山東某調蓄水庫水質評價及污染來源分析

宋宜彤,王慶紅,涂楠楠

(臨沂市水文中心,山東 臨沂 276000)

1 研究背景

某城市的用水總量由2000年的12.3×108m3增至2020年的20.6×108m3,而當地供水嚴重短缺。因此,調蓄型水庫成為該類型城市用水安全的主要保障[1]。調蓄型水庫面臨著水質污染,確定水質污染的成因并進行量化評價,是制定水質保證政策和措施的基礎[2]。

為此,本文選擇該城市的某調蓄型水庫進行2020年度的綜合監測。運用因子分析法、多元回歸分析等方法,綜合評判影響該調蓄水庫的污染因子,并估計各污染源的貢獻率,為提高水環境質量、確保飲水安全提供參考,同時為該類型水庫水質評價及污染來源分析提供理論依據和技術參考。

2 材料與方法

某調蓄水庫是山東某城市主要的飲水水源,水庫總庫容1.98×107m3。2020年,年平均氣溫24℃,全年總日照時數1 870 h,年降雨量1 883 mm。其中,3月份降雨量異常偏多,1、11、12月份降雨量異常偏少。選擇該水庫中和水庫流入水廠的出口兩個代表性取樣點,取樣日期為2020年1-12月,根據《水質采樣技術指導》(HJ 494-2009),在每月上旬收集(0.5m)地表水體樣本。考慮到該水庫經過長期的全面封閉式治理,未造成明顯的農業非點源和產業環境的影響,選擇pH值、CODMn(高錳酸鹽指數)、NH3-N(氨氮)、NO3-N(硝酸鹽氮)、TN(總氮)、TP(總磷)、Fe(鐵)、Mn(錳)等8項代表性的水質參數。各項水質指標的檢測方法和標準限值見表1。

表1 各項水質指標檢測方法和標準限值

相關性分析可較好地體現各水質指數之間的相關性,故采用相關系數(r)來表示相關性強弱。因子分析法(FA)是當前水質污染的一種常用的分析手段,利用不同水質指標之間的相互關系建立矩陣,然后通過降低維數來減少變量數,進而識別水體污染中的主要因子,從而為制定有效、科學的水資源管理規劃提供依據[3]。此外,基于絕對主成分的多元線性回歸模型,利用FA確定的主要污染因子,可以定量分析各種污染來源的貢獻率[4]。

3 結果分析與討論

3.1 各水質指標隨時間變化規律

圖1 該調蓄水庫2020年1-12月各水質指標濃度變化

由圖1(c)可知,該調蓄水庫全年NH3-N的濃度為0.02～0.08 mg/L,屬于較低的水平,表明該水庫存在自潔能力,其中以硝化作用作為主要的氮循環方式[5]。就NO3-N和TN而言,6-9月份的平均濃度處于一年中的較低水平,主要是由于這一時期的浮游生物的生長需求比較高,需要攝取大量的氮素來滿足生長;其它幾個月份的濃度沒有明顯的改變,見圖1(d)和圖1(e)。與其他水庫相類似[6],該調蓄水庫TN濃度較高,在0.54～1.73mg/L之間,見圖1(e),且一整年都超出地表水II類(0.50 mg/L)標準,有的月份更是超出地表水IV類(1.50mg/L)標準,因此TN濃度較高是該調蓄水庫迫切需要解決的問題。水庫TP的濃度全年維持在0.01～0.02mg/L,見圖1(f),呈現出較低水平,達到地表水II類水質標準的要求。

由圖1(g)和圖1(h)可知,Fe、Mn的全年濃度為0.01～0.2和0.002～0.015mg/L,且均未超出地表水的限值。Fe、Mn的變動幅度都較大,但變化趨勢相同。1-4月份Fe、Mn的濃度均處于較低水平,5月份之后,二者均有顯著提高,并持續處于較高水平。這主要與汛期雨水沖蝕河道以及水庫表層厭氧量的釋放有關[7]。5月份之后,水庫Fe、Mn仍維持較高水平,其主要原因是Fe和Mn在水中滯留的速度都較高、滯留時間都較長。因此,在5月份之后,Fe、Mn的增加將會對水質產生一定的影響。

