閩江流域近年主要水質指標變化趨勢及污染識別

趙天旸，石成春，謝蓉蓉，3，4，李家兵，3，4，江 華，陳 錦，劉繼輝*

(1.福建師范大學環境與資源學院，福建 福州 350007；2.福建省環境科學研究院，福建 福州 350013；3.福建師范大學福建省污染控制與資源循環利用重點實驗室，福建 福州 350007；4.數字福建環境監測物聯網實驗室，福建 福州 350007；5.福州市環境科學研究院，福建 福州 350013)

地表水是人類生活和生產的主要來源，其水質直接影響著人們的生活、工業發展和人類社會的進步[1]。近年來，全球地表水污染問題日益嚴重，流域污染管控是水環境治理和改善的重要手段，流域水環境的有效評估可為水環境管理提供重要的技術支撐。

目前，河流水環境污染情況的評價是國內外水環境保護相關研究的熱點之一，Tang M等[2]引入貝葉斯理論和模糊數理論，提出了一種基于廣義三角模糊數的綜合水質評價模型，其可對長江武漢段水質進行評價。Xu S等[3]通過模擬模糊綜合評價(FCE)和采用雅可比法求解特征方程的主成分分析(PCA)來評估中國南四湖流域的水質。Huang J C等[4]發現中國東部水質17.2%的采樣點水質條件較差，經評估認為糧食生產系統、城市化和其他人為活動極大地改變了自然水文和養分循環，是中國河流水質受損的主要原因。Soni Y等[5]基于人工神經網絡建立了對恒河水質的估算模型，可為水體內部的水質制定合適的標準。Yang S W等[6]結合典型相關分析和基于距離影響的評估方法定量化社會經濟發展和河流水質關系，發現社會經濟發展與河流水質之間存在很強的相關性。Zhou P等[7]通過自組織地圖方法發現點源污染越大，土地利用和水質相關性越不顯著。閩江流域內常駐人口近1 300×104，占福建省人口總量的1/3[8]。近年來閩江流域水質問題日益突出。針對閩江流域水質問題近年研究較多且管理部門較為關切的主要為低氧問題[9-11]、流域保護[12]和氮磷污染[13]，此外，閩江口水質評價[14-15]、經濟和政策[16]和水環境的時空分布[17]也是目前閩江流域研究的熱點。

由于我國系統水監測布點較晚且因數據的保密要求，對于長時間序列、多監測點位、全流域干支流覆蓋的水環境評估研究較為缺乏?；诖耍疚囊蚤}江流域為例，收集了干支流16個監測點位2004—2020年的周數據，采用季節性肯達爾分析法對研究區域S1～S16點位各指標進行多年變化趨勢分析，并采用時序全局主成分分析法對2017—2020年S1～S13點位進行主要污染識別和水質綜合評價，為流域的污染治理和水質改善提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域

閩江是福建省境內的最大河流，全長577 km，流域面積60 992 km2(25°23′～28°16′N、116°23′～119°35′E)[18]，約占全省面積的一半。閩江(圖1)發源于武夷山脈，上游建溪、沙溪、富屯溪三條支流在南平市匯合，閩江干流為南平匯合口到入?？诤佣?，沿途有吉溪、尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流匯入[8]，具有供水、防洪抗旱、養殖、航運等多種功能[19]。流域內為亞熱帶海洋性季風氣候，降雨豐富，植被覆蓋率高[20]。

注：S1.清流長灌；S2.山峰電站；S3.清流安砂水庫；S4.明溪瑤奢；S5.梅口懸索橋；S6.邵武和順；S7.政和護田；S8.延平延安；S9.延平南溪；S10.閩侯下西園；S11.閩侯大樟溪；S12.順昌富文；S13.福州原厝；S14.南平水汾橋；S15.閩侯竹岐；S16.長樂白巖潭。

1.2 數據收集

從福建省水質周報(http：//sthjt.fujian.gov.cn/)收集了閩江流域16個監測點位(圖1)，S9、S10、S13、S15和S16為干流點位，其余均為支流。其中S1～S11、S12～S13和S14～S16水質數據覆蓋年份分別為2017—2020年、2009—2020年和2004—2017年。各點位可查年份內為每周一次數據，每個點位的樣本數為2 089～8 859不等。主要水質指標為酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、總磷(TP)和氨氮(NH3-N)，各指標數據來自福建省水質自動監測站，以水質在線分析儀為核心，由取水單位、配水預處理單元、水質在線監測單元、系統控制基站、輔助系統、數據采集和傳輸系統等部分組成，實現水樣的自動采集、預處理和水質在線分析，采樣和監測探頭位于水下0.5～1.0 m處。

