金堤河不同水期水體污染物時空變化特征分析

張兆海 常琦 張坤 關冬

關鍵詞：有機質指標；富營養化指標；主成分分析；金堤河

水作為重要的自然資源，是人類社會永續發展和長久興盛的重要支撐［１－３］。如今，伴隨著區域經濟高速發展和城市化，水體污染問題日趨凸顯［４］，而河流水系形成過程受地勢地貌、內外營力、流域環境等諸多因素影響［５］，使得造成水污染的因素及污染物的時空分布極其復雜［６］，且隨著人口組成類型發生重大轉變，水污染引發的區域生態、經濟、文化等方面的問題愈發嚴重［７］。進入２１世紀以來，隨著社會發展和人類認知的提升，人們對江河源頭、重點水域的研究和保護力度逐年增加［８－９］，對水體污染造成的環境和生存問題愈發重視，然而以往研究主要集中在大江大河等重點水系，對作為江河支流的小流域水體污染的研究相對較少。

大量研究表明，工農業生產及人類日常生活是造成小流域水體污染的主要因素［１０－１２］。作為江河支流的小流域多為季節性河流，具有明顯的水期［１３］，流域內分布著城鎮、農田、工廠等，導致污染物類型、濃度在不同水期、不同斷面差異明顯。有研究發現流域水體主要污染物為ＣＯＤＣｒ、ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５等，且有機質污染超Ⅲ類水質標準多倍［１４－１５］。趙婷婷等［１６］對漕橋河小流域水環境研究后發現，不同水期各斷面所達水質標準以及各類污染物的主要來源均不同，且總氮對該流域污染負荷最大。吳敬東等［１７］對蛇魚川小流域水質研究后發現，各污染物受季節和降水變化影響較大。張宇等［１８］對江寧河小流域水質污染狀況研究后發現，在污染物來源中城鎮生活污染最多，其次是農田種植污染，而主要污染物為化學需氧量和氨氮。污染物隨水期變化情況較為復雜，受降雨影響地表徑流會挾帶大量泥沙、有機質及水體富營養化物質等［１９］。而受水流向下游流動和各斷面不同來源污染物影響，污染物濃度和污染類型在各斷面間的變化規律不盡相同，但整體表現為下游水質較差［２０］。同時，在不同水期流域入口斷面和出口斷面受水流匯入和反流等影響，污染物類型及濃度與流域內差異較大［２１］。然而，目前針對重點流域不同水期不同斷面單一污染物的研究較多，而對小流域不同水期不同斷面各污染物時空變化的研究相對較少。因此，開展小流域不同水期各斷面污染物時空變化特征的研究，對探索流域水體污染成因、污染物分布及制定對應防治策略具有重要意義。

金堤河為黃河下游支流，流域呈上寬下窄的菱形，河水流進區坡洼地較多，水系復雜。受黃河泥沙淤積影響，流域中、下游排水不暢，致使干旱、洪澇、鹽堿等災害頻發，水體污染較為嚴重［２２］。金堤河屬于典型的季節性河流，水體污染是以流域土壤侵蝕、農業施肥、生活污水等為主的非點源污染，污染物的時空分布受水期的影響極為明顯［２３］。近年來，隨著金堤河生態保護力度的加大，流域水質得到大幅改善，但仍有部分斷面受人類生產生活等因素影響，水質狀況較差［２４］。筆者對金堤河不同水期不同斷面主要水體污染物進行分析，旨在探討各指標時空變化特征，為該流域水體污染防治提供理論參考依據。

１研究對象與方法

１．１研究區概況

金堤河發源于濮陽市滑縣，為黃河下游地區重要支流之一，河道從濮陽市貫穿而過，是該市主要的集水、排水河道，在該市流域面積為１７５０ｋｍ２，約占該流域總面積的１／３。該流域屬溫帶季風氣候區，年日照時數較長，夏季降雨集中且雨量大，農作物生長季所需的光熱和水資源充沛，適宜多種作物生長，農業生產潛力較大。年均氣溫為１３．５℃左右，年均降水量為６０６ｍｍ，蒸發量達１８００ｍｍ，降水少蒸發量大，降水時空分布不均，一年內有２１０ｄ左右為無霜期。

