常州市典型水生態環境功能區河流水環境質量評價

王雪松，張 鴿，李 穎，徐錦前,3,蔡永久*

(1.江蘇省水文水資源勘測局常州分局,江蘇 常州 213022；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所,中國科學院流域地理學重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.安徽師范大學生態與環境學院，安徽 蕪湖 241002)

太湖流域是中國最發達的地區之一，該地區因工業、農業和城市的快速發展造成的嚴重污染而備受關注[1]。有關太湖流域河流生境評價的研究[2]指出，太湖流域中城市河流生境質量多處于中等水平，其中常州城市河流生境最差。常州位于太湖流域平原水網區，近年來，伴隨著經濟的快速發展，污染物的產生量、排放量持續增加，已遠超當地的水環境容量[3]。基于大型底棲生物多參數指數(MMIs)的太湖流域水生態健康評價結果顯示，太湖周邊河流生態健康評價低于“良”，西部區域處于“中”，東部處于“差”的狀態[4]。對常州市內河流的研究[5]指出，雖然常州市城市河流水質得到了控制和改善，但是植物多樣性恢復并不理想。太湖流域河流生態狀況評價也顯示，多數河流處于“良”以下水平[6]。水利部門監測結果亦顯示，常州市水質狀況欠佳，現狀仍需改善[7]。常州地區河流多為太湖入湖河流，是太湖湖體營養鹽的主要輸入來源[8]，其河流治理對控制太湖富營養化和湖泊生態系統恢復有重要意義。

基于水生態分區的流域水環境管理是環境管理發展的趨勢，也是水生態保護、修復、管理的基礎[9]。因管理機構和管理目標不同，中國先后形成了環保部門主導的“水環境功能區”和水利部門主導的“水功能區”。水功能區依據水域主導功能不同來劃分，用于水資源的開發利用及保護。它簡單直觀地將不同水域進行了劃分，利于水資源的開發利用及保護，而對水體的自然、生態特征方面考慮較少，未充分考慮水環境容量。水環境功能區劃是據水域污染物種類以及水質類型不同來劃分，用于控制水污染，保障水環境容量。它更加注重水環境的保護，充分考慮水環境容量，而對水生態系統完整性考慮不足；缺乏流域整體層面上的協調和統一[10-11]。國家水污染控制與治理重大專項系統地開展了水生態環境功能分區理論與方法研究，建立分區指標體系，建立全國水生態環境功能分區技術框架，完成重點流域水生態環境功能一級至四級區劃，并提出按照“分區、分類、分級、分期”實施水環境治理和管理的理念，同時面向應用需求，實現和管理的對接和示范應用[9-11]。2016年江蘇省人民政府發布了《江蘇省太湖流域水生態環境功能區劃(試行)》，分別制定了包括水生態管控、空間管控、物種保護三大類管理目標，初步構建了江蘇省太湖流域水生態環境功能分區管理體系[12]。本研究以太湖流域水生態環境功能分區為基礎，在常州不同分區河道布設采樣點，測定水質指標，并結合社會經濟、土地利用等資料，基于多元分析、水質類別評價、水質綜合標識指數等方法對常州市河流水質的時空差異以及主要驅動因素進行分析，并提出常州市河流水質改善建議，以期為進一步水生態系統監測、提升水生態環境提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

常州市位于31°09′N～32°04′N、119°08′E～120°12′E，地處中國華東地區、江蘇省南部，是揚子江城市群的重要組成部分，東與無錫市相鄰，西與南京市、鎮江市接壤，南與無錫市、安徽宣城市交界，與上海市、南京市兩大都市等距相望。常州市轄6個市轄區，代管1個縣級市，即金壇區、武進區、新北區、天寧區、鐘樓區、經開區和溧陽市，全市面積4 372.15 km2。 地處北亞熱北帶向北溫南帶過渡的氣候區域，季風影響顯著，屬濕潤季風氣候[13]。常州南為天目山余脈，西為茅山山脈，北為寧鎮山脈尾部，中部和東部為寬廣的平原、圩區，境內地勢西南略高，東北略低，常州市水系特點主要為水系復雜；水位落差小且由于受人工閘泵控制，流向不定，水流流速緩慢甚至停滯，河道連通性差異較大；水環境容量較小，小河浜、斷頭浜較多，且分布不均。全市河湖庫眾多，江河湖庫水域面積733 km2，占全市行政區域面積的16.8%。

