洋河水質現狀及其成因分析

張敏, 李令軍, 趙文慧, 郭逍宇, 許金浩, 王鑫龍, 趙文吉,*

洋河水質現狀及其成因分析

張敏1, 李令軍2, *, 趙文慧2, 郭逍宇1, 許金浩1, 王鑫龍1, 趙文吉1,*

1. 首都師范大學資源環境與旅游學院, 北京 100048 2. 北京市環境保護監測中心, 北京 100048

為探究洋河水質現狀, 利用2017年11月至12月水質實測數據, 分析了洋河10項水質指標的異質性及其成因。結果表明: (1)單因子指數評價結果: 洋河總體水質較差, 不同地段差異明顯?；诟鲾嗝嫠|現狀與評價結果來看, 總體達標率為25%, 下游污染較嚴重達標率為0%, 主要超標因子為COD、TP、DO、NH4+-N和濁度。(2)分析上下游水質變化特征, 發現上游水體中濁度變異系數最大, 其次是TP和BOD5; 下游水體中TP變異系數最大, 其次是BOD5, 表明水質呈現一定變異性。(3)基于遙感影像, 提取河岸兩側一定范圍內的土地利用類型并與水質要素進行相關性分析, 洋河上游主要以面污染源為主, 下游主要以點源污染為主。耕地、城鎮、建設用地、水面和草地對水質的影響較顯著。(4)統計分析流域區縣社會經濟結構并建立與水質要素間相關關系, 結果顯示洋河流域水生生態系統較脆弱, 下游受工業企業的污染貢獻較大。人口、農產品、水產品產量和綜合能源消耗量對水質影響顯著。

水質現狀; 土地利用; 能源產業結構; 相關性

0 前言

洋河作為官廳水庫的主要入庫河流之一, 多年來倍受關注。由于洋河及其他河流流域管理措施不當、生態環境脆弱以及大量污水排入河道等原因導致入庫河流水質嚴重超標[1], 1997年水庫被迫退出城市生活飲用水體系[2]。之后經過各個政府相關部門的努力工作, 水質得到改善。但是, 受人類活動的影響, 水庫水質現狀依然不容樂觀, 洋河流域非點源污染現象嚴重, 改善水庫水質加強流域綜合管理的工作依然艱巨[3]。已有許多學者證明土地利用類型與水環境質量之間存在明顯的相關關系[4-5], 土地利用的方式、強度、空間布局和覆蓋類型所導致水環境能量傳輸發生變化而顯著影響水環境質量[6]。此外, 還有研究表明流域社會經濟發展與水資源間存在緊密的聯系[7], 區域產業結構、能源結構的不合理會對水資源造成一定危機[8]。因此, 為應對北京市水資源匱乏和洋河流水質下降的現狀, 研究洋河水質現狀與流域土地利用類型的響應關系, 并分析洋河流域能源產業結構以及水資源現狀有著重要意義。

洋河流域早期研究集中于水體水質與河岸不同土地利用類型的土壤中重金屬間相應關系的研究。2014年譚冰等學者研究洋河流域屬萬全縣一帶受重金屬污染存在潛在風險, 主要以Cr和Hg污染嚴重, 導致水質已不滿足漁業養殖用水[9]。商靖敏等學者研究了洋河流域不同土地利用類型的表層土壤中Se含量存在顯著的空間異質性[10]。龐博等學者研究了洋河流域張家口段河流水質演化及其驅動因子, 表明該河段主要污染物有氨氮、高錳酸鹽指數、BOD5,重金屬Cr6+和Cd等, 主要的驅動因子是土地利用類型的變化[11]。此外, 另有學者致力于研究洋河流域生態服務的價值, 羅維等學者研究了從1990—2013年洋河流域土地利用的時空變異對生態服務功能價值的影響, 發現洋河流域土地利用除了林地和未利用地, 其他類型用地的年總生態服務價值先增加后減少, 總體呈現減少的趨勢, 林地、草地和耕地是洋河流域生態服務的主要貢獻者和生態服務價值的主要敏感因子[12]。綜上所所述, 針對洋河流域水環境保護現有的研究集中于水體中水質要素與近岸土地利用類型間的相關性分析, 本文將在此基礎上進一步分析流域能源產業結構對洋河的污染貢獻。

