灤河支流水質評價及農業面源污染來源的相關性

郝桂珍，熊曉瑩，趙勇，范慧雙，徐利，3

（1.河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；3.河北工程大學，河北 邯鄲 056009）

0 引 言

河流作為地表水的重要組成部分，中國整體水質在2009-2019年趨于改善[1]，但其污染問題依舊嚴重[2-4]。根據全國污染普查公報可知，在點源污染得到控制的當下，農業面源污染已經逐漸發展為造成水體富集污染物總氮、總磷的主要來源。

21世紀以來，農田、農村畜禽養殖和生活排污是造成水體氮、磷富營養化的主要來源[5]，并隨著降雨量和流量的增加，大量氮素、磷素隨水土流失進入水體，同步出現農業面源污染負荷偏高的情況[6]。王萌指出[7]大部分研究未將總氮納入地表水環境質量的評價體系當中,僅考核總磷來判斷農業面源污染對水環境質量的影響存在偏差。根據《地表水環境質量評價辦法（試行）》可知，河流斷面水質類別評價采用單因子評價法的結果，即根據評價時段內該斷面參評的指標中類別最差一項來確定。但承德支流總氮污染嚴重超標，單因子評價結果受個別指標影響，發生較大偏差，無法全面合理體現整體污染情況。目前較常見的水質綜合評價的方法還有內梅羅污染指數綜合評價法、灰色關聯度評價法、主成分分析法、加拿大水質指數法（CCME WQI）等。內梅羅指數綜合評價法是國內外進行地表水綜合污染指數計算的最常用方法之一，但該方法是在超標倍數的基礎上進行分指數平均值及最大值比較，過分突出分指數最大因子對水質的影響，忽略了各污染因子權重問題[8]。劉金英[9]指出灰色關聯度評價法存在離散程度大，不存在不產生序列效應同時滿足規范性的關聯度量化模型。主成分分析法是將多維因子在降低維度后納入同一體系，避免少數污染指標對水質類別的決定性影響，更加客觀的綜合分析水質類別[10-12]。根據潘犖等人[13]的研究發現，CCME WQI不僅適用于飲用水水質的評價，也可用于河流水質的綜合評價；CCME WQI評價法相較于內梅羅評價法和單因子評價法考慮了不同污染因子對水質的影響程度，評價結果以更直觀嚴格的百分評分制體現[14]；并在我國汾河水庫及上游河段[15]、鰲江感潮河段[16]、渭河寶雞段[17]等河流水體的水質評價中驗證其可重復性，加拿大水質指數成功運用于國內外地表水環境評價中[15-18]。

承德市水資源匱乏，主要河流普遍受到污染，且污染程度逐年上升[19,20]。灤河作為貫穿研究區域的主要水系，肩負著向下游天津、唐山地區輸水供水的重任，同時也是京津冀地區重要的水源涵養地之一。承德以傳統農耕養殖作為主要經濟來源，是氮素、磷素污染高風險區域之一，城鎮化程度不高，未開發的林地在全市面積中具有較高的占比[21]。農田、果林化肥施用量逐年增加，但由于承德農業耕作方式較為落后，化肥利用率低，對林地保護意識不足，導致水土流失，當地農業面源污染情況復雜且缺乏相關研究。

為進一步保護京津冀飲用水供應的安全，響應國家可持續發展戰略，深化“綠水青山就是金山銀山”的理念，支持“八百里灤河水質保護”工程，研究重點支流污染物變化情況，分析承德地表水主要污染來源及農業面源污染對支流水質的影響，將對灤河承德段部分支流水污染治理和水資源管理的理論和實踐做出貢獻，具有重要的科學價值和實際意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

