大型水庫以上水體面源污染負荷定量識別技術應用

戚衛偉

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115000)

水庫控制流域內的其他水庫以及河流都可為其以上水體范圍，小凌河、牤牛河和老哈河為白石水庫以上控制范圍內的主要河流[1]。水體流域范圍由大凌河及其支流集水區組成，水資源計算面積17649km2，區域內多年平均降水量在450～500mm之間，多年平均地表徑流深為39.18mm[2]。大凌河(白石水庫以上)干流主要流經朝陽市、支流小凌河主要流經北票市，支流大凌河西支主要流經凌源縣，白石水庫壩前位于北票市。該區域為白石水庫水源保護區范圍，是《白石水庫飲用水水源保護條例》重點實施區域，上游河道為輸水道和水源涵養區，其中大凌河輸水道也是白石輸水工程的輸水通道[3]。水庫的主要功能隨著社會不斷發展已逐步轉變供水功能，遼寧西部的朝陽市2300萬供水人口的主要飲用水源地為白石水[3]。近些年來，隨著空間上具有連續的白石水庫以上水體范圍內的農業、工業以及畜牧業的不斷發展以及大量農業化肥的使用，白石水庫多個水質指標的變化使得水庫供水安全產生不同程度的影響[4]。對于白石水庫以上水體水質情況，目前已有部分相關研究[5- 14]，研究成果均白石水庫水質和富營養化發展趨 勢嚴峻，造成這種情況的重要原因為面源污染，主要來源于種植業、 養殖業、林業和農村生活污水。查清水庫區域水質狀況及其污染情況至關重要，對水源保護、水污染治理、水生態恢復起到基礎性指導作用。為此本文通過分析水庫以上水體面源污染負荷定量識別技術，對白石水庫水體面源污染負荷進行追蹤溯源分析，從而提出相對應的保護措施。

1 水體污染定量識別技術

通過采樣主成分分析方法，對水庫污染指標及其環境影響因素進行關聯分析，并基于區域農業、工業、畜牧業等特征進行綜合定量識別。主成分數學模型的方程為：

z1=μ11x1+u12x2+…u1pxpz2=μ21x1+u22x2+…u2pxp………………………………zp=μp1x1+up2x2+…uppxp

(1)

式中，z1、z2、…、zp—p個主成分；x1、x2、…、xp—不同水質指標變量的；μ—各指標之間的關聯度，其主要計算步驟如下：

(1)首先對各水質指標進行標準化處理，得到各污染指標之間的標準轉換方程。

Z1=μ11x1+u12x2+…up1xpZ2=μ21x1+u22x2+…up2xp………………………………Zp=μp1x1+up2x2+…uppxp

(2)

其中，

(3)

(4)

(5)

式中，var—樣本方差；cov—協方差。

(2)對各指標進行主成分分析。

z1作為第一主成分的計算條件為：

(6)

var(zi)=maxvar(u′x)

(7)

z2作為第一主成分的計算條件為：

cov(z1，z2)=0i

(8)

(9)

var(z2)=maxvar(u′x)

(10)

其余主成分所滿足的條件以此類推。本文對水質參數進行主成分分析、對水質參 數和環境因素進行 Spearman 相關性分析，識別潛在的污染源。考慮 到不同水質指標數據數量級上的差異，先將數據進行標準化處理。

2 全部樣點水質參數統計分析

2.1 采樣概況

每年6—10月為白石水庫以上河流水量較為充沛的時期，其他時間水量較少屬于枯水期，水庫庫區范圍內、大凌河上游段、牤牛河和老哈河作為白石水庫以上最大水體選取16個采樣點，分別在豐水期進行了水質污染指標的采樣和測定。從2014—2020年進行連續監測，按照《水和廢水監測分析方法》規定方法測試總氮、 總磷、糞大腸菌群等36項水質指標。采樣區域位置見表1。

2.2 水質參數統計

白石水庫除總氮指標外，其他指標均低于III類水質標準，表明白石水庫以上水體污染程度總體相對較低，區域內總氮水質主要來源于老哈河以及牤牛河。白石水庫以及閻王鼻子水庫的pH值超過Ⅱ類水質標準的樣本個數為5個，均為6月份采集到的水樣。白水水庫水體范圍內的銅等重金屬、氟化物、氰化物以及其他水質指標均未超過III類水質標準。此外，氨氮等硝酸鹽類水質、濁度以及懸浮物的變異度均超過90%，在空間上呈現一定程度的時空異質性。水質參數統計結果見表2。

3 污染影響因素識別結果

3.1 方差貢獻率

將所有采樣樣本的 16個指標標準化數據進行主成分分析， 并對各水質指標的主成分進行檢驗，檢驗結果表明白石水庫水質指標滿足主成分分析的計算條件，對2個貢獻率為69.5%的主成分進行提取，各指標主成分矩陣見表3。

