嘉陵江南充段水質評價及其污染源解析
2023-07-06 03:26:05袁姁魯朝旭吳雪梅李紅英舒麗雷熊李曉曼劉巧
安徽農業科學 2023年11期
袁姁 魯朝旭 吳雪梅 李紅英 舒麗 雷熊 李曉曼 劉巧
摘要以2017—2019年南充市嘉陵江一級支流25個監測斷面的年均值監測數據為研究對象，運用多種評價方法對水環境質量進行分析，并采用GIS和多元統計法分析水質變化特征及潛在污染物來源。結果表明，綜合水質標識指數法最適合南充市嘉陵江一級支流河長考核制。嘉陵江南充段一級支流水質逐年改善，污染程度從高到低依次為蓬安縣>高坪區>南充市>嘉陵區>閬中市>順慶區>南部縣>儀隴縣；該地區主要污染物指標為化學需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）。主要受有機污染、富營養化污染和糞便污染的影響，工業廢水、農業徑流、生活污水以及畜牧污染物的排放是流域主要污染源。
關鍵詞水質評價；綜合水質標識指數法；多元統計；GIS；污染源解析；嘉陵江
中圖分類號X824文獻標識碼A
文章編號0517-6611（2023）11-0043-07
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.011開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：
Analysis of Water Quality Evaluation and Pollution Sources in Nanchong Section of Jialing River
YUAN Xu，LU Zhao-xu，WU Xue-mei et al（Nanchong Ecological Environment Monitoring Center Station of Sichuan Province，Nanchong，Sichuan 637000）
AbstractBased on the 2017-2019 monitoring data of Nanchong Jialing River first level 25 tributaries monitoring section as the research object，the water environment quality was analyzed by various evaluation methods，and the water quality change characteristics and potential pollutant sources were analyzed by GIS and multivariate statistical methods.The results showed that comprehensive water quality identification index method was the most suitable for the river chief examination system of the first grade tributary of Jialing River in Nanchong City.The water quality of the first level tributaries in Nanchong section of Jialing River improved year by year. The pollution degree ranked as follows Pengan County > Gaoping District > Nanchong City > Jialing District > Langzhong City > Shunqing District > Nanbu County > Yilong County. The main pollutant indexes in this area were CODCr，BOD5，TP，NH3-N. It was mainly affected by organic pollution，eutrophication pollution and fecal pollution，and the four major pollution sources in the basin were industrial wastewater，agricultural runoff，domestic sewage and livestock pollutant discharge.