承德市地處河北省東北部，處于華北和東北兩個地區的過渡地帶。全市總面積39 788.71 km2，屬于溫帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，全市河流常年有水，汛期洪水暴漲暴落。承德市主要河流——灤河，位于河北省的東北部，河流全長885 km，干流呈東南向，橫穿燕山和冀東平原，流域面積4.49 萬km2，承德市境內干流長486 km，流域面積2.86萬km2。灤河進入承德境內后匯入興洲河、伊遜河、武烈河、柳河、瀑河等支流，是一條單一獨立的入海水系。

伊遜河、武烈河、瀑河及柳河作為灤河在承德地區的主要二級支流，受承德當地氣候、地理條件的影響，降水多集中于夏季，歷史上曾多次發生洪水災害，對生態環境造成了負面影響。伊遜河發源于河北省圍場縣哈里哈鄉，流經隆化縣和灤平縣，屬于灤河流域的較大支流，水量變化較大。武烈河流域地處灤河中游，建有數目較多的水利設施，深受人類活動的影響。瀑河流域依靠其原有的自然資源，旅游業發展較好，雖然及時治理了一些污染企業，但近幾年由于采礦作業，植被減少，水質遭到破壞，瀑河水量銳減。柳河發源于興隆縣，最終匯入灤河，地勢起伏較大，水流陡急。四條支流在承德境內匯入灤河，形成了自己獨特的流域文化，對研究承德地區水環境狀況具有一定的代表意義。

1.2 采樣與研究方法

1.2.1 采樣

選取伊遜河、武烈河、瀑河及柳河作為研究對象，共14個斷面，采樣時間為2017-2020年（月中采樣）。其檢測數據作為研究灤河中游主要支流水質的依據，采樣點及編號如圖1和表1所示。

表1 采樣點編號Tab.1 Sample point number

圖1 研究區域地表水采樣點分布圖Fig.1 Map of the distribution of surface water sampling points in the study area

選用全不銹鋼水樣采集器，采集亞表層水體（水下0.5 m），河寬小于50 m的斷面中泓采樣，大于50 m近左、右岸有明顯水流處混合采樣。水樣運輸保存全程均在4 ℃避光恒溫箱內，水溫、pH、溶解氧均采用HQ-40D多參數水質分析儀現場測定，其他指標24 h內實驗室完成檢測。

檢測方法采用國家標準分析方法，并根據《環境監測質量管理技術導則》（HJ 630-2011）做好質量控制。抽檢的10%的平行樣結果相對偏差均小于5%，檢測數據精度滿足規范要求。

1.2.2 CCME WQI評價方法

CCME WQI評價法是1995年由加拿大英屬哥倫比亞大學(UBC)提出的水質指數改進而來[22]。其評價指標和評價標準選取靈活、評價結果嚴格直觀，從指標的超標范圍、超標頻率和超標幅度3個角度衡量水體污染狀況，能夠較為全面地評價某一時期的水體質量，廣泛應用于世界范圍內的水環境評價[23,24]。CCME WQI的取值范圍在0～100之間，將水質分為極好(94, 100]、良好(79, 94]、中等(64, 79]、較差(44, 64]、極差[0, 44]共5類等級。

計算公式如下：

式中：F1為超過目標水質限值的指標項目百分比，是超標指標的超標范圍；F2為監測指標超過標準限值的所有次數所占百分比，作為超標頻率；F3為超標幅度；P為超標水質指標的個數；N為監測的水質指標總數；q為全部水質監測數據中超標數據的個數；M為水質指標監測數據總數；S為在具體某一監測指標超標時，該監測數據的超標倍數；Q為參數，即各監測數據超標倍數和與水質監測數據總數之比。

然而，CCME WQI作為一種確定性指數，污染物濃度接近評價標準值時，評價結果易發生“躍遷”，并且在設定水質標準上需要結合專家經驗和群眾期望，具有一定主觀性[24]。

1.2.3 農業面源污染指標流失計算方法

有研究指出主要農業面源污染濃度與地表水水質呈正相關關系，單憑污染物排放指標無法正確反映主要面源污染物對水質的影響[25]，故引入了畜禽養殖業廢物利用率，畜禽養殖業污染指標流失量計算如下：