1.3 研究方法

1.3.1 季節性肯達爾趨勢分析法

季節性肯達爾趨勢分析法對監測對象進行非正態分布特征的趨勢分析，其原理是將每一年同一時段的水質數據進行前后比較[21]，若前一時段數據記載的數值較大記為“-1”，反之記為“+1”，通過對“+1”和“-1”的數量進行求和，計算變化趨勢。若求和大于0，判為上升趨勢；若求和小于0，判為下降趨勢；若求和為0，判為無明顯變化趨勢。

假設一年12月的水質數據在分布上有相同的概率，建立第n年第p月水質數據(Xnp)的測量矩陣X：

當α≤0.01，表明季節性肯達爾趨勢分析具有高度顯著性水平；當0.01<α≤0.1 時，分析具有顯著性。當α值滿足上述條件時，t>0具有顯著性(或高度顯著性) 上升趨勢，t<0具有顯著性(或高度顯著性)下降趨勢，t=0為無趨勢[22]。

1.3.2 時序全局主成分分析法

時序全局主成分分析法以主成分分析為基礎，通過綜合多個數據指標，把多數指標轉化為少數且具有綜合指向的指標，基于少數綜合指標進行多元統計分析，一般步驟為[23-24]：

設有n個樣本，每個樣本有p個指標變量，構成n×p的數據矩陣：X=(Xij)n×p，其中i=1，2，…，n，j=1，2，…，p；Xij表示第i個樣本的第j項指標值。

1)采樣Z-score對數據標準化處理：

2)建立相關系數矩陣：

3)計算特征值、特征向量、主成分累計貢獻率：

計算R的特征值λi(i=1，2…p)及其對應的特征向量uj=uj1，uj2，…，ujp(j=1，2…p)，且λ1≥λ2…≥λp即為主成分的方差，方差越大對總方差的貢獻越大。則可將標準化后的指標變量轉換為主成分Fj=uj1Z1+uj2Z2+…+ujPZP。

4)確定主成分：

將主成分對應的特征值大于1的前 m 個主成分提取為主成分；

5)計算綜合得分F：

本文采用季節性肯達爾趨勢分析法對閩江流域2004—2020年的水質變化進行趨勢分析，采用時序全局主成分分析法計算5項水質指標的貢獻率確定主要污染物，并計算2017—2020逐年各點位主成分綜合得分，得到流域內水質污染的時空變化分布。

2 結果

2.1 研究區域水環境基本狀況

研究區域各點位2004—2020多年水質平均濃度見圖2，由圖2可知，pH范圍為6.68～7.46，DO為6.17～9.12 mg·L-1，COD為1.56～5.35 mg·L-1，TP為0.03～0.20 mg·L-1(不含S16)，NH3-N為0.05～1.21 mg·L-1。

從空間分布看：1)靠近入海口處的支流和干流pH較高，干流中上游pH較低，近入海口S16點位主要受閩江口咸潮上溯的影響使pH升高。其中，建溪(S7：7.12 mg·L-1，S8：7.22 mg·L-1)、富屯溪(S6：6.88 mg·L-1，S12：7.11 mg·L-1)呈現自上游到下游逐漸升高的趨勢；沙溪(S3：7.15 mg·L-1，S14：6.80 mg·L-1)呈現自上游到下游逐漸下降；干流(S9：6.93 mg·L-1，S10：6.85 mg·L-1，S15：6.68 mg·L-1，S13：6.86 mg·L-1，S16：7.07 mg·L-1)呈現自上游到下游先降低后升高。2)DO主要呈現為支流高、干流低，在干流(S9：7.30 mg·L-1，S10：6.17 mg·L-1，S15：6.76 mg·L-1，S13：7.03 mg·L-1，S16：7.18 mg·L-1)自上游到下游出現顯著的高-低-高的波動變化。3)S1(5.35 mg·L-1)的COD遠高于其他點位，其余較高COD出現在松溪上游(S7：2.83 mg·L-1)、沙溪下游(S14：2.69 mg·L-1)、大樟溪下游(S11：2.61 mg·L-1)和福州城區(S13：2.56 mg·L-1)。在干流(S9：2.46 mg·L-1，S10：1.56 mg·L-1，S15：2.23 mg·L-1，S13：2.56 mg·L-1，S16：3.08 mg·L-1)呈現自上游到下游先降低后升高。4)TP在S1(5.35 mg·L-1)遠高于其他點位，在梅口懸索橋S5(0.03 mg·L-1)最低，各支流TP相當。5)同COD和TP一致，NH3-N在S1(0.87 mg·L-1)也遠高于其他點位，其余較高點位位于沙溪下游(S14：0.39 mg·L-1)、富屯溪(S6：0.26 mg·L-1，S12：0.26 mg·L-1)和干流靠近入?？谔?S16：0.32 mg·L-1)。此外，干流(S9：0.17 mg·L-1，S10：0.11 mg·L-1，S15：0.21 mg·L-1，S13：0.16 mg·L-1，S16：0.32 mg·L-1)呈現自上游到下游先降低后升高的狀態。

