石亭江流域水質(zhì)時空分布特征及污染源解析

＊楊賢 高倩倩 傅德瑜 陳思潔 冉秀華 廖婭

（四川省德陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站 四川 618000）

影響河水水質(zhì)的主要因素涵蓋多個方面，其中包括水源的補(bǔ)給、當(dāng)?shù)氐乃臍夂驐l件、流域內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境狀況（例如巖石構(gòu)成、土壤類型和植被覆蓋）及人類的各種活動。河流水質(zhì)狀況不僅受氣溫、降水等水文氣候因素的影響。通過對石亭江流域干流和支流斷面的監(jiān)測分析和污染調(diào)查，研究時空分布特征，找出主要污染因子和污染來源。

本文以2022年石亭江流域9個監(jiān)測斷面（其中6個干流斷面，3個支流斷面）、6個監(jiān)測項(xiàng)目作為研究指標(biāo)，應(yīng)用聚類分析和主成分分析研究石亭江流域水質(zhì)時空分布特征，分析主要污染因子及污染源解析，找準(zhǔn)重點(diǎn)污染區(qū)域，提出深度治理建議，推動石亭江流域水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)工作。

1.研究方法

（1）研究河流概況。石亭江位于德陽市內(nèi)，流域面積1512km2，主要支流有廠西排洪渠、白魚河、射水河和馬尾河等，同鴨子河交匯于雙江橋斷面，于三水易家河壩與綿遠(yuǎn)河匯合后，至成都金堂趙鎮(zhèn)入沱江，涉及的行政區(qū)域包括綿竹市、什邡市、旌陽區(qū)、廣漢市。年均徑流深791mm，年均徑流量12.0億立方米，汛期為4—10月，非汛期為11月至翌年3月。

（2）監(jiān)測點(diǎn)位及數(shù)據(jù)來源。流域內(nèi)共設(shè)置9個斷面，其中高景觀、柳林村、金輪大橋、雙江橋、三川、綿竹紅豆村為干流斷面，數(shù)據(jù)來源據(jù)德陽市水質(zhì)自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)（高景觀和柳林村來自每月手工監(jiān)測數(shù)據(jù)），馬射匯合、白云村、廠西排洪渠為支流斷面，支流斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)均來自水質(zhì)自動監(jiān)測站。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和統(tǒng)一性，選取6項(xiàng)常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)：水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷。

（3）研究方法。聚類分析是將具體或抽象的對象按照它們的相似性進(jìn)行分類的過程，這些對象可以是物理的也可以是抽象的。通過定義變量之間的相似系數(shù)，辨別變量之間相似度，以此將所有變量逐一歸類，環(huán)境監(jiān)測中可以使用聚類分析法對監(jiān)測斷面水質(zhì)時間和空間分布的相似性和差異性進(jìn)行分析。

對主成分進(jìn)行分析，第一步是將原來的變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后再進(jìn)行各變量之間的計(jì)算，最后將特征根由大到小排列，分別計(jì)算出對應(yīng)的主成分。第二步是為了驗(yàn)證主成分分析的適用性，通常使用KMO和巴特利特檢驗(yàn)。一般而言，KMO值大于0.6即可認(rèn)為適合進(jìn)行主成分分析。巴特利特檢驗(yàn)則是用于檢驗(yàn)各變量是否相互獨(dú)立，如果巴特利特檢驗(yàn)的顯著性小于0.05，則拒絕原假設(shè)，認(rèn)為相關(guān)系數(shù)矩陣不是單位矩陣，各變量間存在相關(guān)性，適合進(jìn)行主成分分析[1]。第三步是確定主成分的個數(shù)，我們主要依賴于累計(jì)貢獻(xiàn)率這一指標(biāo)。當(dāng)前k個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到或超過某一預(yù)定閾值時，我們即認(rèn)為前k個主成分已經(jīng)足夠代表原始數(shù)據(jù)的變異信息，因此保留這k個主成分。通常會選取特征值≥1的主成分進(jìn)行后續(xù)分析[2]。在對石亭江水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評估時，我們通過監(jiān)測一系列指標(biāo)來獲取水質(zhì)狀況的多方面信息。利用主成分分析方法，我們可以將這些原始指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合性的新因子。這些新因子不僅包含了原始指標(biāo)的主要信息，而且能夠更集中地體現(xiàn)水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的主要特征。因此，通過對主成分因子的分析，我們可以篩選出對水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響最大的監(jiān)測指標(biāo)，并進(jìn)一步明確各指標(biāo)對水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度。這樣的分析方法可以幫助我們更高效地評估石亭江的水質(zhì)環(huán)境狀況，為環(huán)境保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)[3]。絕對主成分-多元線性回歸源解析模型（APCS-MLR）能夠較好地反映工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)等污染源的貢獻(xiàn)[4]。

2.結(jié)果與分析

（1）聚類分析。時間聚類結(jié)果：石亭江流域時間聚類分析結(jié)果可分為兩個時段如圖1所示，5—11月為T1時段，12—4月為T2時段。時間上T2時段水質(zhì)略優(yōu)于T1時段。