3.2 各水質指標的相關性分析

CODMn與pH具有較強的相關關系(r=0.75**),表明影響二者的主要因子高度同源,即都是由浮游植物引起的。NO3-N與TN存在較強的相關性(r=0.74**),表明二者的變化是相似的。對于Fe、Mn而言,兩者具有很強的關聯度(r=0.82**),即變化的趨勢是相同的。pH值與Mn的濃度之間存在強烈的負相關關系(r=-0.75**),但與Fe含量之間沒有顯著的相關關系。這主要是由于庫區長期維持著一個弱堿性環境,Mn的溶解率比Fe低得多,Fe被快速的氧化并在水中保持穩定的狀態,而Mn的氧化速率相對緩慢,故pH值對Mn的影響較大。

3.3 污染來源及貢獻率分析

通過8項水質指標的因子分析,將各指標對每個因子的方差用特征值表達出來,就能夠代表各因子在整體水質解釋貢獻度上所起的作用。有效因子一般為特征值大于1。該調蓄水庫的前3個因子均為有效因子。對前3個因子進行分析,其累積解釋率為84.7%,表明這3個因子可以較好地反映出原水質信息。

第1個因子(VF1)的解釋率為38.7%,且與TN、NO3-N和TP之間存在較大的相關性。該因子可概括為與引水匯入這一因素有關。該調蓄水庫主要水源為河水,而地表水的環境質量標準比水庫要低,導致水庫的水源品質較差,使水庫的養分含量偏高,從而導致水質的供需矛盾。

第2個因子(VF2)的解釋率為33.6%,且與pH值、CODMn、TP之間有較強的相關性。上文表明,該調蓄型水庫中的浮游植物對pH值和CODMn有強烈影響,浮游植物會導致磷的進一步釋放,從而導致磷負荷增大[8],這一因素反映出浮游植物對水庫的水質產生了一定的影響。

第3項因子(VF3)的解釋率為12.4%,且與Fe、Mn之間存在較強的相關性,表明這一因素與水庫的內源釋放效應密切相關。該調蓄水庫的平均水位在15m以上,符合水體的熱分層條件,在夏季庫內的水溫會發生顯著的分層,水庫的底層水體中溶解氧含量較低,進一步導致底層水體沉積物Fe和Mn的釋放[9]。見表2。

表2 各項水質指標的因子分析

因子分析表明,第一因子引水匯入、第二因子浮游植物、第三因子內源釋放是3個主要的污染來源,基于絕對主成分的多元線性回歸模型,得到不同污染來源對該調蓄水庫各項水質指標的貢獻率,見表3。

表3 主要污染源對各水質指標貢獻率

第一因子引水匯入對NO3-N和TN的貢獻率為59.0%,TN占44.0%,表明該流域氮素的過半來源于引水匯入。第二因子浮游植物對CODMn的貢獻高達40.0%,因此還需要注意浮游植物對水質的影響。第三因子內源釋放對Fe和Mn的貢獻率最高,為53.0%和46.0%。此外,由于該研究中的水質樣品為庫區表層0.5m處收集,因此該調蓄型庫區在夏季分層時,其分析結論并不能充分反映庫區的實際情況。要想從根本上提高水庫水質,必須通過工程手段來去除地下水的分層,從而遏制地下水的內源性排放。

4 結 論

該調蓄水庫8項水質指標基本達到地表水的Ⅱ類標準,并且波動范圍較小。某些月份 pH、CODMn指數超過標準,主要是由于浮游植物的大量增殖所致。TN是一種重要的污染來源,應該通過降低引水來降低其對環境的影響。此外,Fe、Mn的濃度雖然較低,但有增加的傾向,值得重視。利用因子分析及絕對主成分的多元回歸方法得出,該調蓄水庫的水體質量受到諸多因素的制約,而主要的影響因素是引水匯入、浮游植物的大量繁殖以及由于水體熱分層帶來的內源釋放。