Key wordsQuality evaluation;Comprehensive water quality identification index method;Multivariate statistics;GIS;Analysis of pollution sources;Jialing River
河流水質分析與評價是水環境規劃與管理、水功能區劃、污染與防治、目標考核等的基礎性工作，只有采用科學合理的水質評價方法，才能準確反映當前的水體質量和污染狀況［1］。一個地區的水質被認為是自然和人為因素的函數，地表水的水質不僅取決于自然過程，而且還取決于居民生活污水排放、工業廢水、肥料施用和牲畜養殖等人為影響。了解水質特征，識別其污染源，是其管理的核心，因為它為水資源的恢復和保護提供了必不可少的信息，也將為更好的水資源管理和污染控制提供參考。
嘉陵江是南充市境內最大的河流，是絕大部分南充人民的重要飲用水取水地，由北向南縱貫全境，是長江上游一條流域面積最大的支流。嘉陵江南充段處于嘉陵江中游，出境后為廣安市，于重慶匯入長江三峽庫區，其水域地理位置十分重要。2017年南充市率先在全省推行河長制，建立了市、縣、鄉、村四級河長體系，按照“六個一”的思路，廣泛開展采砂管理、河湖“清四亂”等專項行動，強力推進水污染防治整改工作。此外，南充還形成了“黨政河長+”的河長制新格局，除“黨政河長”外，還設立了“河道警長”“記者河長”“河長制工作義務服務員”以及由小學生擔任的“小河長”等，進一步加強了對嘉陵江南充段一級支流水質監測及污染防控［2］。南充市在四川省甚至全國率先推行市級河長制考核，該研究也是國內少見的有關市級河長制推行嘉陵江一級支流水質改善及其水污染防治攻堅戰取得的成果展示和經驗總結，可為其他相關相似地區提供參考借鑒。
現在的水質評價方法已經出現了很多種，如單因子指數評價法、綜合污染指數法［3］、內梅羅污染指數法［4］、主成分分析法和綜合水質標識指數法［5-6］等。這些方法的評價結果是否科學合理沒有一個確切的定論，而且每種方法都有各自的優點，所以在使用過程中需要根據具體評價的河流對每種方法進行比較，最大避免它的不合理處，從而使結果盡可能科學合理。筆者通過采用單因子指數評價法、綜合污染指數法、內梅羅污染指數法、主成分分析法以及綜合水質標識指數法等對市級河長制實施3年以來的監測數據進行綜合分析，選取最適合用來考核南充市各縣（區、市）的水質評價方法，綜合分析水質現狀及污染成因；采用GIS和多元統計的方法分析了水質空間分布特征及其主要污染物來源，提出相關防治對策，為打贏長江經濟帶嘉陵江水污染防治攻堅戰提供決策依據和技術支撐。
1資料與方法
1.1研究區域概況南充市位于四川省東北部、嘉陵江中游，管轄3區5縣，代管1個縣級市，市人民政府駐順慶區；2019年末2020年初，南充市總人口723.71萬，戶籍人口和常住人口全省排名第二，僅次于成都市；土地面積1.25萬km2，是成渝經濟區北部中心城市、川東北區域中心城市和國家重要的交通次樞紐。嘉陵江是長江第二大支流，是南充市境內重要的河道水系。南充市水資源豐富，“十三五”期間南充市平均降水量1 232.2 mm。全市河流3 166 km，境內河流大多屬長江流域嘉陵江水系，嘉陵江一級支流有25條，市轄三區境內最主要支流有西河、蘆溪河、瀠溪河（荊溪河）、蜿蜒河、螺溪河、西充河等，這些河流交匯形成樹枝狀水系（圖1）。
1.2數據來源南充市境內嘉陵江一級支流25條河流各設置1個監測斷面，其中高坪區的清溪河用清溪河（GP）表示，蓬安縣的清溪河用清溪河（PA）表示，具體位置見圖2。數據采用2017—2019年年均值，監測頻率為每月1次，每月中下旬采樣。水樣采集與分析參考《水和廢水監測分析方法》［7］、《地表水和污水監測技術規范》（HJ/T 91—2002）［8］，實際監測水質指標共計23項：水溫（T）、pH、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（CODCr）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）、銅（Cu）、鋅（Zn）、氟化物（F-）、砷（As）、汞（Hg）、硒（Se）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、氰化物（CN-）、揮發酚（VP）、六價鉻（Cr6+）、石油類（Oils）、硫化物（S2-）、陰離子表面活性劑（LAS）、糞大腸菌群（FC）。根據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）［9］，水質目標考核類別均為Ⅲ類。糞大腸菌群（FC）作為單獨評價指標，不納入目標考核范圍。該研究主要采用Excel、GIS和SPSS 23.0 對所有數據進行計算和處理。