式中：TPLi為i類污染指標流失總量，kg；Km為第m年畜禽養殖業廢物利用率，前瞻經濟學人的統計數據顯示2017、2018、2019、2020年畜禽養殖業廢物利用率分別為60%、66%、70%、75%[26]；Xij為j種畜禽的i類污染指標的排放系數，kg/（頭·a）；Bj為j種畜禽的養殖量（具體數值見《河北統計年鑒》）；Lij為j種畜禽的i類污染指標的流失率，%。見表2。

表2 畜禽糞便排放系數與流失率[27]Tab.2 Livestock and poultry manure emission coefficient and loss rate

2 結果分析

2.1 2017-2020年水質情況

武烈河、伊遜河、瀑河及柳河作為重要源頭支流及飲用水源地，各斷面根據《河北省水功能區劃》規定均執行地表水Ⅲ類標準。

水質檢測指標包括pH值、溶解氧指數（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮濃度（NH4+-N）、石油類污染物濃度、化學需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）、糞大腸菌群等。其中作為主要污染指標的pH值、DO、CODMn、BOD5、NH4+-N濃度、石油類污染物濃度均能達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中的Ⅲ類標準，測值分別在7.6～9.0、8.9～12.8、1.6～4.2、1.0～3.5、0.07～0.66、0.005～0.044、8～10、8～10 mg/L之間波動。

由于數據量較大，為了方便觀察數據波動情況，繪制了4條河流檢測指標濃度箱線圖，如圖2所示。箱子的寬度在一定程度上代表了數據的波動程度，超出的點位可以理解成異常值。

圖2 河流斷面主要污染物檢測值箱線圖Fig.2 Boxline diagram of the test values of major pollutants in river sections

圖3顯示農業面源污染典型指標在研究期間的各斷面月平均濃度變化情況。河流受TN污染情況十分嚴重，濃度最高可超出地表水Ⅲ類標準的12.8倍；武烈河、瀑河、柳河4項污染物濃度在2017年之后有所下降，伊遜河近4年TN檢測濃度變化不大。TP指標濃度僅在2017年李臺（0.3 mg/L）超過地表水Ⅲ類標準，COD僅在2017年的26號大橋超標，濃度為22.7 mg/L，4年檢測到各斷面NH4+-N月平均濃度均在地表水Ⅲ類標準限值之下。

圖3 2017-2020年河流斷面主要污染物月平均檢測值折線圖Fig.3 2017-2020 Line chart of monthly average test values of major pollutants in river sections

糞大腸菌群指標的地表水Ⅲ類標準限值為1 萬個/L，圍場上游（2018-2020年）及黨壩（2017年）出現了超標情況。根據我國居民的生活習慣，糞大腸菌群超標并不會影響飲用水水質，但會影響其景觀娛樂功能，并且水廠為進行處理投加更多藥物而造成副產物的增加，影響出水水質。糞大腸菌群指標由于缺乏連續性數據，無法進行具體時空變化分析。

2.2 CCME WQI水質評價分析

根據王坤[16]的分析可知，利用CCME WQI評價水質類別時，水質目標的設定對水質評價結果影響較大，若將水質目標提高一級，則水質評價數值出現不同程度的下降。因此在設定水質目標時，依照相關文件規定CCME WQI評價標準為Ⅲ類水體，并根據水質功能類別來選擇參與評價的水質檢測指標。參與評價的水質指標個數應大于8個，小于20個；水質指標間不應存在高度相關性，避免相關性水質指標重復選擇對計算結果產生影響[22]。參考CCME WQI 2017附錄2初步選擇pH，DO，CODMn，BOD5，NH4+-N，石油類，COD ，TN，TP，糞大腸菌群共10項水質指標。

從表3可以看出，部分指標之間存在極顯著相關關系，但相關系數|r|均小于0.8，一般認為|r|≥0.8的變量高度相關。由此可以認定各組指標未達到高度相關的條件。可將選擇的水質指標納入CCME WQI評價體系中。

