具有唯一性，對其生態環境的保護尤為重要?？λ固氐貐^貧困人口集中,人地矛盾尖銳，致使生態環境遭到破壞,出現了一系列的生態環境問題[6],主要集中體現在植被退化、水土流失及水環境污染方面[7-9]。保護水資源，成為喀斯特地區環境保護的主要目標之一[10]。

對水環境的保護與治理，首先要對其水環境質量現狀、污染特征進行分析評價，確定污染源[11-12]。通過閱讀文獻發現，關于水質評價學者們采用的方法較多且并不統一[13-17]，但國內外學者[18-22]統一認為通過多元統計分析可以更全面和精確地反映研究區的通過水質狀況，進而分析其污染源。因此，本研究結合實際情況，通過單因素評價法、均值型指數綜合評價法以及多元統計分析法對位于貴州省施秉縣的白云巖喀斯特遺產地的水質現狀進行分析評價，以期為遺產地的環境保護和流域水質的管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

施秉白云巖喀斯特世界自然遺產地位于貴州省東部施秉縣，地處中國云貴高原東部邊緣向湘西低山丘陵過渡的山原斜坡地帶，即中國階梯地勢第二級與第三級的過渡地區。地勢北高南低，平均海拔912 m。喀斯特強烈發育，地形破碎，成為一個河流深切的中亞熱帶喀斯特峽谷區[23-24]。該區年均溫度16 ℃，年均降水1 220 mm，具有春暖夏涼、四季如春、降水豐沛的中亞熱帶山地濕潤氣候特點[25-26]。黃洲河流域位于施秉喀斯特世界自然遺產地內，由遺產地的東部流向西南匯入杉木河，河流長度14 km。因其由緩沖區流經核心區，緩沖區白垛鄉一帶人口密度大，居民的生產生活都在此進行，而核心區旅游人數較多，易使河流健康受到威脅，進而影響到遺產地的生態環境[27]，故本文選取黃洲河流域作為遺產地內代表性河流，對其進行水質污染綜合分析。

1.2 樣品采集與處理

本研究選取黃洲河流域8個代表性采樣點分別為泉眼(DT)支流匯集處(CGH),水庫(SK)，大量居民居住處(BD)，施秉喀斯特遺產地核心區(DYQ)，黃洲河與杉木河交匯處(HZH)，杉木河漂流終點(NJY)，河流流出緩沖區前(JGY)。采樣點之間具有連續性，可反映河流水質在流動過程中的變化情況。采樣時間為2017年10月和2018年4月，樣品采集后裝于聚乙烯瓶中帶回實驗室。根據遺產地以及黃洲河流域的實際情況，共選取了TP，TN，NH3-N，CODMn，DO,水溫,濁度,糞大腸菌群、葉綠素a這幾種水質監測指標作為評價因子進行研究分析。具體試驗數據詳見表1。

各種水質監測指標均按照《水和廢水監測分析方法(第4版)》[28]在貴州師范大學山地重點實驗室進行，其中DO、水溫采用多參數水質監測儀現場測定：TP采用堿性過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法；TN采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法；NH3-N采用納氏分光光度法；CODMn采用酸性高錳酸鉀滴定法；Chl-a采用乙醇和分光光度法；糞大腸菌群的測定采用多管發酵法。

表1 黃洲河流域各監測點水質指標平均值和標準差

1.3 數據分析方法

本文數據采用Excel以及IBM SPSS Statistics 19.0處理。Excel代入公式進行水質指標的平均值和標準差計算繪制表格并利用數據繪制春秋平水期水質狀況特征圖，SPSS進行水質指標的聚類分析以及主成份分析。本文采用系統聚類，通過組間連接以及平方Euclidean距離法生成平水期采樣點聚類樹狀圖。并對春秋平水期水質指標進行主成分分析。

1.4 評價標準

根據《中國南方喀斯特第二期申遺文本》及《中國南方喀斯特第二期世界自然遺產提名地保護管理規劃文本》中的要求，遺產地核心區地表水環境質量按(GB3838-2002)Ⅰ類標準控制，緩沖區地表水環境質量按(GB3838-2002)Ⅲ類水標準控制，具體限制詳見表2。其中DYQ,HZH執行國家地表水Ⅰ類標準，其余采樣點執行國家地表水(GB3838-2002)Ⅲ類標準。