表1 采樣點位置概況

通過主成分分析表明總氮和硝酸鹽氮兩個總體解釋方差為39.9%，兩個指標的Spearman相關為0.798，達到P< 0.01顯著相關水平。大氣沉降、化肥流失、動物排泄、生活污水是水體氮素的主要污染源，化肥流失以及動物排泄是水體中硝酸鹽氮的主要污染來源。第一個主成分分析中主要為硝酸鹽氮以及總氮兩種水質指標，而不包括其他畜禽養殖的污染源指標。因此農田化肥是其第一主成分的污染主要來源。通過實地調查發現朝陽市耕地主要分布在大凌河流域內，全市氮素劃分和種植業總氮含量分別為6萬t和 627.63t，種植業所產生的總氮和總磷污染指標的含量分別為102.8、41.32t。農業種植區是白石水庫以上水體主要流經的區域，且與主要為山丘地帶，夏季水土流失受降水集中影響較容易發生，化肥流失是種植業主要的污染源風險，因此第一主成分主要污染來源于農業種植的化肥流失。

第二個主成分解釋了總體方差的 29.6%，包括五日生化需氧量、氨氮、總磷和糞大腸菌群等指標，推測來自于畜禽養殖和農村生活。糞大腸菌群是生長于人和溫血動物腸道中的一組腸道細菌，來源于人類或動物糞便。在白石水庫控制流域中，糞大腸菌群濃度較高的樣點所在區域人口數也相對較高，對 2014年人口數及畜禽養殖量與糞大腸菌群年平均值和人口數的Spearman相關系數可達到0.996，屬于高度相關，且通過P< 0.01的顯著性檢驗。畜禽養殖總量與白石水庫以上水體面源的糞大腸菌群具的Spearman相關系數為0.911，通過P< 0.05檢驗水平。農村生活以及畜禽養殖為總磷、氨氮以及五日生化需氧量主要可能的污染來源。白石水庫河流兩岸主要分布有畜禽養殖廠，每年的氨氮、總磷以及化學需氧排放量分別為680.65、737.05、24518.08t,,污染物由于降雨流失影響較容易進入河流內，因此第二個主成分污染源主要為農村生活及畜禽養殖。

表2 白石水庫以上水體采用點水質參數統計結果

表3 旋轉后的成分矩陣

3.2 農業種植污染源時空分布

識別出白石水庫水體以上農業種植污染源的時空變化特征，確定農業種植污染源的高風險時間與樣點位置。不同采樣點農業種植源得分的時空分布如圖1所示。

從不同采樣點各時間段農業種植污染源的時空分布分析結果可看出，各采樣點污染源主成分得分從2014年開始呈現先遞增后遞減的變化，2020年各采樣點主成分較高。2019年和2020年春季污染源主成分綜合得分較高，進入夏季后由于水量增多對污染物濃度有所稀釋，其主成分得分有所減少。這和白水水庫水體范圍內的農業耕種方式、化肥使用方式、耕地作為分布、降雨變化相關。春季化肥使用量較大，污染物增多，夏季由于化肥類型有利于作物的快速生長使得農作物耕種密度較高，從而降低了進入水體的污染物濃度。秋季作物收割后，裸土面積增加，使得污染物流失比例增加。在污染源空間分布上，大凌河上游的采樣點得分均較高，得分高的采樣點所在區域的農作物耕種面積較大、按照2020年相關統計數據表明，白石水庫入庫所在的章吉營鎮以及大凌河上游大城子鎮的耕地面積分別為 0.21萬hm2及0.36萬hm2，為農業種植污染源高風險地區。

3.3 農村生活及畜禽養殖源污染源時空分布

白石水庫水體以上農村生活及畜禽養殖源污染源的時空變化特征，確定污染源的高風險時間與樣點位置。不同采樣點農村生活及畜禽養殖源得分的時空分布如圖2所示。

農村生活畜禽養殖污染源主成分高得分采樣點分別為四家子、駱駝山以及紅石砬村，各采樣點主要分布在大凌河上游以及涼水河子區域內，表明大凌河上游以及涼水河子受到農村生活及畜禽養殖污染影響程度較大。按照2019—2020年相關統計數據，白石水庫入庫口章吉營鎮、閻王鼻子入庫口大平房鎮以及白石水庫阜新取水口上園鎮的家禽數量分別為4萬余只、2萬余只以及7千余只。從主成分各水質采樣點分布可看出，從2016年開始各采樣點均呈現遞減變化，這主要是因為朝陽各縣區對畜禽區進行了禁養區的劃定影響，使得其污染源減低。和農業種植污染源變化有所不同，農村生活及畜禽養殖污染的季節性變化顯著程度不高。

圖1 不同采樣點不同時間農業種植源得分的時空分布

圖2 不同采樣點農村生活及畜禽養殖源得分分布圖

4 結論

(1)建議白石水庫控制流域內加大對農村生活及畜禽養殖的組合使用，并可通過提高有機肥施用比例來均衡調控氮磷施肥量，降低白石水庫以上水體總氮面源污染負荷。

(2)建議在白石水庫丘陵地帶建立植物綠籬對其坡面為地形進行改變，降低坡面污染流失量，可有效攔擋和阻滯坡面徑流及其推移的懸浮物，也可提高地表徑流下滲的水量和降低坡面氮磷的流失比例。

(3)4月農作物播種前建議水庫加大取水、蓄水量，5月上旬高風險時間減少取水，采用備用水源。加強取水口水質監測，高風險時期凈水工藝中建議增加活性炭吸附、高級氧化等深度處理裝置，保障飲用水安全。