秦皇島水質(zhì)時(shí)空分布特征及歸因分析

王 竹，劉 揚(yáng)，王 芳，朱士江

(1. 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水資源所，北京 100038； 3. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

水作為人類賴以生存和發(fā)展的基本物質(zhì)條件，維系著生態(tài)系統(tǒng)自然功能的同時(shí)，也支撐著社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水環(huán)境污染造成水生態(tài)系統(tǒng)惡化，進(jìn)而引發(fā)用水緊張、用水安全等問(wèn)題。因此評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量、分析水體主要污染物的時(shí)空變化特征，識(shí)別造成水環(huán)境現(xiàn)狀的主要原因，對(duì)保護(hù)當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境質(zhì)量、維護(hù)良好的生態(tài)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用[1,2]。

目前，眾多學(xué)者普遍認(rèn)為水質(zhì)污染的影響因素主要分為自然因素和社會(huì)因素，其中自然因素有降水、流量等[3-5]，社會(huì)因素主要有人口規(guī)模、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用結(jié)構(gòu)等[6-8]。王建華等[9]在全球水資源面臨人口增長(zhǎng)、土地利用變化、氣候變化等壓力下，提出了水量水質(zhì)聯(lián)合模擬與評(píng)價(jià)模型，通過(guò)模擬計(jì)算灤河流域2006年5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)灤河干流河道水體質(zhì)量以Ⅲ類為主，劣Ⅴ類次之。夏星輝等[10,11]從水質(zhì)水量相結(jié)合的角度評(píng)價(jià)黃河的水資源狀況，認(rèn)為大約47%的水資源短缺是由水體污染所致，因此對(duì)沿岸排污進(jìn)行合理的時(shí)空優(yōu)化可以幫助緩解黃河水資源短缺的局面。石代軍[12]研究了氣溫、降水、光照、風(fēng)速等氣象因子對(duì)地表水環(huán)境質(zhì)量的變化，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)引起的氣候變化會(huì)加重氣象因子對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響。黃奕龍等[13]通過(guò)觀測(cè)深圳市近20年的水質(zhì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)工業(yè)化、城市化和土地利用格局變化是水質(zhì)退化的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制。張瑞等[14]綜合土地利用指標(biāo)分析了雅魯藏布江35年間土地利用/覆被時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)氣候和水文要素是該流域土地利用的主要驅(qū)動(dòng)因子，流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口增長(zhǎng)是城鄉(xiāng)建設(shè)用地和耕地發(fā)生變化的驅(qū)動(dòng)力。經(jīng)濟(jì)發(fā)展往往伴隨著水環(huán)境質(zhì)量的惡化，因此在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)做好污染源頭控制和清潔生產(chǎn)顯得尤為重要。

近些年來(lái)，環(huán)渤海區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口日益密集，各種污染源排入河流和海洋，造成該區(qū)域水質(zhì)惡化，環(huán)渤海區(qū)域已經(jīng)成為我國(guó)三大經(jīng)濟(jì)帶中水體污染最為嚴(yán)重的區(qū)域[15]。作為中國(guó)首批沿海開(kāi)放城市和世界最大的能源輸出港，秦皇島市工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，人口日益增多，直接導(dǎo)致了秦皇島市及其他環(huán)渤海區(qū)港口城市陸域入海河流和渤海海域水生態(tài)環(huán)境狀況的惡化。因此，本文選擇單因子評(píng)價(jià)與主成分分析相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)研究區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀，旨在識(shí)別不同季節(jié)、不同時(shí)期的水質(zhì)時(shí)空變化特征，分析土地利用與水質(zhì)污染的相關(guān)關(guān)系，為評(píng)價(jià)秦皇島市流域水質(zhì)狀況、識(shí)別流域污染主要原因提供參考，并為進(jìn)一步制定該市水資源保護(hù)和管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