表3 支流斷面CCME WQI水質指標顯著性分析Tab.3 Significance analysis of CCME WQI water quality indexes in tributary section

河流斷面水質類別評價采用單因子評價法，各支流斷面總數小于5時，根據指標濃度的算數平均值中類別最差的一項確定定類指標。該評價方法中糞大腸菌群、TN指標單獨評價。研究對象單因子評價結果優于《河北省水功能區劃》規定的水功能類別，與CCME WQI評價結果有一定差別，而CCME WQI考慮了總氮、糞大腸菌群等超標項目的超標范圍、超標頻率和超標幅度，因此得出的水質評價結果較合理。

柳河上、下游水質較好且相對穩定，CCME WQI評價最高值出現在2020年的大杖子（二）斷面，中游26號大橋斷面水質評價較差但逐年好轉；武烈河及伊遜河較高的水質評價結果有自上游到中下游轉移的趨勢，河流主要污染區域發生變更，但伊遜河的水質相對更差；瀑河在中下游水質最差，但到2019年，瀑河的水污染情況明顯好轉。灤河主要支流整體水質評價結果分布在中等水平（59.51～78.99），并未出現水質極好或很差情況；近年來4條支流的水質有明顯好轉，河流治理初步出現成效，但伊遜河的源頭污染問題情況加重。

根據CCME WQI評價法計算公式，發現F1和F3的權重較高，所以水質指標項目的選擇和超標幅度對CCME WQI評價結果有較大影響。各斷面TN濃度嚴重超標，是影響CCME WQI評價結果的主要因素，見表4和圖4。

表4 CCME WQI法與單因子法評價2017-2020年支流整體水質結果Tab.4 CCME WQI method evaluates the overall water quality results of tributaries in 2017-2020

圖4 2017-2020年灤河支流各斷面CCME WQI評價結果變化情況Fig.4 Changes in CCME WQI evaluation results in various sections of Luan River tributaries from 2017-2020

2.3 降維分析

采用SPSS 25軟件對所有支流、伊遜河、武烈河、瀑河數據進行KMO檢驗及Bartlett球形檢驗。KMO檢驗結果均大于0.7，Bartlett球形檢驗結果的顯著性概率P值均小于0.001，說明本研究水質數據適合用于主成分分析。旋轉后的全部支流數據成分矩陣如表5所示。

表5 旋轉后的公因子與變量相關系數Tab.5 The coefficient of correlation of the rotated common factor to the variable

因子1（占總方差的29.028%）與CODMn、BOD5、NH4+-N、COD有顯著的正相關關系，除對pH存在負向影響外，其他指標均為正相關關系。由于生活污水的排放和農業耕作都會造成水體中有機物、氮磷污染物含量的明顯上升，且缺乏硝態氮、亞硝態氮等檢測指標進一步區分，初步認定因子1為生活污水排放或農業耕作造成的污染物流失。

因子2（占總方差的20.583%）可考慮為來自降水徑流污染影響。根據表5可知因子2對DO、TP有顯著作用，指標之間存在的相關性相反；因子2影響加強的同時也會造成研究水體變酸、糞大腸菌群的檢測數量增加。降雨時大氣壓強降低，水體中DO值下降，山區雨水的過度沖刷會導致水土流失，未經處理的生活污水、垃圾糞便等污染源被降雨徑流直接帶入水中。

因子3（占總方差的19.044%）會對pH值上升、堿度增加起顯著的正向作用，對TN濃度的增加出現顯著的阻礙作用。受到磷元素積累的刺激，浮游生物快速生長，消耗二氧化碳，使水體pH值上升，分泌藻類多糖[28]，故因子3可認為是浮游生物生長繁殖的影響。因子4（占總方差的11.691%）僅與石油類排放有極顯著的正相關關系，得出因子4為石油的泄露。