1.2 樣品采集與處理

根據《江蘇省太湖流域水生態環境功能區劃(試行)》規定，江蘇省太湖流域共劃分水生態環境功能區49個(陸域43個、水域6個)，分屬4個等級，其中，常州市共劃分16個分區，包括生態Ⅰ級區(健全生態功能)2個、生態Ⅱ級區(較健全生態功能)4個、生態Ⅲ級區(一般生態功能)8個、生態Ⅳ級區(較低生態功能)2個(圖1)。該研究在常州市內河流共設置了57個監測斷面(圖1)，采樣點的布設兼顧了常州市主要的河流，涵蓋了16個分區中13個河流分區。在2018年的冬季(1月)、春季(5月)、夏季(7月)、秋季(11月)進行監測采樣。

圖1 常州13個水生態環境功能區水質調查樣點分布

調查水質指標包括水溫、電導率(EC)、透明度(SD)、pH、溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chla)、銅(Cu)、鋅(Zn)、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(六價)(Cr6+)、鉛(Pb)等指標。監測方法采用江蘇省水環境監測中心計量認證檢測能力范圍內的分析方法，BOD5采用HJ 505—2009《水質 五日生化需氧量(BOD5)的測定 稀釋與接種法》，CODCr采用HJ/T 399—2007 《水質 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法》，NH3-N采用HJ 535—2009《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》，TN采用HJ 636—2012《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》，TP采用GB/T 11893—1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》，Cu、Zn、Se、As、Cd、Cr6+、Pb等采用HJ 700—2014《水質 65種元素的測定 電感耦合等離子體質譜法》，Hg采用HJ 597—2011《水質 總汞的測定 冷原子吸收分光光度法》。

1.3 數據處理與分析

采用DO、BOD5、高錳酸鹽指數、COD、NH3-N以及TP等指標的季節數據以及年均數據進行水質類別評價和水質綜合標識指數評價(Water Quality Identification Index,WQII)計算。Cu、Zn、Se、As、Cd、Cr6+、Pb等金屬元素指標由于濃度較低，達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準，故不參與水質類別和綜合標識指數評價。通過各斷面的水質基本狀況對常州市不同功能區河流水質的空間格局進行分析；用不同季節河流的水質綜合標識指數、年均值數據條件下不同功能區水質綜合標識指數對河流水環境現狀進行分析。

水質綜合標識指數評價法可同時反映水環境類別、水質數據、水質達標情況等水體參數[14-15]，水質綜合標識指數計算公式：

Pi=Q1×Q2Q3

Iwq=X1×X2X3X4

式中Pi——單項水質指數，其中i為水質類別項；Q1——第i項水質指標的水質類別；Q2——監測數據在Q1類水質變化區間中所處的位置，其中，非溶解氧指標采取其與水質區間下限值之間的距離，溶解氧采取其與水質區間上限值的距離；Q3——水質類別與功能區劃設定類別的比較結果，表示評價指標的污染程度；X1——河流總體的綜合水質類別；X2——綜合水質在X1類水質變化區間內所處位置；X3——參與綜合水質評價的水質指標中劣于功能區目標的單項指標個數；X4——綜合水質類別與水體功能區類別的比較結果；Iwq——水質綜合標識指數，水質指數越大，顯示水質較差。

土地利用類型數據基于2018年5月Landsat衛星遙感影像。以各監測點為中心，分別作50、100、200、500、1 000和2 000 m的緩沖區，利用ENVI軟件對研究區遙感影像進行預處理，基于Arcmap軟件進行遙感影像目視解譯，獲取研究區土地開發利用變化數據集，并將研究區劃分為7個類別：林地、草地、園地、水域、耕地、建設用地和未利用土地。利用Canoco 5.0進行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)，獲取多尺度土地利用類型對水質空間分異的解釋結果[16]。主成分分析廣泛用于水質分析、生態系統和過程的分析中，能確保在損失數據最少的情況下，對高維變量空間進行降維處理，更加客觀地確定影響水質的主要因子的作用[17-18]。基于DO、BOD5、CODCr、CODMn、NH3-N、TP和TN，利用Past 3軟件進行主成分分析，探索驅動水質變化的主要因素.主成分分析中，數據先進行標準化，經過Kaiser-Meyer-Olkin (KMO)檢驗與Bartlett’s Sphericity檢驗后，再進行主成分分析，依據Kaiser-Harris準則，一般保留特征值大于1的主成分。