1.3多元統計方法目前，相關性分析和主成分分析（PCA）都是比較完善的多元統計分析方法，常用于環境監測的污染源分析［10］。相關性分析是通過對污染指標之間進行分析，衡量2個指標的相關密切程度，從而確定其同源關系［11］；PCA是通過數學變量降維思想，將多個分析指標納入同一系統中進行定量化研究，篩選出主要因子來解釋污染情況，并且屬于同一個主因子的指標則可能為同一污染來源［12-13］。它的主要目的是通過全面分析各項指標所攜帶的信息，篩選出比原始指標少、能解釋大部分資料的綜合性指標。
1.4水質評價方法單因子指數評價法是把全部參與評價的指標分別與國家地表水環境質量標準進行對比，選取對應水質級別最差的那個作為該水體的水質級別；該法的缺點是評價結果較為單一，反映河流的水質情況不夠全面，優點是計算方便，直接得出超標指標的個數和倍數。綜合污染指數法是在單項污染指數評價的基礎上計算得到的，優點是可了解多項水質參數與相應標準間的關系從而直觀判斷水質狀況，缺點是忽略高濃度和急性毒理性指標的影響，沒有考慮水環境大量的不確定性因素。內梅羅污染指數法是考慮最大污染因子，同時又兼顧了各項污染因子平均值的一種綜合污染指數。主成分分析方法是一種將多維因子納入同一系統中進行定量化研究的多元統計分析方法，缺點是計算過程相對最復雜。綜合水質標識指數法（WQI）是在單因子水質標識指數法基礎上綜合水質類別、與水環境功能區類別的比較結果等有關內容，主要包括單因子水質標識指數的計算、綜合水質標識指數計算及水質等級確定3個步驟；它的優點是既參照國家標準規定的水質類別進行比較，又考慮了對水質污染程度的比較，可以對河道綜合水質進行定性和定量的綜合評價［4-5］。這5種評價手段的具體計算方法詳見參考文獻［3-5］。
2結果與分析
2.1水質評價該研究采用單因子指數評價法、綜合污染指數法、內梅羅污染指數法、主成分分析法、綜合水質標識指數法5種統計評價方法，對河長制河流考核3年監測數據平均值進行分析，結果表明（表1）：①單因子指數評價法分析結果，25條河流25個監測斷面達標18個，達標率為72%。其中，Ⅱ類水質斷面占16%（4個斷面）、Ⅲ類占56%（14個斷面）、Ⅳ類占16%（4個斷面）、劣Ⅴ類占12%（3個斷面），斷面超標污染物為CODCr、BOD5、TP、NH3-N、DO、CODMn，馬家河和清溪河斷面超標污染物項目較多，其他支流超標項目為個別項目。②綜合污染指數法分析結果，東河水質為清潔，其他支流水質受到不同程度的污染。輕度污染17個斷面，中度污染3個斷面，重度污染3個斷面，嚴重污染為馬家河斷面。③內梅羅污染指數法分析結果，重污染2個斷面，中度污染2個斷面，輕度污染2個斷面，其他斷面為清潔或較清潔。④主成分分析法分析結果，25個監測斷面污染程度從高到低依次為馬家河>清溪河（GP）>西充河>朱鎮河>清溪河（PA）>河舒河>大泥溪>吉安河>金溪河>泥槽河>曲水河>瀠溪河>蘆溪河>長灘河>長塘河>漁溪河>西河>枸溪河>羅家河>柴井河>白溪濠>小河溪>螺溪河>闕家河>東河。⑤綜合水質標識指數法分析結果，Ⅰ類水質斷面占4%（1個斷面）、Ⅱ類水質斷面占76%（19個斷面）、Ⅲ類占12%（3個斷面）、Ⅴ類占8%（2個斷面）， CODCr和BOD5為主要污染物，NH3-N、TP次之。
通過對5種評價方法比較得出，單因子污染指數法能直觀看出超標的污染物和超標倍數，但以最差的水質類別作為水質綜合評價的結果，評價結果過于消極，并不能綜合反映水質污染情況。綜合污染指數法和內梅羅污染指數法可以綜合反映河流水污染狀態和讀出超標斷面的個數，但它不能確定直觀判斷綜合水質類別。主成分分析法計算過程復雜，不能判斷水質狀況與評價標準的關系，并受數據量多少的影響，但可提供污染因子、貢獻率、斷面各月水質優劣等信息。綜合水質標識指數法綜合考慮了各種方法的特點和實用性，實現了對水質的定性和定量評估，表征流域污染物的時空變化，解決了劣Ⅴ類水的連續性描述問題，消除由于某些監測點或者指標污染過于嚴重而產生的影響［14］。綜上結果表明，綜合水質標識指數法比較適于南充市各區縣河長制的水質考核評價，因此，有關政府部門可以參考，在水環境評價中應加以推廣使用。