秦皇島市地處河北省和華北平原東北部，北倚燕山，南襟渤海，北緯39°24′～40°37′，東經(jīng)118°33′～119°51′，位于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶，總面積7 812.4 km2。秦皇島市內(nèi)的河流分屬灤河水系和冀東沿海諸河，其中灤河在境內(nèi)的流域面積為3 773.7 km2，沿海諸河自西向東有石河、湯河、戴河、洋河、飲馬河等。隨著周邊地區(qū)近些年來(lái)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，秦皇島市水污染日益加重，生態(tài)環(huán)境受到了一定程度的破壞，也進(jìn)一步威脅著渤海海洋生態(tài)系統(tǒng)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 秦皇島市水系及監(jiān)測(cè)斷面分布Fig.1 Water system and monitoring section distribution in Qinhuangdao

(2)土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源。本研究選取2014年TM遙感影像(空間分辨率30 m)，采用ENVI 4.8軟件，進(jìn)行遙感解譯和影像配準(zhǔn)，采用最大似然分類與交互式目視解譯相結(jié)合的方法，得到2014年土地利用柵格數(shù)據(jù)。

(3)子流域劃分。研究選取地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)90 m的DEM為原始數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2中的Hydrology工具提取水系，并運(yùn)用水文分析中的Basin工具將秦皇島市劃分為7個(gè)子流域(圖2)。

2.2 研究方法

2.2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

(1)單因子評(píng)價(jià)法。單因子評(píng)價(jià)法是通過(guò)比較評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)濃度與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的大小來(lái)判斷水質(zhì)級(jí)別的方法。

(1)

表1 監(jiān)測(cè)斷面地理信息Tab.1 Geographical information of monitoring sections

圖2 秦皇島市子流域劃分Fig.2 Sub-basin division of Qinhuangdao

式中：Pi是某項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)污染值；ci是某指標(biāo)的最大實(shí)測(cè)濃度(溶解氧取最小值)；c0是某指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)Pi>1時(shí)，表示水質(zhì)超標(biāo)，反之則達(dá)標(biāo)。

(2)主成分分析法。主成分分析法可通過(guò)建立水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各斷面水質(zhì)進(jìn)行排序，并分析各項(xiàng)指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中的作用，識(shí)別主要污染因子，分析水質(zhì)污染原因。主要步驟為：

①建立原始變量矩陣X，由m個(gè)樣本的n個(gè)因子組成：

(2)

②對(duì)原始變量矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用Z-Score進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

(3)

(4)

(5)

③計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣及其特征根，確定主成分個(gè)數(shù)P；

④確定主成分Fi(i=1,2,…,p)的表達(dá)式如下：

(6)

⑤確定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F：

(7)

式中：a1m,a2m,…,anm為原始變量矩陣X的協(xié)方差矩陣∑的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；ZX1,ZX2,…,ZXn為原始變量矩陣X經(jīng)過(guò)Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值；λ1，λ2，…，λp為矩陣ZX的特征值；m為樣本個(gè)數(shù)；n為評(píng)價(jià)因子的個(gè)數(shù)；p為主成分個(gè)數(shù)。監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的時(shí)間變化趨勢(shì)采用Excel和SPSS 22軟件進(jìn)行分析。

2.2.2 土地利用與水質(zhì)相關(guān)分析

根據(jù)ArcGIS 10.2提取各點(diǎn)所在子流域的土地利用數(shù)據(jù)，采用Spearman相關(guān)分析法在SPSS 22軟件中建立水質(zhì)參數(shù)與土地利用類型面積比的關(guān)系，以定性評(píng)價(jià)土地利用類型對(duì)水質(zhì)的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)指標(biāo)時(shí)間變化特征

將2017年1-12月分為春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(1-2月、12月)、汛期(6-9月)和非汛期(1-5月、10-12月)的不同季節(jié)和時(shí)期進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)，具體統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表2，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3～圖6。

