綠塘河水質(zhì)污染分析及河流水生態(tài)環(huán)境保護(hù)

陳軍亮 陳家穎 吳志勇 李林鋒

（廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣東湛江 524088）

引言

海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。陸源是海洋環(huán)境污染的主要來源，陸源污染占海洋污染物總量的80%[1]。《2017 年中國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》表明，雖然我國(guó)的海洋生態(tài)環(huán)境狀況整體呈現(xiàn)穩(wěn)中向好的趨勢(shì)，但入海河流水質(zhì)狀況不容樂觀，近岸的局部海域污染依然嚴(yán)重。對(duì)55 條河流不同水期的入海斷面多年連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，55 條河流入海斷面水質(zhì)在枯水期、豐水期和平水期為劣四類的河流比例分別達(dá)44%、42%和36%[2]。因此，陸源污染尤其是入海河流的污染治理迫在眉睫。

城市河流是城市中生態(tài)環(huán)境的重要依托，在城市發(fā)展規(guī)劃中，優(yōu)美的河流風(fēng)景能為城市居民提供優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境，使城市更加具有活力[3]。綠塘河是位于廣東省湛江市霞山區(qū)境內(nèi)的一條城市河流，全長(zhǎng)6.2 公里，屬于淺短河，發(fā)源于湛江市霞山區(qū)海頭鎮(zhèn)屋山村后塘嶺，自西向東穿城而過，在霞山區(qū)觀海長(zhǎng)廊處入海[4]。隨著城市的發(fā)展，綠塘河逐漸成為城區(qū)主要排污水道，也從清澈見底慢慢變得發(fā)黑發(fā)臭，魚翔淺底不再，行人也掩鼻避之。

自2005 年起，市委市政府高度重視，借創(chuàng)建國(guó)家園林城市和國(guó)家衛(wèi)生城市的契機(jī)，先后多次組織環(huán)保、水務(wù)、城建、城綜及開發(fā)區(qū)管委會(huì)、霞山區(qū)政府等多部門聯(lián)合開展對(duì)綠塘河的綜合整治。此后十多年時(shí)間里，上游農(nóng)村污水治理工程、城區(qū)截污工程、水質(zhì)凈化廠、生態(tài)公園、引水工程等基本建成，強(qiáng)化環(huán)保執(zhí)法清理了周邊養(yǎng)殖場(chǎng)、水產(chǎn)加工廠等，源頭污染被大部分消除，綠塘河狀況有了較大程度的改善。不過，由于城市發(fā)展步伐的加快，污水收集、處理等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)滿足不了沿河兩岸人口日益增長(zhǎng)帶來的排污需求，綠塘河仍出現(xiàn)反復(fù)污染的情況。河流的水質(zhì)狀況與城市居民的生活環(huán)境息息相關(guān)，在全面治理和消除城市黑臭水體及保護(hù)沿海區(qū)域海洋環(huán)境的大背景下，綠塘河入海河流的水污染防治迫在眉睫。鑒于此，本文運(yùn)用主成分分析的方法對(duì)綠塘河入海口監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行研究，分析綠塘河水質(zhì)污染狀況，識(shí)別主要污染因子，為綠塘河實(shí)現(xiàn)城市河流整治與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

2019 年4 月至2020 年3 月在綠塘河海景路橋（距入海口約200 米）處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每?jī)芍苋颖O(jiān)測(cè)1 次。監(jiān)測(cè)指標(biāo)有pH 值、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素a（Chla）。水樣取樣和分析均嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（2002）標(biāo)準(zhǔn)操作。

1.2 研究方法

主成分分析法是利用降維的思想，即在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)且不影響原有信息情況下，一種將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合指標(biāo)的定量分析法。利用主成分分析法可通過比較不同水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)質(zhì)量的貢獻(xiàn)率，精準(zhǔn)、可靠的確定需評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而減少不必要指標(biāo)的計(jì)算，減少水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)過程中的工作量，其分析的具體模型為：

假定有n 個(gè)水體樣本,每個(gè)樣本共有p 個(gè)指標(biāo)變量，則構(gòu)成了一個(gè)n×p 階的地理數(shù)據(jù)矩陣：

少數(shù)幾個(gè)新的綜合變量可以用P 個(gè)原始變量來組成,使新的變量是一個(gè)線性組合的原始變量，從而定義x1，x2，…，xP是它的原變量指標(biāo)，z1，z2，…，zm（m，p）是它的一個(gè)新的綜合變量。

（2）式中，系數(shù)lij按以下原則確定：

①zi與zj（i≠j；i,j=1，2，…，m）相互獨(dú)立；

②z1是x1，x2，…，xp的所有線性組合的最大方差；z2是與z1不相關(guān)的x1，x2，…，xp的所有線性組合中的最大方差；zm是與z1，z2，…，zm-1都不相關(guān)的x1，x2，…，xp的所有線性組合中方差最大者。新變量指標(biāo)z1，z2，…，zm就被稱為原變量指標(biāo)x1，x2，…，xp的第一，第二，…，第m 主因子。其中，z1占總方差的比例最大，其次分別是z2，z3，…，zm。

綜上所述，主成分分析法的主要步驟為：原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理；計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣及其特征根與特征向量；計(jì)算方差貢獻(xiàn)率并確定主成分；計(jì)算主成分荷載（主成分系數(shù)矩陣）；計(jì)算各主成分得分，以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重綜合得分值F。各主成分綜合得分和水質(zhì)污染程度可依據(jù)各主成分綜合得分和排名進(jìn)行綜合化定量描述，得分越高，表明污染越嚴(yán)重。