圖1 石亭江流域時間聚類分析

空間聚類結(jié)果：石亭江流域空間聚類分析結(jié)果如圖2所示，9個斷面可劃分為2組，D1組包括斷面高景觀、柳林村、馬射匯合和廠西排洪溝，其中高景觀為源頭斷面，馬射匯合為支流馬尾河和射水河交匯斷面，廠西排洪渠為支流與石亭江交匯處；D2組主要為干流斷面，從上游到下游為綿竹紅豆村、金輪大橋、白云村、雙江橋和三川，白云村為支流白魚河與石亭江交匯處。

圖2 石亭江流域空間聚類分析

聚類分析原因：各監(jiān)測斷面水溫呈明顯的季節(jié)變化特征，6—8月（T1）水溫高，12—2月（T2）水溫低。溶解氧同水溫呈相反的變化規(guī)律，主要原因是冬季水溫較低，溶解氧的飽和度高，相反在夏季溶解氧的飽和度低，12—3月（T2）溶解氧濃度較高，綿竹紅豆村7月溶解氧濃度超標(biāo)，水體有可能受到易耗氧物污染，溶解氧得不到及時補(bǔ)充，水質(zhì)較差。電導(dǎo)率空間變化比較明顯，高景觀、柳林村、廠西排洪渠和馬射匯合（D1）電導(dǎo)率較低，其余D2斷面電導(dǎo)率較高，除綿竹紅豆村電導(dǎo)率時間上變動較大，其余點(diǎn)位電導(dǎo)率在時間上基本上比較穩(wěn)定，綿竹紅豆村收納有新市工業(yè)園區(qū)的廢水，水體可能受到了污染。

（2）主成分分析。通過對9個監(jiān)測斷面的5個水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明KMO和巴特利特檢驗(yàn)均有較好適宜性（KMO取樣適切性量數(shù)0.61，顯著性0.001），5個指標(biāo)變量之間具有較好的相關(guān)性，主成分分析結(jié)果有效。選取特征值＞1的因子，共提取兩個主要因子，累積貢獻(xiàn)率66.52%，到達(dá)60%以上，見表1。主成分載荷系數(shù)大于0.7的指標(biāo)被認(rèn)為和主成分顯著相關(guān)，0.7～0.5表示中度相關(guān)，0.5～0.3表示弱相關(guān)。

表1 石亭江流域各水質(zhì)指標(biāo)主成分分析結(jié)果

主成分1為工業(yè)廢水和畜禽養(yǎng)殖廢水排放，累計(jì)貢獻(xiàn)率45.86%，與總磷、氨氮和電導(dǎo)率顯著正相關(guān)。磷主要來源于工業(yè)廢水，德陽是四川省磷礦石生產(chǎn)基地，磷礦探明儲量約占全省的25%，全市磷化工廠及磷石膏堆場主要集中在石亭江中上游兩岸，綿竹新市工業(yè)園區(qū)集中了大部分磷化工企業(yè)，園區(qū)廢水處理后于綿竹紅豆村附近排入石亭江。氮是農(nóng)業(yè)水體污染的主要貢獻(xiàn)者，廣泛存在于農(nóng)田徑流和畜禽養(yǎng)殖排水，是石亭江流域農(nóng)業(yè)面源污染中的主要污染源，石亭江流域分布有8個養(yǎng)殖排污口，主要分布在旌陽區(qū)和廣漢市，其中支流白魚河沿岸分布占50%。電導(dǎo)率則代表水體無機(jī)鹽的影響，主要受工業(yè)廢水影響。

主成分2為氣象因素和生活污水排放，累計(jì)貢獻(xiàn)率20.65%，氣象條件影響程度較高的為溶解氧，溶解氧與主成分2顯著負(fù)相關(guān)，說明氣象因素對水體質(zhì)量有一定影響。高錳酸鹽指數(shù)與主成分2顯著正相關(guān)，代表耗氧有機(jī)物污染，快速城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來城鎮(zhèn)污水排放量與日俱增，據(jù)統(tǒng)計(jì)，石亭江流域分布有17個城鎮(zhèn)生活污水處理廠排污口和20個生活污水散排口，占石亭江流域排口的65%。

污染貢獻(xiàn)率分析見表2。電導(dǎo)率、總磷和氨氮在主成分1的貢獻(xiàn)率分別為86.0%、54.1%和39.3%。高錳酸鹽指數(shù)和溶解氧在主成分2的貢獻(xiàn)率分別為62.1%和28.4%。

表2 石亭江流域各水質(zhì)指標(biāo)貢獻(xiàn)率分析結(jié)果

主成分和貢獻(xiàn)率分析原因：磷主要來源于工業(yè)廢水，德陽是四川省磷礦石生產(chǎn)基地，全市磷化工廠及磷石膏堆場主要集中在石亭江中上游兩岸，綿竹新市工業(yè)園區(qū)廢水處理后于綿竹紅豆村附近排入石亭江，加之部分地區(qū)的土壤中含有因工廠排放或農(nóng)業(yè)施肥等排放的磷物質(zhì)積存，容易隨著雨水沖刷進(jìn)入河流。氮是農(nóng)業(yè)水體污染的主要貢獻(xiàn)者，廣泛存在于農(nóng)田徑流和畜禽養(yǎng)殖排水，是石亭江流域農(nóng)業(yè)面源污染中的主要污染源，石亭江流域分布有8個養(yǎng)殖排污口，主要分布在旌陽區(qū)和廣漢市，其中支流白魚河沿岸分布占50%。電導(dǎo)率則代表水體無機(jī)鹽的影響，主要受工業(yè)廢水影響。