2 結果與分析

2.1 水質基本特征和空間格局

常州市河流水質理化指標部分指標季節性差異較大，ρDO在冬季較高，平均值為8.09 mg/L，但Ⅲ-09、Ⅳ-02區各有3個采樣點低于4 mg/L，春季和夏季分別有1個和3個采樣點低于4 mg/L，ρDO過低會對水生生物生存造成威脅。秋季ρBOD5、ρCODMn、ρCODCr、ρNH3-N、ρTP和ρTN明顯低于其他季節，平均值分別為4.44、3.72、12.86、0.64、0.106、3.81 mg/L (表1)。 各季節主要水質類別為Ⅳ類水，在春季、夏季、秋季、冬季的占比分別為55.4%、66.7%、73.7%、44.6%；冬、春兩季節水質較差，春季和冬季劣Ⅴ類水采樣點占比分別為14.3%和19.6%；夏、秋兩季的水質明顯優于冬、春兩季，常州市河流水質多以Ⅳ類水為主，部分采樣點水質較差(Ⅴ類或劣Ⅴ類)的主要原因為ρNH3-N超標，個別采樣點也會出現ρTP、ρBOD5較高的現象，見圖2。

表1 常州市河流水質理化指標季節性變化 單位：mg/L

圖2 常州市河流水質類別季節性分布

空間格局上，常州市河流水質總體情況為東部劣于西部(金壇區、溧陽市)，東部地區尤其是武進區東部的Ⅳ-02、Ⅳ-03區水質很差，且大多集中在中心城區周邊，冬、春兩季水質以劣Ⅴ類或Ⅴ類為主；溧陽市南部的Ⅰ-02區和金壇區的薛埠鎮的Ⅱ-01區水質較好，這2個分區主要位于流域上游，生態環境較好，四季水質保持在Ⅱ類，見圖3。

a)春季

c)秋季

2.2 水質標識指數評價

BOD5、COD、NH3-N的水質單項標識指數較高，分別為3.9、3.8和3.8；DO、高錳酸鹽指數和TP的水質單項標識指數較低，分別為2.9、3.0和3.3，見圖4。綜合水質標識指數顯示，Ⅰ-02、Ⅱ-01區的水質綜合標識指數較低，分別為2.5和1.6，河流水質相對較好；Ⅲ-09、Ⅳ-03區的水質綜合標識指數較高，分別為4.0和4.1，河流水質相對較差，見圖5。

圖4 水質單項標識指數分區變化

圖5 水質綜合標識指數分區季節性變化

從水質單項標識指數和水質綜合標識指數的空間分布來看，隨著水生態環境功能區等級上升，水質綜合標識指數上升，Ⅰ-02、Ⅱ-01區水質綜合標識指數較低，水質狀況較好，水生態環境功能區等級較高區域的各水質單項標識指數較高，水質狀況相對較差。季節性變化上，除3個水質狀況相對較好的分區(Ⅰ-02、Ⅱ-01和Ⅲ-08區)外，多數分區的秋季水質綜合標識指數低于其他季節。

2.3 土地利用類型的尺度相關性

總體而言，耕地和建設用地是研究區域內2種主要的土地利用方式，占總面積的70%以上(圖6)。隨著緩沖半徑的增加，水域面積建設用地面積逐漸減少，耕地面積逐漸增加。林地和園地面積也隨著緩沖半徑的增加而增加，但與耕地和建設用地相比，所占比例偏小。不同緩沖尺度未利用土地占有率較低，不足1%。

圖6 緩沖區土地利用類型百分比(2018年5月)

為了解常州市不同土地利用方式對其水質的影響，在不同緩沖區尺度下對水質參數與土地利用類型進行了冗余分析(表2)。結果表明，林地、園地和建設用地在某些尺度上表現出對水質數據顯著或極顯著的解釋能力。其中，林地在200～2 000 m尺度上表現出對水質具有較高的解釋能力，園地在50 m尺度上具有較高解釋能力，而建設用地在50～200 m尺度上對水質有較高的解釋能力。

