永定河上游張家口地區主要河流污染物來源解析*

邵志江 劉 蓮 汪 濤

(1.中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院山地表生過程與生態調控重點實驗室，四川 成都 610041)

隨著城市和經濟的快速發展，水環境問題已成為全球最重要的環境問題之一[1]，[2]1333，[3-4]。根據原環境保護部發布的《2016年中國環境狀況公報》，全國112個重要湖泊(水庫)中，Ⅲ類水以下比例占33.9%；全國地表水1 940個評價、考核和排名斷面中，Ⅲ類水以下比例占31.3%。地表水是一個地區生活、工業和農田灌溉用水的主要水源，其水質優劣將直接影響人類和生物的健康[5]。

多元統計分析已廣泛應用于研究水質時空變化和污染源解析。例如，FAN等[6]利用多元統計分析研究珠江水質的時空變化特征，總結出珠江東部和西部的污染原因；WU等[7]綜合應用主成分分析、多元線性回歸分析研究長江流域南京段有機污染的來源；WANG等[8]采用線性回歸分析法對上海地表水水質進行時空分析，發現城市化水平對水質時空變化起主導作用；朱琳等[9]2150運用聚類分析和主成分分析等方法分析武水河水環境時空變化特征，揭示不同干支流水質狀況，識別出工業污染、生活污水和畜禽養殖等主要污染來源；馬嵐等[10]運用因子分析法研究晉江流域水體污染的來源，總結認為水環境整治需分水期針對性制定相應措施。

永定河上游主要河流包括洋河、桑干河和清水河，是官廳水庫的主要水源。而官廳水庫是永定河上游一座大型水庫，曾作為北京城市飲用水水源。由于水質污染原因，1997年退出北京飲用水體系。為緩解北京飲用水壓力，修復永定河上游主要河流迫在眉睫。同時，張家口將在2022年承辦冬奧會重要項目。因此，改善永定河上游主要河流水質對冬奧會水質保障和樹立中國美好形象尤為重要。查清張家口地區主要河流的污染物來源是改善水環境質量的前提。盡管張家口地區的水污染排放研究已有許多報道[11-13]，但都是通過總量計算來分析污染物來源，并未分流域來評估，尤其缺乏利用多元統計方法來解析水污染主要來源的研究。因此，本研究主要利用多元統計方法解析永定河上游張家口地區主要河流污染物來源，以期為永定河上游流域水環境保護和冬奧會水質保障提供基礎支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于永定河上游張家口地區(見圖1)，該地區位于河北西北部，處于113°50′E～116°30′E、39°30′N～42°10′N，東靠河北承德，東南毗連北京，南鄰河北保定，南、西南與山西接壤，北、西北與內蒙古交界，南北長289.2 km，東西寬216.2 km，總面積3.68×104km2。整體地勢西北高、東南低。地勢條件決定了張家口是京津冀城市群水源涵養、防風固沙和水土保持三大功能的交匯地帶，是維護京津冀生態安全的重要屏障，在京津冀協同發展中具有不可替代的生態地位。張家口氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，一年四季分明，冬季長而寒冷干燥，夏季短且炎熱。多年平均降水量為393.2 mm，年內、年際降雨變化較大，降雨集中在6—8月，約占全年的80%[14]。張家口地區人均水資源量為399 m3，遠低于國際公認的人均500 m3的“極度缺水標準”。

圖1 研究區域概況及監測斷面示意圖Fig.1 Overview of the study area and schematic diagram of the monitoring section

1.2 數據來源

數據來源于張家口市生態環境局國控或省控斷面長期監測數據，監測指標包括pH、DO、氨氮、高錳酸鹽指數、TP、BOD5和氟化物。流域內共有9個監測斷面(見圖1)，分別為洋河的左衛、響水鋪、雞鳴驛和八號橋，桑干河的小渡口、石匣里和溫泉屯，清水河的北泵房和老鴉莊。其中，左衛、八號橋、溫泉屯和老鴉莊為國控監測斷面。

1.3 評價方法

內梅羅污染指數評價法是美國內梅羅教授在其所著《河流污染科學分析》一書中提出的一種水質評價方法[15-16]。該方法根據所選水質指標的實測濃度和標準值，計算內梅羅污染指數(P)，與相應的等級標準指數相對照，即可得到評價等級。計算公式為：

(1)