2.2綜合水質評價從綜合水質標識指數法（WQI）評價結果（表1）來看，馬家河和清溪河（GP）監測斷面水質為Ⅴ類，水質最差；清溪河（PA）、河舒河和西充河水質次之；東河水質最好，達到 Ⅰ 類標準。WQI評價結果空間分布（圖3）顯示，馬家河和清溪河（GP）多年水質為Ⅴ類—劣Ⅴ類，清溪河（PA）、河舒河2017—2018年水質也出現未達標（Ⅳ類）的情況，有關部門應把馬家河和清溪河（GP）2條非達標河流作為重點防控對象，清溪河（PA）和河舒河作為警惕對象［15］。從WQI年際變化（表2）可以看出，80%的監測斷面水質變好，超標項目和超標倍數也逐年減少，截至2019年，只有清溪河（GP）一個斷面未達標（Ⅴ類）。達標率是根據生態環境部要求，采用單因子指數評價法（各斷面每月所有指標都達標，才能算該斷面該月達標）對監測斷面每年（12個月）所有指標的達標情況進行統計計算，每個責任主體每年的達標率是該地所有監測斷面達標率的平均值，各縣（區、市）的污染程度是通過所在責任主體3年的所有斷面的達標率的均值進行排序。從綜合達標率（各責任主體3年達標率均值）可以看出（表2），各縣（區、市）污染程度從高到低依次為蓬安縣>高坪區>南充市>嘉陵區>閬中市>順慶區>南部縣>儀隴縣。從綜合達標率年際變化來看，嘉陵江南充段一級支流3年的水質情況都在逐步改善，南充市和儀隴縣達標率基本保持不變，其余縣（區、市）達標率都有所上升，順慶區、閬中市和蓬安縣均上升了20%以上，說明南充市率先在全省實行市級河長制河流目標考核模式，重點整治嘉陵江一級支流及縣域河流水環境已見成效。
2.3污染源解析
2.3.1相關性分析。由于研究區水樣中Cu、Pb、Zn、Cd等重金屬以及石油類等指標數值較小或未檢出，且指標濃度保持穩定，因此上述指標在多元統計分析時不參與分析。通過對12個監測指標（DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP、CODCr、T、pH、S2-、LAS、FC、F-）進行Person相關性分析，結果表明（表3），CODMn、BOD5、NH3-N、TP、CODCr、DO、LAS、FC這8項指標相互之間具有顯著相關性（P<0.05），且CODMn、BOD5、NH3-N、TP、CODCr、DO 這6項指標之間具有極顯著相關性（P＜0.01）。根據各水質指標的特性，CODMn、BOD5、CODCr、DO主要用于表征水體受有機污染的程度和自凈能力，主要來自生活廢水、畜禽養殖廢水、農田徑流、工業廢水等。NH3-N、TP可作為水體營養鹽污染指標，主要用于表征水體受富營養化污染的程度，可能來自水產養殖、農業面源及生活廢水的排放等。統計結果發現FC、LAS、F-與六者（CODMn、BOD5、NH3-N、TP、CODCr、DO）之間具有顯著相關性，說明這些指標之間內在聯系緊密，即這些污染物具有相同來源或受控于同一種因素［16］。河流中F-來源分為天然源和工農業氟化物排放，LAS主要來自洗滌產品和個人護理品隨生活污水排放，以及如紡織、印染、造紙等行業廢水排放。FC表征水體受糞便污染的情況，主要來自地表雨水沖刷、生活污水、畜禽糞便等。因此初步推測嘉陵江南充段一級支流的主要污染源來自工業生產、農田、畜禽養殖、生活污水等。
2.3.2主成分分析。初步選取這12個監測指標（DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP、CODCr、T、pH、S2-、LAS、FC、F-）為評價因子，對2017—2019年濃度年均值共75組樣本進行PCA分析。在分析PCA前，通過軟件SPSS 23.0先對數據集進行標準化處理，再進行因子分析，得到KMO檢驗結果為0.766>0.5，Barlett球形檢驗結果顯著性概率Sig.=0.000<0.05，符合PCA分析要求［17］。河流濃度主成分的貢獻率及累計貢獻率如表4所示。結果表明，嘉陵江南充段一級支流>1的特征值數目3個，且累計方差貢獻率占比84.1%，即可用3個主成分替代12個水質指標，可解釋監測指標表征的絕大部分信息。
