崇明島主要河道水質評價及時空變化特征

孔 若 楠，蘇 敬 華，黃 沈 發，

(1.東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620； 2.上海市環境科學研究院，上海 200233)

0 引 言

崇明島是世界上最大的河口沖積島和中國第三大島，發揮著重要的生態服務功能。地表水作為崇明島重要的環境要素之一，是生態島建設工作的重點。2010年，上海市政府發布《崇明生態島建設綱要(2010～2020年)》，明確了“骨干河道水質達到Ⅲ類水域比例”這一關鍵指標。因此，研究近年來崇明島地表水水質變化特征和趨勢，對科學評估崇明生態島建設進程和成效、保障崇明島地表水環境質量具有重要意義[1-2]。

目前，較為典型的水質評價方法主要有單因子評價法、污染指數法、主成分分析法、灰色系統評價法、人工神經網絡法等[3-4]。葉焰中等[5]通過計算水質綜合指數評價亞熱帶水源型水庫的水質狀況，并通過多元線性回歸優化水質綜合指數；Minakshi等[6]采用綜合水質標識指數法分析了科隆河的季節性水質狀況；楊浩等[7]采用主成分分析法對張家港市河道水質時空分布特征進行了研究，識別了主導河道水質的環境因子；劉彥龍等[8]基于層次聚類分析和主成分分析等多元數據分析方法，結合改進的綜合水質標識指數，探究了黃河流域水質的時空變化特征。由于各類方法的局限性和適用性，應根據河流水質的特點選擇合適的評價方法，以確保評價結果更加準確[9]。

本文基于崇明島生態環境預警監測評估體系，選取島內6個地表水質斷面監測數據，采用單因子評價法、均值綜合污染指數法進行水質評價，采用主成分分析法、聚類分析法及Spearman秩相關系數法，對崇明島主要河道地表水環境質量的水質時空特征及變化趨勢進行研究，識別關鍵污染因子及其貢獻程度，綜合評價崇明島主要河道各斷面水質狀況及年際變化特征，為生態島后續發展和水環境管理提供科學依據。

1 研究區概況

崇明島位于西太平洋沿岸中國海岸線的中點地區，121°09′30″E～121°54′00″E，31°27′00″N～31°51′15″N，地處中國最大河流長江入?？?。全島面積1 269.1 km2，東西長80 km，南北寬13～18 km。島上地勢平坦，河網密集，共有河道12 000多條，除環島河(分南橫引河和北橫引河)貫通崇明島外，還有眾多豎河、橫河、泯溝等，構成“1環、2湖、29豎、27閘”“南引北排”“西水東調”的引排格局(見圖1)。其地表水功能區目標為Ⅲ類水體。

圖1 監測斷面分布

2 研究方法

2.1 數據來源

基于崇明島生態環境預警監測評估體系，選取2010～2020年5個主要評估年份(2010，2012，2015，2018，2020年)6個地表水質斷面，分別為南橫引河-三沙洪交匯口(Y1)、南橫引河-新河港交匯口(Y2)、南橫引河-堡鎮水廠(Y3)、南橫引河-奚家港交匯口(Y4)、北橫引河-前衛村橋(Y5)、北橫引河-七滧港西橋(Y6)(見圖1)。水質分析因子包括：溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(IMn)、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)。

2.2 評價方法

2.2.1單因子水質標識指數法

單因子水質指數Pi由一位整數、小數點后2位或3位有效數字組成，可判斷崇明島主要河道水質類別、污染程度及首要污染因子[9-10]，表達式為

Pi=X1.X2X3

(1)

式中：X1表示所監測水體的水質類別；X2表示監測值在X1類水質變化區間所處的位置，水質變化區間由監測值與GB 3838-2002《地表水環境質量標準》中標準值比較確定。X1.X2代表單項水質指標的類別和污染程度，其意義為：1.0≤X1.X2≤2.0,Ⅰ類水；2.06.0,劣Ⅴ類水，數值越大,水質越差。X3表示所監測水體水質類別與所屬功能區劃設定類別的比較結果，X3=0表示水質達到功能區類別，X3=1表示水質劣于功能區1個類別，X3=2表示水質劣于功能區2個類別，以此類推[11]。

2.2.2均值型綜合污染指數法

綜合污染指數法能夠較為準確地反映水質綜合狀況，廣泛應用于地表水水質分析中[12]。根據崇明島地表水環境的污染特點及功能區劃，選取具有代表性的污染物，按照Ⅲ類功能區標準計算水質綜合污染指數，評價水質的綜合狀況，評價指標包括DO、IMn、COD、BOD5、NH3-N、TP。表達式為