式中：n為評價因子總數；Ci為第i個評價因子實測質量濃度，mg/L；Si為第i個評價因子類的標準質量濃度，mg/L；pmax為Ci/Si的最大值。

標準基于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的Ⅲ類標準執行，內梅羅污染指數等級劃分見表1。

1.4 數據處理

1.4.1 聚類分析

聚類分析通過在變量之間定義相似系數，代表變量之間的接近程度或相似程度。它通過相似程度的大小，將變量進行分類，形成一個表達相似程度的譜系圖。流域水質評價中常通過監測時間和監測斷面的地理位置進行聚類，分析流域水質的時空變化特征[17]。

表1 內梅羅污染指數與水質等級劃分

表2 水質參數和超標率

注：1)除pH外，其余單位均為mg/L。

表3 各指標的相關性1)

注：1)“*”表示顯著相關(p<0.05)；“**”表示極顯著相關(p<0.01)。

1.4.2 因子分析

因子分析是既可達到數據降維處理，又可將變量進行分類的統計分析方法。在多個原始變量中提取較少、互不相關的綜合指標，稱之為因子[18]。再對所歸納的因子進行解析，得出主要污染物來源。

使用Excel 2013計算內梅羅污染指數，使用Origin Pro 9.0作圖，使用SPSS 21進行相關性、單因素方差、聚類和因子分析。在多元統計分析前，為消除原始數據量綱和數量級的影響，先對數據進行Z-Score標準化處理(均值為0，方差為1)。

2 結果與分析

2.1 永定河上游主要河流水質特征

對2013—2016年9個監測斷面的監測數據進行統計分析，結果見表2。永定河上游主要河流pH為6.42～8.58，基本穩定呈弱堿性，其中小渡口監測斷面在2015年11月pH偏高(pH=8.58)。永定河上游主要河流水體DO為4.90～14.10 mg/L，與BOD5呈顯著正相關關系，與TP呈極顯著負相關關系(見表3)。永定河上游主要河流水體高錳酸鹽指數變異較大，其中最大值為8.10 mg/L，最小值為0.70 mg/L，且與BOD5、氨氮、氟化物均呈極顯著正相關關系(見表3)。值得注意的是，主要超標的水質指標為TP和氟化物。TP均值為0.16 mg/L，與GB 3838—2002中Ⅲ類標準(0.2 mg/L)接近，但超標率最高，為28.24%。氟化物均值為0.86 mg/L，超標率為22.59%。

2.2 內梅羅污染指數評價法綜合評價

由表4可見，洋河監測斷面水質2013-2014年污染較重，除左衛斷面外其余3個斷面基本呈中度污染；2014年后，洋河監測斷面水質逐漸轉好，其中2015年僅響水鋪斷面出現中度污染；2016年洋河水質基本轉好，4個斷面均達到清潔水平。2013以來，桑干河監測斷面水質均處于清潔水平，水質較好。清水河監測斷面僅在2014年水質受到輕微污染，其他年份水質污染程度均處于清潔水平。總體而言，永定河上游主要河流水質在2013-2016年逐漸改善。

表4 內梅羅污染指數評價結果

圖2 空間和時間的聚類分析Fig.2 Temporal-spatial cluster analysis

2.3 聚類分析結果

對2013—2016年永定河上游主要河流的9個監測斷面進行空間聚類分析，采用Ward算法，以歐氏距離平方(SED)為度量標準，SED越小，聚類結果越顯著[2]1337。當SED =5時，9個斷面聚類為3組，如圖2(a)所示。第1組為雞鳴驛、響水鋪和八號橋，主要位于洋河中下游，水污染相對較嚴重，屬于中污染斷面；第2組為北泵房和左衛，主要位于洋河上游和清水河上游，水質屬于輕污染；第3組為石匣里、溫泉屯、老鴉莊和小渡口，主要位于桑干河和清水河下游，其中石匣里、溫泉屯和小渡口離市區遠、靠近農村區域，而老鴉莊位于市區內，水質均屬于清潔斷面。根據每個月的水質參數進行時間聚類分析，采用最近鄰元素方法，以歐氏距離為度量標準。當歐氏距離為23時，可將12個月分為2組(見圖2(b))。第1組為4—10月，屬于張家口的主要降水月份，稱之為豐水期。第2組為1—3、11—12月，降水量低，屬于張家口的枯水期。這與張家口月份降水量有一定的相似性，但不完全一致。GU等[19]研究千島湖時得出，盡管周期的劃分可給采樣提供一定的實用性，但水質變化與自然季節和干濕時期并不嚴格一致。