2.2 主要水質指標的季節性肯達爾趨勢分析

采用不同年份同月的數據對研究區域各點位主要水質指標進行季節性肯達爾趨勢分析，結果見圖3，由圖3可知：1)6個點位pH呈顯著性或高度顯著性上升，主要分布在富屯溪和沙溪上游、閩侯和大樟溪支流；5個pH呈顯著性或高度顯著性下降的點位分布在金溪源頭、沙溪上游和靠近入?？?；其余點位pH無顯著變化趨勢。2)DO除3個高度顯著性上升趨勢點位(S6、S13和S14)和2個高度顯著性下降點位(S5和S15)外，整體均表現為無明顯變化趨勢，此外，S14在2004年(3.69 mg·L-1)和2005年(4.54 mg·L-1)出現年均DO值較低的情況。 3) COD除3個呈現顯著性或高度顯著性上升趨勢點位(S3、S6和S13)和3個顯著性或高度顯著性下降點位(S1、S7和S16)外，整體均表現為無明顯變化趨勢。4)區域內10個點位的TP呈顯著性或高度顯著性下降，干流和除大樟溪之外的各支流均有分布；2個TP呈顯著性或高度顯著性上升的點位，位于大樟溪和閩侯縣竹岐鄉。S1在2017—2018年年均TP較高，分別為0.261 mg·L-1和0.207 mg·L-1。5)9個點位NH3-N 呈顯著性或高度顯著性下降，干流、松溪上游、大樟溪和沙溪均有分布；富屯溪的2個點位呈顯著性或高度顯著性下降；較高年均NH3-N出現在2017年的 S1(1.108 mg·L-1)和2018年的S12(1.213 mg·L-1)。

注：圖中↑為顯著性上升；↑↑為高度顯著性上升；↓為顯著性下降；↓↓為高度顯著性下降；○為無變化。

2.3 基于時序全局主成分分析的污染評價

采用時序全局主成分分析法識別研究區域2017—2020年的主要污染物，由于S16為近海點位，不監測TP，而且2018—2020年缺少S14和S15監測值，因此評價點位為S1～S13，年均變化情況詳見表1。經檢驗的KMO 取樣適切性量數為0.703，巴特利特球形度檢驗顯著性為0.000，說明時序全局主成分分析法可用于研究區域的污染分析。以特征值大于1為原則篩選了2個主成分。各主成分的特征值、方差與累計方差貢獻率見表2。各指標的主成分因子載荷見表3。由表2和表3可知，5 項主要水質指標提取的2個主成分可解釋 75.440%的方差。第一主成分(PC1)為主要項，對總方差的貢獻率為49.763%，其中 NH3-N和TP所占比例較大。結合閩江流域的實際水質現狀，推斷研究區域水體污染指標可能為NH3-N和TP，主要來自于農業和養殖業等人類生產生活活動[26]。