3.1.1 季節(jié)變化特征

結(jié)合表2及圖3～6可知，四項(xiàng)指標(biāo)的濃度在不同季節(jié)差異較大，且變化趨勢(shì)各不相同。具體來(lái)看，COD濃度：春季>冬季>夏季>秋季，其中秋季最優(yōu)，為Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，其他3個(gè)季節(jié)為Ⅲ類水，春季最差。這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高，春季積雪開(kāi)始融化，水流攜帶大量混合著有機(jī)物的泥沙進(jìn)入河道，導(dǎo)致COD濃度升高[17]。從全年來(lái)看，飲馬河-楊古泊村北斷面9月COD濃度達(dá)71 mg/L，超出水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)1.37倍，為研究區(qū)全年COD濃度峰值。

高錳酸鹽指數(shù)濃度：春季>秋季>夏季>冬季，在夏秋冬三季的濃度均較低，為Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)?？赡茉蚴谴焊麑?dǎo)致了農(nóng)業(yè)面源污染的增加，或存在部分工業(yè)企業(yè)偷排等現(xiàn)象[19-21]。高錳酸鹽指數(shù)年度峰值出現(xiàn)在9月的減河-364省道橋斷面，超水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)0.72倍。

表2 不同時(shí)期監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)指標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of water quality indicators of monitoring sections in different periods

3.1.2 汛期/非汛期變化特征

圖3 監(jiān)測(cè)斷面污染濃度變化(COD)Fig.3 Concentration change of pollutants in monitoring sections (COD)

圖4 監(jiān)測(cè)斷面污染濃度變化Fig.4 Concentration change of pollutants in monitoring sections

圖5 監(jiān)測(cè)斷面污染濃度變化(TP)Fig.5 Concentration change of pollutants in monitoring sections (TP)

圖6 監(jiān)測(cè)斷面污染濃度變化(高錳酸鹽指數(shù))Fig.6 Concentration change of pollutants in monitoring sections (permanganate index)

圖7 監(jiān)測(cè)斷面污染濃度變化(汛期)Fig.7 Concentration change of pollutants in monitoring sections (flood season)

圖8 監(jiān)測(cè)斷面污染濃度變化(非汛期)Fig.8 Concentration change of pollutants in monitoring sections (non-flood season)

3.2 水質(zhì)指標(biāo)空間變化特征

表3 監(jiān)測(cè)斷面年均值評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Monthly evaluation results of monitoring sections

采用主成分分析法分析4項(xiàng)指標(biāo)全年的均值，確定了一個(gè)主要包含與高錳酸鹽指數(shù)、TP信息有關(guān)的主成分，并根據(jù)成分矩陣計(jì)算所得綜合得分F值對(duì)各斷面進(jìn)行排序，F(xiàn)值越小表示斷面水質(zhì)越好。由表3結(jié)果可知，沙河-冷口(S5)、青龍河大匯合(S4)、青龍河界嶺口(S8)等斷面水質(zhì)偏好，水質(zhì)較差的斷面主要有減河-364省道橋(S15)、飲馬河-楊古泊村北(S14)、飲馬河-昌黎(S13)等。

兩種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果稍有差異，如主成分分析法認(rèn)為沙河-冷口(S5)斷面水質(zhì)相對(duì)最好，其次為青龍河大匯合(S4)、洋河青龍界嶺口(S8)等，而單因子評(píng)價(jià)法結(jié)果顯示洋河水庫(kù)壩上(S7)、石河水庫(kù)壩上(S12)水質(zhì)最好，其次為南河-青龍鎮(zhèn)(S6)等斷面。由于主成分分析法相較單因子評(píng)價(jià)考慮了多項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，評(píng)價(jià)結(jié)果的綜合性更強(qiáng)，但兩種評(píng)價(jià)方法得出污染嚴(yán)重的斷面較為一致，主要為飲馬河、減河上的S13、S14、S15斷面。整體來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)上游水質(zhì)較下游好，北部山區(qū)水質(zhì)優(yōu)于南部沿海諸河。主要原因有兩個(gè)方面，其一是各河流沿程建設(shè)攔河壩等水利工程，導(dǎo)致中下游水量較少，致使河流水體的水環(huán)境容量明顯下降；其二是工業(yè)和生活排水大部分都集中在河流中下游地區(qū)，導(dǎo)致污水排放較為集中，超過(guò)河流水體的自凈能力。