根據調查結果顯示, 洋河上游與下游水環境質量存在較大差異, 上下游流域河岸帶土地利用和流域區縣能源產業結構出現不同比例的變化。為有針對性的改善洋河水環境質量, 本項研究將分上游和下游兩大區域探究上下游水質空間異質性并分析其成因。運用單因子評價法評價洋河水質現狀, 分析上下游水質存在的差別, 以及上下游水質與河岸土地利用類型的相關關系, 探究水質要素對土地利用的響應關系, 結合年鑒統計數據分析流域能源產業結構對河流造成的污染, 最終確定上游和下游存在的主要污染源。結果顯示, 洋河上游主要以面源污染為主, 下游主要以點源污染為主。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

洋河是永定河的支流, 位于113°29′32″E—115° 43′40″E, 39°59′42″N—41°15′3″N之間。地處我國北方農牧交錯帶, 流域近河岸帶1500 m范圍內土地覆蓋類型主要以耕地為主, 流經村鎮河岸帶以居民地、草地和林地為主, 偶爾會有工廠和建設用地。洋河流域主要包括三大支流: 南洋河、東、西洋河。西洋河發源于烏蘭察布的興和縣, 南洋河發源于山西省的陽高縣, 在懷安縣附近匯合, 稱為洋河。沿途流經張家口市、宣化、下花園、懷來等地后, 在懷來縣朱官屯與桑干河一并匯入永定河, 注入北京官廳水庫。流域面積15078 km2, 總長度262 km, 平均海拔1000 m以上[13]。洋河位于東亞大陸季風氣候區, 夏季涼爽, 冬季寒冷漫長, 年降水量(375±25) mm, 年均氣溫7.7℃, 屬于典型的干旱、半干旱氣候, 河流主要以降水為補給來源, 河岸帶植被覆蓋類型單一, 生態環境脆弱[14]。

1.2 數據獲取與處理

1.2.1 采樣及樣品測定

根據對洋河流域的實地考察與遙感影像結合分析, 在洋河干流以及匯入干流的支流布設監測斷面。對于經過村莊、城鎮和工廠、農田等面污染源的河段加設采樣點。 2017年11月至12月在洋河干流布設8個監斷面。如圖1所示為洋河監測點布設情況及河岸緩沖區內土地利用類型信息。

由于條件限制, 現場監測所用的水質儀只能測定所需指標中7項, 其余的樣品采集后進行實驗室分析。現場監測與采樣時, 每個監測斷面等距布設3個采樣點, 水質儀測定三次后取平均值作為該斷面水質參數值; 實驗室分析則用采樣器采集液面下0.5 m處的水樣, 將3個采樣點的水樣均勻混合后保存至聚乙烯瓶中, 帶回實驗室后測定基礎指標。水樣的采集、保存、運輸依據《水和廢水監測分析方法》( 第4版)?，F場測定使用OTT Hydrolab DS5X多參數水質監測儀和手持GPS定位儀, 對采樣點的水體進行實時在線測定, 測定包括溶解氧(DO)、pH、氨氮(NH4+-N)、總溶解固體(TDS)、藍藻素(SPC)、氧化還原電位(ORP)、濁度等水質參數, 并同時記錄采樣點的經緯度與高程。所要測定的化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)等指標嚴格按照《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T91-2002)中規定的方法采集樣品后帶回實驗室測定。

圖1 研究區水質監測采樣點及土地利用類型信息

Figure 1 Water quality monitoring sampling point and land use type information in the study area

1.2.2 遙感數據處理及土地利用信息提取

選用研究區2017年2月和8月兩期高分影像數據, 在幾何糾正和大氣糾正基礎上, 以主干河流兩側1500 m為緩沖區, 采用面向對象分類計數, 提取區內土地利用信息。根據《土地利用現狀分類標準》(GB/T21010-2007)一、二級分類標準進行分類, 選用包括耕地、園地、林地、城鎮、草地、裸地、水面(本文為水產養殖池)和建設用地(包括工廠)八類土地覆蓋類型為研究對象, 并獲取緩沖區內各類土地利用的矢量數據。

1.2.3 洋河流域各區縣經濟統計數據

選取2016年《張家口經濟年鑒》中洋河流域各區縣生產總值、規模以上工業企業能源消費情況等作為原始數據進行分析。

1.2.4 研究方法

單因子指數評價法單因子評價法是指在參與水質評價的監測點中, 各項水質指標的實測值與目標水質指標濃度限值的比值[15]。

描述統計分析利用spss19.0軟件的描述統計功能可分析數據樣本的結構和總體情況, 反映數據背后的實際情況。對水質要素的數據進行總體分析, 所得平均值、中位數、最大最小值和變異系數可直觀的表達洋河水質的集中趨勢和現狀。

Pearson相關性[16]利用spss19.0軟件的相關性分析功能分析洋河監測點周邊土地利用面積與水質要素的相關性, 可反映土地利用類型對水質產生的影響[17]。