表2 水質監測指標評價標準及標準值

2 結果與分析

2.1 黃洲河流域春、秋平水期水質狀況特征對比

由圖1—8可知，研究區不同采樣點的水質指標差異明顯。個別水質指標10月和4月折線圖變化具有明顯相似性，變化規律較為一致，折線呈現逐漸降低趨勢。表明秋季平水期和春季平水期水質總氮、高錳酸鹽、溶解氧，濁度差異較小且隨著河流由上游至下游具有一定的變化規律，由上游至下游水質污染減少，水體具有一定的自凈能力。10月份各采樣點均未測出糞大腸菌群，4月份BD，JGY檢測出極少量糞大腸菌群。10月份水質氨氮、高錳酸鹽指數、溶解氧含量、葉綠素a整體優于4月份，4月份水質總磷含量整體優于10月份，其他水質指標差別較小。

圖1 研究區4月和10月總磷含量變化 圖2 研究區4月和10月總氮含量變化

圖3 研究區4月和10月氨氮含量變化 圖4 研究區4月和10月高錳酸鹽含量變化

圖5 研究區4月和10月溶解氧含量變化 圖6 研究區4月和10月濁度含量變化

圖7 研究區4月和10月糞大腸菌群含量 圖8 研究區4月和10月葉綠素a含量

2.2 黃洲河流域水質現狀及污染分析

2.2.1 黃洲河流域水質單因素分析[29]單項污染指數計算方法如下所示:其中Ci為指標i的實測濃度；Si為指標i的評價標準值。Pi>1說明該污染物超標，Pi≤1說明該污染物沒有超標。

Pi=Ci/Si

通過相關文獻及實地調查，發現施秉喀斯特世界自然遺產提名地遠離城市和工廠，較少受到“三廢”的污染。但是緩沖區內有農業生產，化肥和農藥的使用對提名地水環境的保護存在威脅且上游緩沖區的河流周邊居民隨意丟棄的生活垃圾會隨著大水流到下游提名地內，造成水面污染[27]。故確定TP,TN，NH3-N,CODMn作為評價指標。表3為2017年10月和2018年4月水質單因素評價結果。10月位于遺產地核心區的DYQ，HZH總磷含量超Ⅰ類水標準，DYQ總氮含量超I類水標準，HZH總氮含量超Ⅱ類水標準。位于緩沖區的DT，CGH，SK總氮含量超出Ⅲ類水標準。BD，NJY，JGY所有指標均符合Ⅲ類水標準。4月位于遺產地核心區的DYQ，HZH總氮含量超Ⅰ類水標準，其他指標均符合Ⅰ類水標準。位于緩沖區的DT，CGH，SK總氮含量超出Ⅲ類水標準，BD，NJY，JGY所有指標均符合Ⅲ類水標準。

表3 10月和4月水質單因素評價結果

2.2.2 黃洲河流域水質均值型指數綜合評價 水質單因素評價法僅能夠清晰的表現出不同月份各采樣點的每種水質指標是否超標，為了綜合評價各采樣點的水質狀況，則采用均值型指數評價法進行評價，并通過表4查詢[30]各采樣點水質污染級別，繪制水質污染狀況詳見表5。綜合污染指數計算方法為：

式中：Pi——單項污染指數;P——綜合污染指數;n——所選取的指標個數。

由于采樣點由上至下反映的是河流上游至下游的關系，由表4可知，河流的上游到下游水質狀況逐漸改善(DYQ，HZH水質評價標準相對于其他點不同)，由重污染轉變為重污染輕污染以及尚清潔。且10月份和4月份水質污染狀況保持一致。通過折線圖、水質單因素評價以及水質均值型指數評價可知，從黃洲河上游至下游，水質污染狀況相對改善，水體有較強的自凈能力，但由于核心區和緩沖區執行的地表水環境質量標準不同，上游產生的大量污染雖然隨著河流流動得到凈化，但仍會對遺產地核心區水質產生較大影響，找出上游的污染源并對其進行控制才是保護遺產地核心區的水環境質量的關鍵，因此本文將繼續對黃洲河流域水質進行多元統計分析。

表4 地表水質量分級標準

表5 研究區10月和4月水質指標均值型指數

2.3 黃洲河流域水質多元統計分析

2.3.1 聚類分析 基于黃洲河流域采樣點聚類結果如圖9所示。在空間區域上劃分為A，B兩類A又分為A1和A2兩類。A1類水質較好，包括HZH，JGY，DYQ，NJY，表示遺產地核心區以及核心區下游的水質狀況，遺產地提名地遠離城市和工廠，較少受到污染，因此水質較好。A2類水質中等，主要包括SK，BD，表示核心區上游的緩沖區內的水質狀況，此區域流經小型水庫、耕地和鄉鎮，居民生活污水以及農業面源污染以及上游污染負荷對該區域水質影響較大。B類水質較差，包括DT，CGH，表示更為上游的緩沖區內泉眼以及支流交匯處水質狀況，此區域流經大面積耕地區以及零散的居民區，主要受到農業面源污染影響。黃洲河流域采樣點水質聚類分析結果跟水質均值型指數綜合評價結果一致，表現為流域內上游緩沖區污染較嚴重，水質較差，下游核心區主要為河水流動帶來的上游污染，由于水體有一定的自凈能力，因此水質較好，且水質由上游至下游逐漸轉好。