表2 基于冗余分析(RDA)的多尺度土地利用類型對水質空間分異的解釋結果

為進一步研究不同土地利用類型與水質參數的相關性，對7種主土地利用類型和7種水質因子排序圖的分析結果表明，不同水質參數與土地利用類型的相關性及強度往往隨觀測尺度而變化(圖7)。在不同空間尺度上，除DO外，林地與其他水質指數均呈不同程度的負相關，建設用地與其他水質指數均呈不同程度的正相關，表明林地有利于河流水質改善，而建設用地是水質惡化的主要影響因素。耕地和水域面積與各水質參數從負相關(50～500 m尺度上)到2 000 m后與主要營養鹽呈顯著正相關關系，表明2 000 m以上尺度，耕地相對占比的增加，以及水域面積的減小與水質惡化密切相關。

a)50 m

2.4 主成分分析

主成分分析結果顯示，特征值大于1的僅有1個，共得到1個主成分(PC1)，其累積貢獻率為73.2%，可認為該主成分基本包含了以上7個指標數據集的所有信息。由圖8可見，對PC1，BOD5、COD、TN具有較高的解釋貢獻率，相互之間的相關性較強；對PC2，NH3-N和TP的解釋貢獻率較高，表明常州市河流水質主要受到有機污染和富營養化的影響。荷載值較大且相互接近的水質指標形成了明顯的集群，并且這些集群與功能區的集群相似，生態Ⅳ級區主要受到NH3-N和TP的影響，而生態Ⅲ級區和生態Ⅱ級區可能主要受到TN、COD、BOD5的影響，表明不同等級水生態環境功能區水質狀況的威脅因素有差異。

圖8 基于水生態環境功能分區的常州市河流水質主成分分析結果

3 討論

3.1 水質季節性變化

常州市河流水質具有顯著的季節性差異，根據水質類別和綜合標識指數評價，夏季、秋季水質總體優于冬季和春季。降水、溫度、水文條件等因素可能是引起季節性變化的重要因素。由于降水量的季節性差異，造成河流水量水位變化，使得河流生態系統自我凈化能力發生變化，冬、春兩季處于平水期，河流水位下降，對污染物的稀釋凈化能力降低，河流自凈能力下降；夏、秋兩季處于豐水期，對于污染物有較好的擴散稀釋作用，自凈能力較強[19-21]。

除了受降水量的影響，個別指標還因其指標特性，而季節變化顯著。夏季氣溫高，有機物降解速率加快，耗氧量增加，造成夏季DO含量卻普遍偏低；冬季DO含量普遍偏高，研究區內超過70%的斷面達到了Ⅰ類水水質的DO標準的現象[22]。與大部分水質參數不同的是，秋季TN濃度略有下降，但在夏季仍然保持較高濃度，這是由于雖然夏季降水量大，處于汛期，水流量大，可能導致流域內富集的氮素通過徑流進入河道[23]。

水質指標的變化還受到生物、化學作用的影響。較高的溫度促進水中DO濃度的增加，利于水中的NH3-N進行硝化作用，轉化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，降低NH3-N濃度，出現夏季NH3-N濃度低于其他季節的現象；而秋季藻類和植被生長旺盛，對河流中磷元素進行吸收利用，可使TP濃度降低，出現秋季TP濃度較低的現象[24]。

3.2 水質空間分異的驅動因素

水質綜合標識指數與主成分分析結果顯示，EC、BOD5、NH3-N、TP等水質指標濃度隨生態功能分區等級變化均呈明顯上升的趨勢，DO濃度呈下降趨勢，TN、COD、高錳酸鹽指數等指標分區變化相對較小或趨勢不明顯。水質受到有機污染和水體富營養化的影響，在空間上，常州市東部地區水質劣于西部地區。

不同的土地利用方式可能是形成水生態環境功能區水質空間差異的重要驅動因素[25-26]。土地利用方式可能驅動流域內氮磷等營養元素流失，營養物流入水體[27]。已有研究[28]表明，林地、草地面積均與污染物濃度呈負相關，均與建設用地面積呈正相關，這與本研究RDA分析結果一致。常州市各水生態環境功能區的水質狀況差異較大，以林地為主要土地利用方式的區域(如金壇市西部的Ⅱ-01區、溧陽市南部的Ⅰ-02區)和以草地為土地利用的主要方式的溧陽與金壇的丘陵地帶水質較好，水質均處于Ⅱ類。中心城區的建設用地和各區污水排放較多，水體恢復能力弱，水質明顯較差，由此形成城市建設用地集中的東部水質差于西部的空間布局。據已有研究[29]，常州市生態Ⅳ級的廢水和總磷排放以城鎮生活源排放為主導，Ⅳ-02工業源和生活源廢水排放量分別為 7 422.89萬、12 735.80萬m3，工業源、生活源和農業源的總磷排放量分別為13.48，46.50、18.91 t，遠超其他水生態環境功能區水平。城鎮排放的污水主要為有機污染和營養物，而市區外圍廣泛分布的耕地(多為生態Ⅲ級區)周邊水體水質較差。水體主要受到TN、COD、BOD5的影響，隨土壤被侵蝕及地表徑流等現象的發生，農業施肥、畜禽糞便中的氮磷元素大量流失，從而導致周邊水體環境受到污染[30]。長期變化來看，土地利用方式也是太湖流域生態系統服務退化的主要原因，引起的生態系統退化風險值得保持警惕[31]。