Pi=Ci/Si

(2)

(3)

式中：Ci表示污染物監測值；Si表示相應類別的標準值；n表示評價指標數量，Pi表示單項污染指數；P表示綜合污染指數。

2.2.3主成分分析法

主成分分析法是利用降維思想把多維因子轉換為同一系統中從而實現定量化研究的統計分析方法[13]?；?個主要評估年份7項指標的月份監測結果，利用SPSS 26.0軟件進行Z-Score標準化處理與主成分分析，得到特征值和方差貢獻率，提取特征值>1的主成分；采用最大方差法進行因子旋轉，根據旋轉后的因子載荷矩陣，篩選與各主成分高度相關的主要污染指標，并在此基礎上進行量化排序；根據特征值和得分系數矩陣，分別以時間和空間為出發點計算各主成分得分與綜合得分。主成分得分值越高，說明水環境中污染物含量越高，水質越差[14]。通過對各斷面主成分綜合得分值排序，反映水質空間分布特征。

2.2.4Spearman秩相關系數法

秩相關系數法可用于檢驗水質指標數據序列與其響應時間序列間的相關性，從而判斷水質序列在時間序列上是否存在趨勢變化[15]。以時間為出發點計算主成分得分及秩相關系數，將秩相關系數rs的絕對值同spearman秩相關系數統計表中的臨界值Wp進行比較，從而研究崇明島主要河道在評價時段的水質變化特征。

3 結果與分析

3.1 水質評價

3.1.1單因子評價結果

2010～2020年5個主要評估年份，主要河道各監測斷面水質維持在Ⅱ～Ⅲ類，水質達標率控制在100%。根據單因子水質標識指數，南橫引河各監測斷面(Y1、Y2、Y3、Y4)，DO、COD、BOD5達到Ⅰ類水標準，IMn、NH3-N達到Ⅱ類水標準；北橫引河各監測斷面(Y5、Y6)所有指標均符合Ⅲ類水標準，其中DO達到Ⅱ類水標準。此外，TP單因子水質標識指數偏高，最高值出現在2020年北橫引河斷面Y6，達到3.60，有超出Ⅲ類水標準的趨勢(見表1)。

表1 單因子水質標識指數

3.1.2水體污染程度

根據水質均值型指數，南橫引河各監測斷面歷年水質均優于北橫引河，其中南橫引河2012年水質達到最優，4個斷面均處于尚清潔狀態；北橫引河Y5、Y6在主要年份均處于輕污染狀態，2018年水質最差(見表2)。

表2 水質指標均值型指數

3.2 主要影響因子

基于5個主要評估年份的監測結果，對6個監測斷面中的7項指標做主成分分析。統計檢驗得到KMO檢驗結果為0.617，大于0.6；Bartlett球形檢驗P值小于0.001，表明差異檢驗值顯著，適合進行主成分分析。依據Kaiser-Harris準則，篩選出特征值大于1的主成分，累計貢獻率達到75.486%，第一主成分(F1)方差貢獻率為35.959%，在IMn、BOD5、COD上有較大載荷，可作為反映水體中有機污染物含量的指標；第二主成分(F2)方差貢獻率為21.978%，在TN、NH3-N上有較大載荷，可作為表征水體氮素污染程度的指標；第三主成分(F3)方差貢獻率為17.549%，在TP、DO上有較大載荷，可作為解釋水體富營養化水平的指標(見表3～4)。通過主成分篩選及貢獻程度計算，確定影響水質關鍵因子的貢獻程度，從大到小依次為IMn、BOD5、COD、TN、NH3-N、TP、DO。崇明島主要河道水環境中有機污染與氮素污染并存，有機型污染是其面臨的最主要水質問題，這與居民生活污水排放及作為崇明島主要經濟產業的農業生產、畜牧養殖等產業造成的面源污染有關。

表3 特征值及主成分貢獻率

表4 旋轉后的主成分載荷矩陣

3.3 水質空間特征

3.3.1水質空間聚類

對7組水質數據歸一化處理后進行系統聚類(見圖2)，聚類算法選用組間連接法，距離測量采用平方歐式距離，得到聚類譜系圖。6個監測斷面在空間區域上按水質綜合相似性，分為2個集群，監測斷面Y1、Y2、Y3、Y4歸為一類，Y5、Y6歸為一類，表明南、北橫引河水質情況有較大差異。