3 結果與分析

3.1 洋河流域水質現狀特征分析

采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中III類標準為水質目標利用單因子污染指數法評價水質現狀。見表1, 從洋河整體流域來看, 水質較差, 達標率僅為25%; 主要超標因子為COD、TP、DO。pH值范圍在8.1—11.23, 呈堿性; 遠超出地表水環境III類標準。

分上下游來看, 洋河上游達標率為50%, 而下游達標率僅為0 ; 說明洋河下游污染狀況比上游要嚴重。洋河上游IV類占河段50%; 洋河下游V類水質占河段的50%, 洋河下游COD在各斷面均超標。在87號斷面水質指標TP超編現象較為嚴重, 導致該河段歸為劣V類水質, 現場觀察到水體呈現淺褐色。結果顯示, 洋河流域自上游向下游各水質要素呈現增加的趨勢, COD值顯著增加, 表現出下游河段水質污染較上游嚴重。為探究這一現象, 將洋河流域分上下游兩個單元進行水質污染特征分析。

將洋河流域的各指標均值與對應的地表水環境質量標準對比后可知整個流域DO、COD、TP均超過了地表水Ⅲ類標準, pH值呈堿性。是洋河流域應重點加以控制的主要因子。從上下游河段統計特征情況看: (1)洋河上游表現為DO、COD、TP和濁度均超過了地表水Ⅲ類標準, 除濁度超標率達100%, 其余水質因子超標率均達25%。pH均值為9.895, 最小值為8.1, 上游呈弱堿性并超出正常值范圍, 是上游應重點加以控制的主要因子。從變異系數來看, 表現為濁度變異系數最大(160%), 其次TP是(85.8%)和BOD5是(70%); 離散程度較高。(2)洋河下游表現為DO、COD、TP、NH4+-N和濁度均超出地表水Ⅲ類標準。其中TP、濁度和pH值超標率達100%, 其余水質因子超標率為25%。pH均值為11.21, 最小值為10.83, 下游呈現強堿性嚴重超出正常范圍, 是洋河下游應重點加以控制的水質因子。從變異系數來看, 表現為TP變異系數最大(130.1%), 其次是BOD5(98.1%); 離散程度較高。

3.2 水質異質性成因分析

3.2.1 河岸土地利用類型與水質變化的關系

對近河岸帶500 m、1000 m、1500 m區內土地利用類型信息樣本統計分析。由圖2可知, 洋河河岸帶主要以耕地為主, 其次是城鎮, 建設用地及工廠占總統計面積最少; 上游緩沖區內三個尺度下耕地面積均占分類總面積的88%以上, 林地、城鎮用地都占3%—7%, 而建設用地及工廠占總面積不足1%; 下游緩沖區內三個尺度下耕地均占分類總面積76%—77%, 城鎮用地占4%—10%, 草地占2%—9%, 建設用地及工廠用地占4%—5%, 水面(水產養殖池)占2%。說明洋河上游流域主要以面源污染為主, 河岸帶土地利用類型較為單一。洋河下游河岸耕地面積減少, 草地、園地、林地和建設用地增加導致耕地面積所占比例顯著減少。土地利用豐富度增加, 說明受人類活動影響增加。城鎮化率提高、人口增加是導致土地利用類型發生空間變異的主導因素[18]。

注: “- ”為未超標

圖2 洋河河岸帶緩沖區內不同尺度下土地覆蓋類型信息

Figure 2 Information on land cover types at different scales in the buffer zone of the Yanghe riparian zone

為探究水質要素變異性與土地覆蓋類型間的響應關系, 選取代表性的5項水質指標作為數據樣本。如圖3 所示, 發現5項指標均呈現出向下游污染加重的現象, 并且最大值均出現在下游。從各項指標變化情況來看, COD變化最顯著, 下游水體中該項指標明顯高于上游, 并且最大值出現在下游; 其次是BOD5, 上游水體中該項指標值變化緩慢且接近于1(mg/L),下游水體中該指標值變化顯著且出現最大值。TP、DO和NH4+-N變化較緩, 其中由水質現狀評價結果來看, 下游水體中TP的濃度值要高于上游水體中的。從水質要素累積量來看, 下游總累計量明顯大于上游, 其中87號點累計量達最高值其次是86號點和85號點, 表明下游水體中污染物的量大于上游水體中的。結合圖2結果, 發現上游河岸兩側以農田耕地為主要土地覆蓋類型, 偶有工廠出現。河岸兩側以河灘地為主, 面源所產生的污染物可直接進入水體污染水質, 由此可認為上游主要受到面源污染為主。由于下游河岸兩側的工廠、城鎮等用地增多, 耕地面積所占比例減少。由于建設用地及工廠、城鎮等用地的增加, 下游水體受到點源污染加重?？傮w來看, 洋河上游主要以面污染源為主; 洋河下游則傾向于點污染源。