圖9 黃洲河流域采樣點空間聚類

2.3.2 主成分分析 在本研究中，KMO統計量為0.517,Bartlett的球形檢驗值小于0.001,說明獨立變量存在相互關系,符合主成分分析要求。利用特征值大1.0的原則篩選提取出前3個主成分(表6),它們解釋了原始變量81.009%的結果,基本反映了原數據所包含的信息。各主成分的特征值、方差貢獻率詳見表7。

表6 黃洲河流域水質監測指標相關性分析

注：*表示顯著相關，**表示極顯著相關。

表7 相關矩陣的特征值、方差和累積方差貢獻率

黃洲河流域平水期水質指標主成分分析結果詳見表8，載荷圖如圖10所示，共提取3個主成分。第1主成分的方差差貢獻率為40.247%，其中濁度、CODMn和Chl-a所占因子載荷較大，與第1主成分的相關系數均超過了0.900。CODMn是有機污染的標志，Chl-a間接反應了水體富營養化水平，而濁度則表示水中懸浮物質造成的渾濁現象，中上游分布大量居民區，生活污水、固體垃圾隨雨水流入河流，烤煙等農作物的大量種植，水質主要受到居民生活污水以及農業面源污染的影響。第1主成分反映了大量有機污染影響下水體的富營養狀態以及浮游植物繁殖而造成的水體渾濁。該區域第2主成分的方差貢獻率為23.636%，與第2主成分密切相關的因子載荷是TN和DO，TN第2主成分呈正相關，DO與第2主成分成負相關，高濃度的總氮一般反應農業徑流引起的地表水中氮物質超標，引起微生物大量繁殖，消耗水中溶解氧。第3主成分的方差貢獻率為17.126%，與第3主成分密切相關的因子載荷是糞大腸菌群，是人、畜糞便流入水體帶來的污染，反映了水體受到生活污染以及家禽養殖的影響。

表8 黃洲河流域平水期水質指標主成分分析

圖10 黃洲河流域平水期水質主成份載荷圖

3 結論與討論

3.1 結 論

(1) 水質指標單因素分析法顯示，黃洲河流域春季和秋季平水期緩沖區水質總體符合(GB3838-2002)Ⅲ類水標準，核心區水質部分不滿足(GB3838-2002)Ⅰ類水標準，污染物質主要為總氮。

(2) 水質均值型指數綜合評價法結果表明，春季平水期和秋季平水期水質污染情況基本相同，總體10月優于4月。黃洲河上游至下游，水質污染狀況相對改善，水體有較強的自凈能力，上游產生的大量污染雖然隨著河流流動得到凈化，但還是會對遺產地核心區水質產生較大影響，找出上游的污染源并對其進行控制才是保護遺產地核心區的水環境質量的關鍵。

(3) 為了便于流域水質管理，利用聚類分析將采樣點的水污染情況在空間上分為三組：核心區上游的緩沖區內的水質狀況；更為上游的緩沖區內泉眼以及支流交匯處水質狀況；遺產地核心區以及核心區下游的水質狀況。相關性分析和主成分分析結果表明：平水期黃洲河流域的污染源主要為生活污水、固體垃圾以及農業面源污染。

3.2 討 論

由研究可知，施秉白云巖喀斯特黃洲河流域平水期的主要污染因子為總氮，污染源主要是農業面源污染，以及生活污水、固體垃圾的排放。因此對施秉白云巖喀斯特遺產地進行環境保護和流域水質綜合管理時應大力推行生態平衡施肥技術和生態防治技術，減少遺產地居民對氮、磷肥料的長期大量施用，防止未被土壤吸收的肥料通過地表徑流、農田排水流入周邊地表和地下水體從而引發氮、磷等污染物超標,造成水體富營養化和有機污染。同時在農田與水體之間設置植被緩沖帶,緩沖農業面源污染物對水體帶來的污染；因地制宜選擇適應性強的污水處理模式、垃圾處理方式，防止生活污水的隨意排放以及生活垃圾進入地下水和河道，造成水體嚴重污染。