圖2 水質空間聚類分析結果

3.3.2水質空間分布

以空間為出發點計算主成分得分(見表5)，各監測斷面主成分綜合得分值排序為：Y5>Y6>Y3>Y4>Y1>Y2，說明崇明島主要河道水質南部優于北部。這主要是由于崇明島北部的部分河道淤淺嚴重，部分水閘失去“南引北排”的功能[16]，造成北部地區排引不暢，河道稀釋自凈能力降低。南橫引河水質中上游總體優于下游河段，而北橫引河中上游水質劣于下游。Y1地處崇明島主城區，人類活動對水質影響較大，因此Y1雖位于上游但水質略差。從各項主成分得分上看，北橫引河F1得分值均大于1，明顯高于南橫引河，特別是位于崇明島重要農業生產區的Y5，達到1.817 0，表明該區域農業面源造成的有機型污染對水質狀況影響顯著。

表5 各監測斷面主成分分值及排序

3.4 水質時間變化

從圖3的各指標年際變化趨勢看，IMn、TP年均值相對較穩定，BOD5、TD、NH3-N呈下降趨勢，崇明島主要河道氮素污染有所改善，而COD年均值有較明顯升高，意味著水環境中還原性污染物大量增加，其中主要是有機污染物，這些有機物污染的來源可能是農藥、化工廠、有機肥料等，下一步需重點關注。

圖3 主要水質參數年際變化

以時間為出發點計算主成分得分，采用 Spearman 秩相關系數法，對各監測斷面主成分得分值與時間序列進行相關性分析，結果如表6所列。結果表明，崇明島主要河道總體上水質穩定，且水質隨時間變化趨勢無顯著意義。由于自然演變、地區開發等原因，崇明河道存在較多斷頭河浜，水系連通性較差，水動力嚴重不足，水體自凈能力較弱[17]，因此其水環境易受外界環境及人為擾動影響。在崇明生態島建設發展的背景下，污水處理能力不斷提升，治水管水成效初步顯現。

表6 各監測斷面主成分得分值與時間變化相關性分析

4 討 論

從空間變化上看，南、北橫引河水質情況有較大差異。北橫引河監測斷面Y5、Y6在主要年份均處于輕污染狀態，且F1得分值均大于1，即兩斷面主控因素為IMn、BOD5、COD。根據遙感影像解譯分析，Y5、Y6河段存在大面積農用耕地[18]，說明該河段農業面源造成的有機型污染對水質狀況有顯著影響。根據均值綜合污染指數與主成分綜合得分值，南橫引河各監測斷面水質均優于北橫引河，南橫引河水質中上游總體優于下游河段，表明“南引北排”“西水東調”的引排格局促使污染物隨河流向下游運移，水體自凈能力不足以消除污染。

從時間變化上看，各監測斷面水質維持在Ⅱ～Ⅲ類，總體上水質穩定；氮素污染在2015年后有顯著改善。十年來，按照《崇明生態島建設綱要(2010-2020)》《上海市水污染防治行動計劃實施方案》及《崇明世界級生態島發展“十三五”規劃》要求，崇明島大力開展河道專項整治，推進污染源污水截污納管、提標改造等[19]，在水環境治理上，取得了一定成果。

針對TP潛在超標性強、COD年均值有較明顯升高的問題，建議進一步采取農藥化肥施用管控措施，加強農業面源污染治理；研究相關污染物排放溯源清單，為精準實施污染物總量控制提供支撐。針對北部地區水動力不足導致污染累積的問題，建議進一步加強河道清理疏浚，保障水系暢通，提高水體稀釋自凈能力。此外，根據崇明島主要河道水質評價結果與時空變化特征，建議實施分區管理，重點針對主城區、重要農業生產區等區域，拓展現有生態環境預警監測體系覆蓋面及監測指標，提高預警監測評估能力；并基于區域土地利用和產業分布特征，進行專項溯源監測及調查，制定分區水質提升綜合方案，有效改善水環境現狀。

5 結 論

(1)2010～2020年5個主要評估年份，崇明島主要河道水質達標率維持在100%，TP單因子水質標識指數偏高，最高值出現在北橫引河Y6，有超出Ⅲ類水標準的趨勢；南橫引河2012年水質最優，4個斷面均處于尚清潔狀態，北橫引河Y5、Y6歷年均處于輕污染狀態。

(2)影響水質關鍵因子的貢獻程度從大到小依次為IMn、BOD5、COD、TN、NH3-N、TP、DO，水環境中有機污染與氮素污染并存，有機型污染是崇明島河道面臨的最主要水質問題。

(3)南橫引河水質優于北橫引河，南橫引河水質中上游總體優于下游河段，北橫引河中上游水質劣于下游；崇明島主要河道總體水質穩定，且水質隨時間變化趨勢無顯著意義，氮素污染有所改善，但水環境中有機污染物有所增加。