3.2.2 水質要素與河岸帶土地利用類型間相關性分析

以洋河兩岸不同緩沖區內各土地利用類型面積和9項水質指標作為基礎分析數據, 計算土地利用類型與水質之間的Pearson相關性, 結果見表2。

洋河河岸帶500 m緩沖區內, COD、ORP、DO和濁度與土地利用類型的面積未出現顯著相關性, BOD5與耕地呈現高度相關性; TP和NH4+-N與建設用地、裸地和城鎮的面積呈高度相關性, NH4+-N還與草地面積呈較高的相關性; TDS和SPC與水面(水產養殖池)面積呈現很高的相關性。

洋河河岸帶1000 m緩沖區內, DO和濁度與土地利用類型的面積未出現顯著相關性; COD與草地呈現很高的相關性; BOD5與水面、城鎮和耕地呈現很高的相關性; TP和NH4+-N與建設用地、裸地、園地的面積呈高度相關性, 此外TP與城鎮, NH4+-N與草地也呈現較高的相關性; TDS和ORP與林地和水面面積呈現較高的相關性; ORP與水面面積呈現較高的相關性。

圖3 采樣點水質要素濃度累積柱狀圖

Figure 3 Concentration accumulation histogram of water Quality Element at Sampling Point

洋河河岸帶1500 m緩沖區內, DO和NH4+-N與各土地利用類型未出現顯著相關性, 其余水質要素均與土地利用類型面積均呈現一定正相關。其中, BOD5與水面、城鎮和耕地顯著相關, 與耕地相關性最顯著; COD與建設用地及工廠、草地呈現出顯著的正相關關系; TP與建設用地及工廠、裸地和城鎮呈現出顯著正相關關系。TDS和SPC均與林地呈現出顯著正相關; ORP與耕地呈現出現在正相關關系; 濁度只與城鎮表現正相關關系。說明河岸帶緩沖區內土地利用類型對水質有不同程度影響, 流域土地利用類型的變化可以引起水質的變化?？傮w來看, 河岸1000m緩沖區內土地利用面積與水質呈現的相關性程度最高, 說明該范圍內污染源對河流水質產生最為復雜的影響。應對該范圍內景觀格局制定合理的生態治理與生態保護政策。

3.2.3 流域區縣能源和產業結構污染貢獻分析

由2016年張家口市經濟年鑒中統計數據進行分析, 結果如圖4所示。可以看出洋河上、下游流域產業結構的變化對比: 由上游至下游, 第二產業所占比重增加且增量最高, 其次是第一產業稍有增加; 第三產業所占比重顯著降低。上游流域區縣第一、二、三產業比重為14.92:34.28:50.79, 到下游變為16.48:39.14:44.38其中第二產業增加了近5個百分點, 表明工業成為經濟增長的主體。隨著經濟不斷增長, 產業結構不能得到合理調配, 再加上傳統的污水處理設備及技術不能滿足工業規模的擴大速度, 區域污水處理效率低下, 可導致水環境質量下降[19]。

表2 不同緩沖區內土地利用面積與水質要素含量間Pearson相關性

注: “**”為在 .01 水平(雙側)上顯著相關?！?”為在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。“-”為負相關

圖4 洋河流域各區縣產業結構信息

Figure 4 Industrial structure information of urban areas and county towns in the Yanghe River Basin

能源消耗與用水間存在復雜關系, 能源的開采與使用過程中需消耗大量水資源, 并產生大量工業廢水。同時, 在取水、用水和回收處理過程中, 需要消耗大量能源。面對區域水環境質量下降的問題, 基于水資源與能源間的相互關系, 本文將以洋河流域區縣工業企業能源消費量為原始數據進行分析, 結果如圖5 所示。

發現洋河上游與下游流域區縣能源結構變化顯著。其中焦炭增加量最大, 其次是能源消費總量、原煤量和電力消費量, 最后是汽油和柴油用量。煤炭與煤制油、氣兩大企業是用水較大的企業, 企業運營過程中產生大量廢水, 對水環境污染起到較大貢獻[20]。綜上所述, 可以認為下游污染主要由于工業企業的活動影響, 流域區縣能源、產業結構的合理調控是水環境保護的重點工作。