2.4 空間聚類不同指標對比分析

將永定河上游張家口地區主要河流水質指標按空間分類結果輸入到Origin Pro 9.0中，制成箱線圖，并采用單因素方差分析進行不同組之間的均值比較，結果如圖3所示。DO均值第1組最大，各組之間差異顯著。高錳酸鹽指數均值第1組最大，與其他兩組之間差異顯著。BOD5均值第1組最大，3組之間無顯著差異。氨氮均值第1組>第3組>第2組，第1組與其他兩組之間差異顯著。TP均值第1組>第2組>第3組，最大值出現在第1組，最小值出現在第2組，第3組與其他兩組之間差異顯著。氟化物均值第1組>第2組>第3組，最大值和最小值均出現在第1組，第1組與其他兩組之間差異顯著。

2.5 時間聚類不同指標對比分析

由圖4可知，豐水期和枯水期之間有顯著差異的只有DO和TP。DO平均值為枯水期>豐水期，可能原因是枯水期主要在冬季，溫度低。值得注意的是，豐水期TP平均值明顯高于枯水期，這可能與豐水期降雨徑流較多而導致農田土壤磷素隨徑流遷移有關。

注：圖上標注字母不同表示差異顯著(p<0.05)，圖4同。圖3 比較不同空間分組的指標數據Fig.3 Comparison of indicator data of different spatial groups

2.6 污染源解析

對3組監測斷面(空間聚類分析結果)的水質數據集進行標準化，再進行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)度量和Bartlett檢驗，KMO值一般認為其值大于0.6(其值域為0～1)適合做因子分析。經計算得到第1、2、3組KMO值分別為0.68、0.64和0.62。因此，3組均適合做因子分析。空間分析的旋轉因子載荷矩陣見表5。

在第1組，F1的貢獻率為39.05%，其中高錳酸鹽指數具有較大因子載荷，與F1呈正相關關系。高猛酸鹽指數是一種有機污染指標，主要來自工業污染廢水排放和快速城市化造成的不受控制的生活污水排放[20]。第1組區域主要為洋河中下游，區內包括下花園區、宣化區和懷來縣等，區域內主要有鋼鐵、制藥、印染和釀造等重大工業企業，河道接納大量工業廢水，可能是造成高錳酸鹽指數具有較大因子載荷的原因，因此將F1的污染源定義為工業污染。F2的貢獻率為21.69%，其中氟化物具有較大因子載荷，氟化物一般來自水泥廠、氟化工廠和冶煉廠[21]。并且第1組氟化物平均值超過GB 3838—2002中Ⅲ類標準值(1.0 mg/L)(見圖3(f))，說明受氟化物的污染較嚴重。查閱2016年各縣區工業數據[22]可知，洋河中下游區域的水泥和冶煉等相關企業廢水排污量占總排污量的18.9%，因此將F2的污染源也定義為工業污染。F3的貢獻率為15.59%，其中TP具有較大因子載荷，TP的污染一般來自農業徑流、市政污水和化肥廠廢水等[23]，由于該組城鎮化發展水平較快，部分區域市政處理設施未配套完整，仍存在污水未處理就排放進入河道，因此F3污染源可能為城市生活污水。

圖4 比較不同時間分組的指標數據Fig.4 Comparison of indicator data for different temporal groups

在第2組，F1的貢獻率為34.01%，其中TP具有較大因子載荷，該組斷面主要位于洋河上游和清水河上游，流域內主要以農業生產為主，區域氣候惡劣，植被稀少，加上人為開墾力度大，水土流失相對嚴重，暴雨使土壤中氮磷隨徑流進入河流，引起水體污染物濃度升高，從而影響水環境[24]，因此污染可能來源于農業面源污染。F2的貢獻率為22.29%，其中氨氮具有較大因子載荷，高濃度氨氮一般主要是來自生活污水和化肥廠廢水等[25]，萬全區和崇禮區化肥企業并不多見，且在清水河上游崇禮區還存有部分生活污水直排進入河流現象，因此污染可能來源于生活污水。F3的貢獻率為16.56%，其中BOD5具有較大因子載荷，BOD5主要來源是畜禽養殖和生活污水[9]2153，崇禮區自冬奧會申請成功后，旅游業發展較快，游客較多，因此污染源可能為生活污水。