溶解氧受氣象條件影響程度較高，氣象因素對水體質(zhì)量有一定影響。高錳酸鹽指數(shù)濃度代表耗氧有機(jī)物污染，快速城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來城鎮(zhèn)污水排放量與日俱增，據(jù)統(tǒng)計(jì)，石亭江流域分布有17個城鎮(zhèn)生活污水處理廠排污口和20個生活污水散排口，占石亭江流域排口的65%，大量的生活污水排放對水質(zhì)影響較大。

3.建議

（1）總磷污染治理。德陽市涉磷企業(yè)眾多，流域主要污染物為總磷，需要深入開展“三磷”污染防治。一是加強(qiáng)磷化工企業(yè)廢水整治，實(shí)現(xiàn)廢水零排放；二是加大磷石膏堆場規(guī)范化整治和綜合利用進(jìn)度；三是加強(qiáng)滲濾液的收集和利用，實(shí)現(xiàn)“消增削存”，從源頭上控制磷污染物的產(chǎn)生。

（2）氨氮污染治理。為了減輕環(huán)境壓力，我們必須實(shí)施一系列策略來應(yīng)對農(nóng)村的面源污染。首先，我們要對畜禽養(yǎng)殖進(jìn)行合理規(guī)劃，優(yōu)化布局，強(qiáng)調(diào)污染防治，鼓勵集約化養(yǎng)殖模式，并執(zhí)行畜禽糞便的安全資源化處置及管理項(xiàng)目。其次，要推動規(guī)模化養(yǎng)殖場建設(shè)糞便資源化利用設(shè)施，嚴(yán)厲禁止養(yǎng)殖場和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水無序排放或未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的排放行為。對于高濃度的農(nóng)田灌溉尾水流入河流的情況，我們需要加強(qiáng)監(jiān)管，嚴(yán)格禁止農(nóng)村生活廢水未經(jīng)處理或僅經(jīng)過簡易處理就直接排入河流。最后，我們還需加大水產(chǎn)養(yǎng)殖的整治力度，全面取消水庫網(wǎng)箱養(yǎng)魚，并進(jìn)一步調(diào)整全市的禁養(yǎng)區(qū)范圍。這些舉措將有助于降低環(huán)境污染風(fēng)險，保護(hù)我們的生態(tài)環(huán)境。

（3）高錳酸鹽指數(shù)污染治理。城市和農(nóng)業(yè)活動也是導(dǎo)致高錳酸鹽指數(shù)升高的重要原因。隨著城市人口的增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加速，城市污水和農(nóng)業(yè)污染物進(jìn)入水體的壓力越來越大。因此，建立相應(yīng)的規(guī)劃和路線，盡可能減少城市污水和農(nóng)業(yè)污染物的進(jìn)入，這是降低高錳酸鹽指數(shù)的關(guān)鍵措施之一。濕地生態(tài)系統(tǒng)可以緩沖和凈化污染物，通過更好地控制水體中的有機(jī)質(zhì)，對高錳酸鹽指數(shù)有一定的降低作用。因此，對于容易產(chǎn)生高錳酸鹽的污水，建設(shè)濕地生態(tài)系統(tǒng)是有效的選擇。加強(qiáng)石亭江流域小水電站及取水樞紐工程管理，保障德陽市河流生態(tài)基流。沱江流域德陽段河道生態(tài)基流不足，在枯水期、平水期幾乎無生態(tài)來水，由于河道生態(tài)功能的嚴(yán)重喪失。首先，我們需要對河道中的污染物進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和分析，以便準(zhǔn)確核算出維持河道生態(tài)基流所需的水量。接下來，我們將積極與都江堰管理局等相關(guān)部門進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，確保石亭江高景觀生態(tài)基流的有效下泄。同時，為了進(jìn)一步改善河道生態(tài)環(huán)境，我們將與市水利局緊密合作，共同推進(jìn)小水電站下泄生態(tài)流量的“一站一策”措施。

（4）小流域治理。整合發(fā)改科技、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、水利、自然資源、生態(tài)環(huán)境等部門資源，合力將什邡白魚河沿線規(guī)劃成生態(tài)廊道、旅游廊道、產(chǎn)業(yè)廊道。通過面源污染生態(tài)攔截工程、農(nóng)村生活污染治理工程、河道水生態(tài)修復(fù)工程、水資源保護(hù)工程、生態(tài)景觀布局等，打造白魚河流域治理樣板，通過生態(tài)提升、環(huán)境改善，把“沉睡”的綠水青山轉(zhuǎn)化成發(fā)展資本，并將經(jīng)驗(yàn)覆蓋全市，因河施策、因地制宜，全面推進(jìn)我市小流域生態(tài)治理。