3.2.4 流域區縣經濟因素與水質間相關關系

統計洋河流域各區縣經濟年鑒中8項數據作為影響水質的環境因子, 計算這些環境因子與水質要素之間的相關關系, 結果如表3所示。

圖5 洋河流域各區縣能源消費現狀

Figure 5 Current status of energy consumption in urban areas and counties of Yanghe River Basin

表3 洋河流域社會經濟與水質要素間Pearson相關性

注: “**”為在 .01 水平(雙側)上顯著相關。“*”為在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。“-”為負相關

流域各區縣的經濟因素作為影響水質要素的因子來看: BOD5受各類因子影響最復雜, 其中人口與該要素呈顯著正相關關系, 而且主要是與農村人口呈現顯著正相關關系; 農產品、水產品的產量以及區域GDP與該水質要素呈現較顯著的正相關關系, 由此可以表明BOD5受農村居民的生活活動影響最大。NH4+-N和COD受綜合能源消耗量影響較大, 相互之間呈現出顯著正相關關系, 說明NH4+-N和COD受到工業活動的影響最大。結合水質評價結果來看, COD是洋河主要超標的水質要素之一, 保護水環境質量重點應該落實到對區域能源結構調整的工作上。

4 結論

綜上所述, 洋河流域水質污染較嚴重, 下游比上游污染更嚴重。上游主要以DO、COD污染物為主, 表明上游水體中有機污染物含量較高, 經土地利用類型的分析結果顯示, 洋河流域整體以耕地面積為主, 尤其集中于上游, 多以面源污染為主, 是水環境保護的重點。下游主要以COD、TP污染物為主, 建設用地和城鎮面積增加, 主要表現為點污染源。通過水質要素與土地利用類型間相關性分析, 表明河岸帶緩沖區內各水質要素與土地利用類型面積呈現出不同程度的正相關關系。導致水體污染的因素主要為耕地、城鎮、建設用地、水面和草地。對洋河流域各區縣能源、產業結構的分析。發現洋河流域自上游向下游, 工業越來越成為流域經濟增長的主體, 能源消費水平顯著增加。表明, 洋河下游流域受工業企業的污染較大。為保護水生態的穩定需要大力調節當前社會經濟的發展方向, 將資源能源型社會轉向環境友好型。

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Present situation of Yanghe water quality and analysis of its causes

ZHANG Min1,LI Lingjun2,*, ZHAO Wenhui2, GUO Xiaoyu1, XU Jinhao1, WANG Xinlong1, ZHAO Wenji1,*

1. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China 2. Beijing Municipal Environment Monitoring Center, Beijing 100048, China

The water quality of Yanghe River between November and December 2017 was monitored, with spatial heterogeneities and their dependencies of ten indices analyzed. The results show that: (1) Based on the results of single-factor pollution index, the overall water quality of Yanghe River was poor, and presented distinct spatial differences. The water quality evaluation results of only 25% of the sampling sites along the river met the standard. Water quality in the downstream became even worse, with none of the water samples collected meeting the standard. The main indices which exceeded the standard included COD, TP, DO, NH4+-N and turbidity. (2) Spatial variation of the water quality was observed. In the upstream, the coefficient of variation of turbidity was the greatest, followed by TP and BOD5; while in the downstream, the coefficient of variation of TP was the greatest, followed by BOD5. (3) The correlation between water quality and land use types within a certain range of river banks on both sides extracted by remote sensing data was conducted. In the upstream, non-pointsources were the dominant pollution sources; while in the downstream, point sources were dominant. The water quality was significantly affected by cropland, town and construction land, water surface and grassland. (4) The correlation between water quality and socio-economic factors of counties in the river basin was analyzed. The aquatic ecosystems in the Yanghe River Basin were relatively vulnerable, and the downstream of river was heavily polluted by the industry. Socio-economic factors such as population, agricultural products, aquatic production and integrated energy consumption had significant impacts on water quality.

water quality status; land use; energy industry structure; correlation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.012

X522

A

1008-8873(2019)04-077-08

2018-09-02;

2018-10-23

國家青年科學基金項目(41101404); 水源保護區水質情況評價方法研究(01117220010037)

張敏(1994—), 女, 內蒙古鄂爾多斯市人, 碩士生,主要從水土污染研究, E-mail:455944412@qq.com

趙文吉E-mail: zhwenji1215@163.com; 李令軍lilj2000@126.com

張敏, 李令軍, 趙文慧, 等. 洋河水質現狀及其成因分析[J]. 生態科學, 2019, 38(4): 77-84.

ZHANG Min, LI Lingjun, ZHAO Wenhui, et al. Present situation of Yanghe water quality and analysis of its causes[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 77-84.