根據PCA數據表明，主成分1在BOD5、CODCr、CODMn、NH3-N、DO、TP、FC、LAS、F-等變量上具有較高載荷，貢獻率達到59.7%，研究區CODCr和FC超標情況較為嚴重，部分河流也存在BOD5、CODMn、NH3-N、DO、TP超標的情況。所有超標的指標在第1主成分的載荷都在0.88以上，因此第1主成分主要由這7個因素決定，表征有機污染、富營養化污染以及糞便污染。據南充市第二次全國污染源普查公報得知，全市水污染物排放量中，CODCr 9.47萬t，NH3-N 1.33萬t，TP 0.12萬t；嘉陵江流域南充段水污染物排放量中， CODCr79 450.17 t，NH3-N 4 004.70 t，TP 11 135.15 t。其中，南充市各類源 CODCr排放量中，生活源占62.52%，農業源占36.42%，工業源占0.95%，其他集中式污染治理設施占0.11%；南充市各類源NH3-N排放量中，生活源占83.17%，農業源占15.81%，工業源占0.65%，其他集中式污染治理設施占0.37%；南充市各類源TP排放量中，生活源占32.59%，農業源占66.37%，工業源占0.93%，其他集中式污染治理設施占0.11%。可見，嘉陵江南充段水質污染主要是生活污水、農業源、工業廢水引起的。
主成分2在S2-和pH具有較高載荷，貢獻率達到13.1%，S2-在地表水中含量不高，有部分來自厭氧條件下微生物還原和分解，還有部分來自工業廢水中。pH代表水體的酸堿度，主要表征水體的化學穩定性。主成分3在變量T上具有較高載荷，貢獻率達到11.3%，主要表征水體環境變化。對比3個主成分的貢獻率可見，第1主成分即人類工農業活動影響因子對水質起主導作用，第2主成分和第3主成分影響較小。
2.3.3污染源識別。
（1）工業廢水影響大，受有機污染嚴重。結合實地調查，馬家河和清溪河（GP）水質最差，主要受有機污染的影響。主要原因是2條河流位于城區或工業園區外，人口密度高和生活污水排放量大，受到化學原料及化學制品等點源污染，其排放的廢水中含有大量的耗氧有機物質，并且水處理負荷也較大。
（2）農業徑流導致富營養化污染。據2016—2020年統計年鑒得知，“十三五”期間，南充市農林牧漁業總產值逐年上升，農業總產值最高，化肥施用量基本逐漸降低，氮肥施用量最高、磷肥次之。結合實地調查，絕大部分嘉陵江一級支流位于城鄉結合區，主要分布在有大量農田的鄉村、果園基地和城區附近村鎮，水體多靜止無流動，污染物進入這些河流不易擴散，河水入嘉陵江前水體富營養化嚴重。部分污染源來自附近農業生產過程中過量施用化肥、農藥使氮磷營養鹽通過降雨徑流進入河水所致。
（3）受人類活動影響，生活污水和糞便污染明顯。南充各個區縣的畜禽養殖業比較多，高達幾千家畜禽養殖場，養豬場、雞鴨養殖場（戶）占較大比例，規模小且沒有完善的廢水處理工藝，生活污水、人畜糞便等未經處理直接排入河流，造成嚴重的糞便污染。
（4）村鎮污水管理水平較低，消毒處理設施不夠完善，部分鄉鎮污水處理廠未運行。隨著人口城鎮化，各區縣污水處理廠超過其處理能力，超負荷運行，生活污水并沒有完全納入污水處理系統，也是污染嚴重的一個主要原因。近幾年南充在不斷開展推進環保設施項目建設，截至目前，南充主城區已建成污水處理廠5座，區縣8座，工業園區（9個省級，1個市級）全部建成污水處理廠，新建鄉鎮污水處理廠405座。其中，2020年新（改）建管網約185.75 km、新建城市污水處理廠5座、工業園區污水處理廠2座、鄉鎮污水處理廠（站）158座、新增污水處理能力56.22萬t。
綜上所述，嘉陵江南充段一級支流的水質主要受有機污染、富營養化污染和糞便污染的影響。流域內水環境質量受人類活動影響較大，工業廢水、農業徑流、生活污水以及畜牧污染物的排放是流域四大主要污染源。
3結論
（1）綜合水質標識指數法比較適于南充市各區縣河長制的水質考核評價。該方法實現了對水質的定性和定量評估，消除由于某些監測點或者指標污染過于嚴重而產生的影響，能具體反映南充市嘉陵江支流水質的整體水平，能科學合理地對南充市嘉陵江水質狀況進行描述。
（2）綜合水質標識指數法顯示，馬家河和清溪河（GP）水質最差，均達到Ⅴ類水質；東河水質最好，達到 Ⅰ 類標準；該地區的主要污染物為CODCr和BOD5，NH3-N、TP次之；從綜合達標率可以看出，污染程度從高到低依次為蓬安縣>高坪區>南充市>嘉陵區>閬中市>順慶區>南部縣>儀隴縣，總體上嘉陵江南充段一級支流水質情況在逐步改善。
（3）依據多元統計分析，南充嘉陵江流域主要受有機、富營養化和糞便污染的影響。流域內水環境質量受人類活動影響較大，工業廢水、農業徑流、生活污水以及畜牧污染物的排放是流域四大主要污染源。
（4）為了鞏固這3年來水污染防治攻堅戰取得的來之不易的成果，結合該研究污染物來源解析結果，針對其污染特征，抓住工業、農業、城鎮生活和畜禽養殖等重點污染源，開展流域污染整治，繼續推動實施各種地方目標考核制度和“一河一策”等系列辦法。
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