表5 空間分析的旋轉因子載荷矩陣

在第3組，F1的貢獻率為32.17%，其中氨氮具有較大因子載荷，第3組斷面主要位于桑干河和清水河下游，其中桑干河流域的陽原縣和涿鹿縣為張家口農業大縣，種植業發展較好，而清水河下游的張家口市區出現氨氮具有較大因子載荷的可能原因是城市內源污染排放和城鄉結合部的農業面源污染，因此將F1污染來源定義為農業面源污染。F2的貢獻率為23.25%，其中BOD5和TP具有較大因子載荷，陽原縣和涿鹿縣畜禽養殖業較多，因此將F2歸于畜禽養殖污染。F3的貢獻率為16.06%，其中DO具有較大因子載荷，DO主要是有機物質以DO為代價進行氧化，陽原縣的主導產業主要為煤炭物流、皮毛加工和陶瓷等，其中皮毛加工可能為有機物污染的主要來源，因此將F3解釋為有機物污染。

3 對策建議

在對永定河上游張家口地區主要河流的污染物來源解析的基礎上，結合國內河流湖泊治理的經驗，對永定河上游張家口地區的水污染問題提出治理對策：

(1) 嚴控工業污染，提升生產綠色化水平。工業污染治理主要以下花園區、宣化區和懷來縣為主，調整產業結構，加快傳統產業轉型，實施綠色清潔生產。加快清潔生產產業園建設，提高工業廢水集中處理率，嚴格要求鋼鐵、制藥、印染和釀造等重大工業企業的廢水排放必須達到相應標準。

(2) 加強城市生活污水處理。城市生活污水排放是張家口地區水污染中的重要來源，因此必須嚴格控制城市生活污水排放，加強城市水污染治理。對于張家口地區城市水污染治理問題，首先完善給排水管網系統，鼓勵實施海綿城市建設，提高城市水系統的蓄水和自凈能力。其次，加大投入，在維持現有污水處理廠正常運行的情況下，引進國際先進污水處理工藝和技術，提高污水處理效率。

(3) 加強農業面源污染治理。永定河上游張家口地區農業面源污染治理方面，主要包括農田面源污染、畜禽養殖污染和農村生活污染。面源污染具有來源分散和復雜、污染物濃度低和治理難等特征[26]，需從污染物的源頭、遷移等過程入手，建議結合“4R”技術[27]進行控制。近年來，農藥、化肥使用量日益增多，建議減少使用并提倡使用有機肥料和生物農藥。對于畜牧養殖區域，推廣種養結合，大力提高糞便資源化利用水平，建設污水收集和處理設施，實現廢水達標排放。對于農村生活污水，建議建設分散式小型生活污水處理設施，或利用周邊自然環境建設生態溝渠等工程措施，削減氮磷濃度后再排放進入河網。

4 結 論

(1) 2013—2016年，TP、氟化物的超標率分別為28.24%、22.59%。基于內梅羅污染指數評價，桑干河水質所有監測斷面水質污染均為清潔，水質最優；洋河的3個監測斷面污染相對較嚴重，大部分斷面屬于中度污染；清水河斷面在2014年受到輕度污染，其他年份水質均為清潔。總體而言，永定河上游主要河流水質在2013—2016年逐漸改善。

(2) 時空聚類分析結果表明，在空間上，9個監測斷面可分為3組，第1組為雞鳴驛、響水鋪和八號橋，主要位于洋河中下游，水污染相對較嚴重；第2組為北泵房和左衛，主要位于洋河上游與清水河上游，水污染較輕；第3組為石匣里、溫泉屯、老鴉莊和小渡口，主要位于桑干河和清水河下游，水質清潔。在時間上，12個月可分為兩組，分別為豐水和枯水期。

(3) 空間聚類不同指標對比結果表明，第1組與其他兩組之間高錳酸鹽指數、氨氮和氟化物差異顯著，3組之間DO差異均顯著，3組之間BOD5差異均不顯著，第3組與其他兩組之間TP差異顯著。時間聚類不同指標對比結果表明，豐水期和枯水期之間有顯著差異的只有DO和TP。

(4) 污染物來源分析結果表明，洋河中下游主要污染物來源于工業污染和城市生活污水，洋河上游和清水河上游污染物來源于農業面源污染和生活污水，桑干河和清水河下游主要污染物來源于農業面源污染、畜禽養殖污染和有機物污染。