通過主成分分析確定支流存在4個主要污染源，主要影響因子方差百分比占整體的80.346%，特征值均大于1。總方差排序為生活污水或農業耕作污染（29.028%）＞降雨徑流（20.583%）＞浮游生物的生長繁殖（19.044%）＞石油泄漏（11.691%）。參數降維后通過對應水污染物化學特征分析來確定其污染來源方向，具體的污染物及其量化的判斷仍需進一步深入解析。

3 討 論

3.1 利用承德地區土地利用類型分析污染分布

繪圖數據來源于資源環境科學數據注冊與出版系統的中國多時期土地利用遙感監測數據集（CNLUCC）。中國科學院在國家資源環境數據庫基礎上，以美國陸地衛星Landsat遙感影像數據作為主信息源，通過人工目視解譯，建成了國家尺度1∶10比例尺多時期土地利用專題數據庫。圖5采用CNLUCC中2020年承德地區土地利用遙感監測數據，其分辨率精度為1 000 m[29]。

圖5 2020年承德地區土地利用情況Fig.5 Land use in Chengde in 2020

研究區土地利用類型以林地、草地為主體，這是以其獨特的山區地形條件造就的；其次是旱地，基本分布在河流兩岸；城鎮用地以聚集點狀分布在伊遜河及武烈河下游、柳河及瀑河上游；農村居民點較為分散。

伊遜河的水質最差，上游兩岸分布較大規模的旱田，工業排污口污水排放量高[20]，畜禽養殖業較為傳統，出現了糞大腸菌群超標的情況；下游存在一定規模的城市聚集，生活污水排放造成了TP濃度的超標；污染物通過不同途徑的流失造成了TN的積累，在流向上呈上升趨勢。武烈河中游及柳河的林地、草地覆蓋較高，水土保持較好，污染主要來源于城鎮居民生活污水排放和山區降雨導致的局部地區水土流失。瀑河流域土地覆蓋與其他研究支流差別較大，大面積農田沿河分布，地形平坦，植被覆蓋以低矮灌木、草地為主。由此可知不同支流的水污染狀況有很大區別，水污染負荷貢獻率與土地利用類型密切相關。

3.2 農業面源主要污染指標與承德灤河典型二級支流水質相關性分析

王思如[30]通過聚類分析法分析了農業面源污染的主導來源，得出我國農業面源污染物TN、TP主要來自于畜禽養殖和農田種植，雖然各省污染情況不同，但是兩者之和占比大多數超過了90%。因此，承德農業面源污染與支流水質相關性分析采用化肥施用量以及畜禽養殖產生的COD、TP、NH4+-N污染量。

根據2017-2020年《河北統計年鑒》農業部分，可得到承德4年化肥施用量、全市畜禽出欄量與存欄量，通過計算公式得出2017-2020年承德地區化肥施用量及畜禽養殖業COD、TP、NH4+-N指標流失狀況，并引入畜禽養殖業廢物利用率指標，2017、2018、2019、2020年畜禽養殖業廢物利用率分別為60%、66%、70%、75%，計算結果與CCME WQI水質評價值進行相關性分析。化肥施用量與畜禽養殖業污染物單位量級不同，故采用農業面源污染指標相對值（以2017年為標準）與斷面CCME WQI值進行擬合。

圖6為Pearson相關性熱圖，可知瀑河化肥施用量以及畜禽養殖業主要污染指標與CCME WQI值存在顯著的負相關性，柳河、武烈河、伊遜河4項農業污染指標與CCME WQI值無相關性。瀑河水質會隨著當地農業面源污染物的減少而有所改善。根據|r|值可以看出化肥施用情況對瀑河水質評價結果影響最大，但與其他參與相關性分析的指標相差不遠。承德地區農業面源污染情況與瀑河流域水環境的好壞存在負相關關系，結果與土地利用情況相吻合。