3.3 水環境保護對策措施

由于土地利用、經濟開發等因素，人類活動對于水體環境生態健康狀況產生了重大的影響。研究[32-33]顯示，隨著城鎮化和經濟發展，常州市土地利用方式中耕地面積發生了顯著下降，水質也明顯好轉。因此，采取積極的政府政策與人為調控對于水環境優化具有重要意義。

農業生產過程中產生的氮磷污染物面源排放是造成水體污染的主要原因，較高的化肥施用量使得水體中氮磷元素富集，加劇了污染和富營養化[34-36]。太湖流域農業生產中化肥施用量一直處于較高的水平，是造成水體環境惡化的重要原因[37]。常州市耕地面積廣泛，面源污染壓力較大，如Ⅲ-04、Ⅲ-05、Ⅲ-06、Ⅲ-09、Ⅳ-02、Ⅳ-03等農業面源污染嚴重的區域應作為關鍵治理區。采取因地制宜的生態修復方案，減少營養元素的土壤流失和水體富集，利用合理的模式進行耕作，建立、恢復和利用緩沖區、水陸交錯帶，防止農田中營養元素流失，深入研究農田養分平衡，增加農田土壤的保肥能力[38]。

研究[39]表明，環太湖的河流中點源與非點源負荷相當，減輕點源污染對抑制有機污染和富營養化意義重大。常州市東部區域水體水質受工業點源和農業面源的雙重影響，系統的自凈能力受到影響，生態系統破壞嚴重。對于點源污染問題，一方面需加強污染源的監測治理，加強管網建設和污水處理能力；另一方面，可通過活水擴容，提高河流流動性、連通性，使污染物濃度降低，或通過增加濕地面積等生態措施，使水體自凈能力增強，從而改善水質[40]。

總之，改善常州市河流水質現狀需要將點源和非點源控制結合以及總量控制與濃度控制結合，輔以河道治理等環境管理措施，且充分考慮分區特征，對不同分區依據其特點制定具體的水環境管理方案。對于生態Ⅰ級區、生態Ⅱ級區應以保護為主，保持其較好的狀態;對于生態Ⅲ級區、生態Ⅳ級區，則需強調修復，使其恢復生態功能。

4 結論

本文應用水質類別、綜合水質標識指數法、冗余分析以及主成分分析等方法分析了2018年常州市13個水生態環境功能區河流水質狀況，結果如下。

a)2018年常州市河流水質主要以Ⅳ類水為主，DO、BOD5、COD、CDOMn、NH3-N、TP、TN濃度均值分別為7.12(Ⅱ類)、4.73(Ⅳ類)、19.01(Ⅲ類)、4.09(Ⅲ類)、1.06(Ⅳ類)、0.15(Ⅲ類)、4.19 mg/L。

b)常州市河流水質指標濃度具有顯著的時空差異性?？臻g格局上，河流水質總體情況為東部城鎮區劣于西部，東部城鎮尤其是武進區東部的Ⅳ-02、Ⅳ-03分區水質很差，季節變化上，春季與冬季水質較差，冬季約20%的采樣點為劣Ⅴ類水。

c)水質綜合標識法結果顯示，Ⅰ-02、Ⅱ-01兩個分區水質較好，Ⅲ-09、Ⅳ-02、Ⅳ-03等分區水質較差，水質較差分區主要位于東部城鎮區域，結果與水質類別判斷相似，水質狀況的空間分異與水生態環境功能區的等級具有較好的空間一致性。

d)冗余分析結果顯示：建設用地是水質惡化的主要影響因素，2 000 m以上尺度，耕地相對占比的增加，以及水域面積的減小與水質惡化密切相關。

e)主成分分析結果顯示，CDOMn、COD、BOD5和TN是影響河流水質的主要因素，水環境狀況主要受到有機污染和富營養化威脅；不同等級水生態環境功能區水質狀況的威脅因素有差異，生態Ⅳ級區主要受到氨氮和總磷的影響；而生態Ⅲ級區和生態Ⅱ級區主要受到總氮、化學需氧量、五日生化需氧量的影響。