3.3 土地利用與水質(zhì)的相關(guān)性分析

3.2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

將研究區(qū)2014年土地利用柵格數(shù)據(jù)按居民用地、未利用土地、耕地、草地、水域等(一級(jí))土地利用類型進(jìn)行合并，研究區(qū)2014年土地利用狀況見(jiàn)圖9。利用ArcGIS中的疊加工具統(tǒng)計(jì)各土地利用類型在所劃分的7個(gè)子流域中的比例，具體結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 秦皇島2014年土地利用狀況Fig.9 Land use patterns of Qinhuangdao in 2014

圖10 各子流域土地利用類型比例Fig.10 Proportion of land use patterns in Sub-basins

根據(jù)各子流域中土地利用結(jié)構(gòu)可知，秦皇島市內(nèi)最主要的土地利用類型為耕地，占比42.2%，其次為居民用地和林地，分別為22.2%和22.3%，草地、水域及未利用土地占比較少，分別為10.0%、3.3%、0.05%。各子流域的主要土地利用類型均為耕地，耕地占比：W2>W3>W5>W7>W6>W1>W4，其中W2比例最高達(dá)71.5%；草地占比：W1>W4>W3>W5>W6>W2>W7，其中W1比例最高達(dá)28.2%；居民用地占比：W6>W7>W5>W4>W2>W3>W1，其中W6比例最高達(dá)39.0%；林地占比：W4>W1>W3>W6>W7>W2>W5，其中W4比例最高達(dá)47.1%；水域占比：W7>W1>W3>W6>W2>W5>W4，其中W7比例最高達(dá)6.6%；未利用土地占比：W1>W4>W3，最高比例為0.27%，W2、W5、W6和W7內(nèi)均無(wú)未利用土地。秦皇島境內(nèi)的灤河上游以林地、草地為主，下游以耕地為主，冀東沿海諸河以耕地和居民用地為主，可見(jiàn)研究區(qū)內(nèi)河流受人類活動(dòng)影響較大。

3.2.2 相關(guān)性分析

分析監(jiān)測(cè)斷面4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的平均值與各子流域2014年土地利用類型面積比例的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表4。由于本次數(shù)據(jù)來(lái)源中，在W6子流域中未設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，因此該子流域不參與相關(guān)性分析。

表4 土地流域類型面積比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析Tab.4 Analysis of the correlation between land basin type area ratio and water quality index

注：*表示顯著性水平為0.05，**表示顯著性水平為0.01。

以上分析可知，污染嚴(yán)重的河流如減河、飲馬河位于以耕地為主的W2、W5子流域，湯河位于以居民用地為主的W4子流域，而水質(zhì)較好的斷面如灤河上游、洋河水庫(kù)等位于以林草地為主的W1子流域，說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)影響程度巨大。耕地、居民用地等人類用地代表著人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度的增加，產(chǎn)生各種污水排入水體中，成為水環(huán)境污染的“源頭”；林地、草地等自然用地往往代表著豐富植被、微生物的存在，此類區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)過(guò)程效率往往較高[26]，能夠更有效地降解有機(jī)物、吸收轉(zhuǎn)化氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以上結(jié)果與相關(guān)研究[27,28]結(jié)論一致。因此，秦皇島市內(nèi)林地、草地、未利用土地的管理和保護(hù)，以及對(duì)居民用地、耕地的控制是減少水質(zhì)污染的防治關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析研究區(qū)的水質(zhì)時(shí)空變化特征發(fā)現(xiàn)：

(3)研究區(qū)耕地、居民用地等人類用地面積與污染指標(biāo)濃度呈正相關(guān)，林地、草地、水域及未利用土地等自然用地與水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。表明農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、城鄉(xiāng)生活等人類活動(dòng)是該區(qū)域水質(zhì)污染的主要來(lái)源。因此，科學(xué)耕種、節(jié)水減肥、發(fā)展集約化農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)，提高污水回收和處理率、增加林地、草地等自然用地是改善水質(zhì)惡化現(xiàn)狀、提升水生態(tài)環(huán)境狀況的必要措施。

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