1.3 污染因子分析

利用SPSS 軟件的主成分分析法對(duì)綠塘河河流水質(zhì)主要污染因子進(jìn)行分析，主成分分析法的主要步驟為：原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣、特征根與特征向量，計(jì)算方差貢獻(xiàn)率并確定主成分，計(jì)算主成分荷載值以找到主要污染因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

將pH、NH3-N、TN、TP、CODMn、Chla 和DO 這7 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（其中DO 為逆指標(biāo),先將其進(jìn)行倒數(shù)變換，然后標(biāo)準(zhǔn)化），具體結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

2.2 主成分確定

將pH、NH3-N、TN、TP、CODMn、Chla 和DO 這7 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（其中DO 為逆指標(biāo)，先將其進(jìn)行倒數(shù)變換，然后標(biāo)準(zhǔn)化），利用標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表2。

表2 特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

由表2 可見，第1、2、3 主成分的特征值分別為2.534、1.874 和1.755，均大于1，方差貢獻(xiàn)率分別為36.2%、26.8%和25.1%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.1%，大于85%，說明這3 個(gè)成分反映了原始變量提取的88%的信息，因此只需要提取前3 個(gè)主成分就可以對(duì)綠塘河出海口河流水質(zhì)污染因子進(jìn)行分析。

2.3 因子載荷矩陣

初始因子載荷矩陣計(jì)算結(jié)果見表3，從表3 可知，Chla 在第一主成分上的載荷最大，反應(yīng)了水體富營(yíng)養(yǎng)化的程度。由于浮游植物及藻類大量滋生，消耗大量溶解氧，導(dǎo)致水體溶解氧含量較低。在第一主成分上pH值的載荷值也比較大，但其實(shí)際意義不甚明顯。TN 和NH3-N 在第二主成分載荷較大，CODMn和TP 第三主成分上的載荷較大，它是工業(yè)類廢水和城鎮(zhèn)居民生活污水的共同特征。這說明綠塘河河流氮磷等無機(jī)和有機(jī)污染都比較嚴(yán)重，這與沿途居民生活污水及周邊工農(nóng)業(yè)廢水排放密切相關(guān)。

表3 主成分載荷值

借助SPSS 軟件，運(yùn)用主成分分析法從原始7 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中提取占總方差的88%的3 個(gè)主成分因子，分別為氮、磷和高錳酸鹽指數(shù)，以反映綠塘河入海口河流水體的污染程度。這說明綠塘河河流氮磷等無機(jī)和有機(jī)污染都比較嚴(yán)重，導(dǎo)致藻類等浮游植物大量滋生，水體溶解氧含量低，并伴有惡臭氣味，分析結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。

3 綠塘河河流水生態(tài)環(huán)境保護(hù)途徑

綠塘河雖然全長(zhǎng)只有6.2km，但蜿蜒曲折流經(jīng)人口稠密的中心城區(qū)，作為一條城市河流，除了具有一般河流的排洪、防澇等生態(tài)功能外，還具有為城市居民提供娛樂場(chǎng)所的社會(huì)功能。當(dāng)下，隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，保護(hù)環(huán)境，共建宜居生活家園的概念越來越深入人心，這與綠塘河河流黑臭水的現(xiàn)狀極不相符。通過前面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及主要污染因子分析，綠塘河河流氮磷等無機(jī)和有機(jī)污染都比較嚴(yán)重，說明沿岸居民及工廠排放的生活污水及工農(nóng)業(yè)廢水對(duì)河道河流水質(zhì)影響很大。生活污水及工農(nóng)業(yè)廢水中有豐富的氮、磷及其它化學(xué)成分，很容易使綠塘河河流水體水富營(yíng)養(yǎng)化，藻類植物的大量繁殖，藻體死亡腐敗分解需消耗大量溶解氧，導(dǎo)致水體厭氧，發(fā)黑發(fā)臭等。鑒于此，綠塘河河流水體整治的主要途徑有：（1）截污，通過污水輸送管道將生活污水及工農(nóng)業(yè)廢水全部收集輸送到污水處理廠進(jìn)行集中處理，處理達(dá)標(biāo)后的出水可以回流到河道，除補(bǔ)充季節(jié)性河流水量不足外，還能保證河道其他水生生物的多樣性，增強(qiáng)河流自凈能力。（2）對(duì)早期沿綠塘河修建的綠塘河濕地公園進(jìn)行景觀提質(zhì)改造，減少人為石砌陡峭河岸，因地制宜恢復(fù)河流河道岸坡的自然狀態(tài)，尤其是構(gòu)建多層次的濕地植物群落系統(tǒng)，豐富游憩環(huán)境。（3）清理河道，對(duì)部分重點(diǎn)地段的河道淤泥進(jìn)行清淤，防止底泥內(nèi)源污染物的二次污染。（4）增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，社會(huì)各界應(yīng)加大對(duì)河流環(huán)境保護(hù)工作的宣傳教育力度，讓人們意識(shí)到河流在城市生活環(huán)境中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，了解河流污染對(duì)周邊居民造成的危害。與此同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)不斷完善相關(guān)法律法規(guī)，嚴(yán)禁亂倒生活垃圾。只有如此，才能逐漸恢復(fù)綠塘河河流水體的生態(tài)系統(tǒng)功能，還其優(yōu)美、宜人、充滿生機(jī)的原貌，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處。

結(jié)語

總之，海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的必由之路，也是確保可持續(xù)發(fā)展的重要保障。而陸源是海洋環(huán)境污染的主要來源，因此必須要加強(qiáng)對(duì)陸源污染的監(jiān)控與研究。上文中對(duì)綠塘河出海口水質(zhì)污染因子的分析，為做好相關(guān)河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了理論支持。同時(shí)提出了相應(yīng)的保護(hù)途徑，希望為入海口河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供借鑒，為海洋生態(tài)保護(hù)提供支持。