圖6 主要農業面源污染指標與CCME WQI評價結果的Pearson相關性熱圖Fig.6 Pearson correlation heat map of major agricultural non-point source pollution indicators and CCME WQI evaluation results

農業化肥施用量與畜禽養殖業主要污染指標之間極顯著正相關，化肥施加量的增長會影響畜禽養殖業造成的氮、磷污染情況加重。由于TPLCOD、TPLTP、TPLNH+4-N計算結果均來自于地區禽畜養殖統計數量，導致相關分析出現了嚴格的線性關系。根據唐肖陽[31]的結論可知在漢江流域，農業面源TN污染負荷貢獻率最大的污染源是農田化肥，TP等污染負荷貢獻率最大的污染源是畜禽養殖業，二者的污染負荷在空間分布上有很強的一致性。2017年黃河流域畜禽養殖是COD排放量的最直接影響因素，化肥是NH4+-N、TN及TP排放量的最直接影響因素[32]。農業面源污染的產生也與氣象條件密切相關，降雨徑流是面源污染的主要原因[33,34]。河流在地形相對平緩的區域，土壤淋溶、小規模農田退水的不規則排放和大型農田灌區退水是氮磷進入受納水體的主要途徑[35,36]。根據上述結果可知，承德地區主要受農業面源污染影響的河流為瀑河，農田化肥施用影響力較高，且化肥的使用是造成NH4+-N、COD及TP污染的不可忽視的影響因素之一。這是由于瀑河流域處在平緩地段，沿河兩岸大面積的農田耕種和低覆蓋度的草地不僅造成了水土流失，還使農業污染物通過雨水進入水體。

伊遜河、武烈河、瀑河主成分分析的影響因子存在差異，以及僅有瀑河農業面源污染指標與WQI評價結果存在顯著相關性，同時證明了在不同的支流水環境，存在不同的的污染來源。近年來城鎮污水逐漸成為伊遜河、武烈河、柳河、瀑河主要的污染貢獻源，同時瀑河受到農業面源污染的顯著影響。

隨著承德地區土地開發利用的加速，城鎮化帶來的水環境問題逐漸加劇，原有的農業養殖污染問題依舊存在。應積極優化耕作結構，科學合理減少化肥的投加，實現畜禽養殖規模化規范化；優化市政管網系統，推進現代化水處理技術，加強工業企業生產的監督管理，積極推行全面治理與專項專治，解決承德在轉型期間的水污染問題。

4 結 論

（1）承德地區的4條支干河流TN濃度嚴重超標，在2.25～12.80 mg/L之間，其次是受糞大腸菌群、TP、COD污染物超標影響；pH值、DO、CODMn、BOD5、NH4+-N、石油類污染物濃度檢測指標均符合地表水Ⅲ類標準。

（2）CCME WQI評價結果越高，當地水質情況越好。柳河在中游斷面水質出現惡化，但其在上、下游斷面水質良好，評價結果最高可達到89.00；武烈河及伊遜河的主要污染區域發生轉移，伊遜河的源頭污染問題逐年突出；瀑河水質評價較為穩定，整體評價結果在64.84～78.99之間。

（3）初步認定污染貢獻率排序為城鎮化帶來生活污水或農業耕作＞降雨徑流＞浮游生物的生長繁殖＞石油泄漏。

（4）僅承德瀑河的農業面源污染指標與水質評價指標CCME WQI呈顯著負相關關系，瀑河流域水質的好壞受農業面源污染負荷的影響，農業化肥施用量和畜禽養殖污染量排放減少，河流水質好轉；但城鎮污水仍然是伊遜河、武烈河、柳河、瀑河主要的污染貢獻來源。

（5）承德各支流由于地形起伏變化和周邊土地利用的不同，形成了不同的水環境條件，水污染荷載及來源存在較大差異，應用CCME WQI評價法與主成分分析的研究結論與其他研究地區相比具有地域獨特性。所以對于承德流域水質治理應做到專項專治，依據實際情況制定相關政策，科學治理水污染問題。