表1 2017—2020年研究區域主要水質指標變化

續表1

表2 時序全局主成分分析的特征值、方差和累計方差貢獻率

表3 時序全局主成分分析的因子載荷

對研究區域各監測點位2個主成分，按照2017—2020年逐年各點位分別進行綜合評價(表4)，主成分綜合得分越高，排名越前，表示該點位污染物含量越高[27]。由表4可知，在研究區域各監測點位中，閩江干流水質評價總體優于各支流，且閩江干流點位2017—2020四年水質呈逐漸好轉趨勢，S10點位評價得分最低，該處水質最好。閩江干流水質好轉主要受益于近年來閩江流域生態整治行動，尤其是南平市基于“河長制”，全面落實閩江南平段的保護政策，通過削減養殖產業、投資污水治理項目、興建污水處理廠和污水管網等綜合治理手段，南平境內閩江干流Ⅰ～Ⅲ類水質比例達100%[26]。沙溪上游支流水質較差，S1連續四年得分均最高，S4水質也不容樂觀，S2在2020年水質突發惡化。2017—2020年金溪和富屯溪呈好轉，建溪變化不大，而大樟溪則呈惡化趨勢?？傮w來看，各支流監測點位附近都有農田、工廠等面源或點源污染，含氨氮、磷和有機物污水排放較多，因此其水質較差，這與程學寧等[8]研究結果相符。

表4 2017—2020年研究區域監測點位主成分評價結果

3 討論

3.1 COD變化及影響

S1位于文川河流域，其COD、TP和NH3-N均呈現顯著性或高度顯著性下降趨勢，但各指標多年平均濃度均遠超其他點位(圖2)。文川河所在的永安市存在農業面源污染、生活區雨污混接、管道破損、污水直排入河等問題[28]，需要引起重視，加強區域污染治理。

S3點位COD呈高度顯著性上升。S3位于永安市境內的安砂水庫，永安市近年來工業化發展迅速，工業污染逐年積累，加之安砂水庫上游的九龍湖景區旅游業的大力開發[29]，可能對水環境產生一定的壓力。與S1點位類似，農業面源污染、生活污水排放對COD的顯著升高貢獻較大。

S6與S13點位COD雖在標準要求內，但均呈現顯著性上升趨勢。畜禽養殖業、農村生活污水排放[30]和城鎮生活污水排放[31]是COD的主要來源。S6位于富屯溪中上游流域，農業生產活動頻繁[32]，COD的上升可能與此有關。而S13位于福州市轄區，上游是閩侯竹岐的農業區域[33]，城鎮生活污水和畜禽養殖業、農村生活污水的流入不可避免，由于該點位是福州市轄區重要飲用水源地，為近60%的福州市民提供飲用水[34]，因此對該點位COD上升趨勢需要引起重視。

3.2 氮磷變化及影響

外源性氮磷營養鹽輸入是引起河流富營養化的重要原因之一。S11和S15靠近人口和工農生產集聚區，生活污水、工農業污水和牲畜糞便[8]排放增加了水中TP含量。S15段污染物主要來自于古田縣和閩侯縣，S11段主要來自于永泰縣，且兩地流域上游降雨集中，地表侵蝕嚴重，污染物易滲透入河[8]，導致2017—2020年TP值有上升趨勢，需加強對這兩地的水質保護與管理的關注。

S6和S12所處的富屯溪中上游流域主要從事農業生產活動[31]，NH3-N來源于農業和養殖業的面源污染。且位于S12上游順昌合成氨廠的排放直接增加該河段的NH3-N含量[35]。

S16位于閩江河口，是內陸水與海水的交匯地帶。研究表明S16的pH、COD和NH3-N呈現高度顯著性下降趨勢，推測受外海低濃度COD和氨氮的影響，河水攜帶的COD和氨氮在河口水團混合過程中，被海水逐漸稀釋，這與袁旗等[36]研究結果一致。可以預測未來水質狀況比較樂觀。

4 結論

本文采用季節性肯達爾分析法和時序全局主成分分析法，對閩江流域多年監測水質進行分析和評價，得到以下結論：

1)閩江流域pH和DO整體上呈現各支流高于干流，干流下游(靠近人口聚居地)高于中上游的狀態。COD和NH3-N在干流自上游到下游呈現先降低后升高的趨勢。TP干流呈現先升高后降低趨勢。S1的COD、TP和NH3-N遠高于其余點位，需引起注意。

2)通過季節性肯達爾趨勢分析法分析表明研究區域pH和DO近年有好轉趨勢；但TP和NH3-N污染風險仍然較高，部分點位需提高對COD的重視。

3)時序全局主成分分析法識別出研究區域目前水體污染風險壓力主要來自NH3-N和TP，污染風險較為嚴重的區域主要集中在閩江各支流，尤其是建溪和大樟溪，需要加強管控。