１．２樣品采集與測定

１．２．１樣品采集

為切實有效地反映金堤河水質變化情況，本文選取該流域６個斷面作為觀測取樣點，分別為濮陽大韓橋、宋海橋、范縣金堤橋、子路堤橋、賈垓橋和張秋。２０２０年每月對各斷面進行３次采樣，通過對多項監測指標篩選，選取溶解氧（ＤＯ）、五日生化需氧量（ＢＯＤ５）、化學需氧量（ＣＯＤＣｒ）、高錳酸鹽指數（ＣＯＤＭｎ）、總氮、氨氮和總磷７項水質指標進行分析。文中不同水期分別為平水期（１—２月和１１—１２月）、豐水期（７—１０月）和枯水期（３—６月）；水質類型劃分執行《地表水環境質量標準》（ＧＢ３８３８—２００２）。

１．２．２樣品測定

各樣品測定方法如下：溶解氧測定采取電化學探頭法，五日生化需氧量測定采取稀釋與接種法，化學需氧量測定采用重鉻酸鹽法，高錳酸鹽指數的測定采用高錳酸鉀－硫酸法，總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，氨氮測定采用納氏試劑分光光度法，總磷測定采用鉬酸銨分光光度法。

１．３數據處理與分析

采用Ｅｘｃｅｌ和ＳＰＳＳ進行數據統計分析和主成分分析，對同一水期６個斷面各水質指標以及同一斷面不同水期各指標均進行了對比分析，采用獨立樣本ｔ檢驗，顯著性水平ｐ＝０．０５。作圖采用Ｏｒｉｇｉｎ８．０。

２結果與分析

２．１不同水期各斷面水體有機質濃度時空變化特征

圖１中不同小寫字母表示在同一水期不同斷面指標濃度差異性顯著（ｐ＜０．０５），不同大寫字母表示在同一斷面不同水期指標濃度差異性顯著（ｐ＜０．０５），下同。由圖１可知，各水期（平水期、豐水期和枯水期）ＤＯ濃度及豐水期ＢＯＤ５濃度在斷面間差異性顯著，豐水期張秋斷面ＣＯＤＭｎ濃度、平水期濮陽大韓橋斷面ＢＯＤ５和ＣＯＤＣｒ濃度較其他斷面差異性顯著，各斷面ＤＯ濃度、濮陽大韓橋和張秋斷面ＢＯＤ５濃度以及張秋斷面ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ濃度受水期變化影響差異性顯著。各水期水體有機質指標Ⅳ類及以上水質標準的占比在枯水期最大，以ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ為主，占比５４．１７％，且平水期和豐水期以ＣＯＤＣｒ和ＢＯＤ５污染為主。平水期ＤＯ濃度和ＢＯＤ５濃度分別在賈垓橋和范縣金堤橋斷面達到最大，較平均值分別高１４．８３％和１９．０９％，豐水期和枯水期分別在賈垓橋和張秋斷面達到最大，較平均值分別高４９．２７％、１３．１１％和４１．７９％、３１．１７％。各水期ＣＯＤＣｒ濃度均在張秋斷面達到最大，較平均值分別高２３．４３％、１４．０５％和２０．４３％。ＣＯＤＭｎ濃度在平水期和豐水期在張秋斷面達到最大，較平均值分別高１９．６４％和８４．１７％，枯水期在范縣金堤橋斷面達到最大，較平均值高９．８８％。同時，從上游至下游各斷面水體有機質指標中Ⅳ類及以上水質標準的占比整體呈現增大趨勢。濮陽大韓橋和宋海橋斷面ＤＯ濃度以及范縣金堤橋、子路堤橋與賈垓橋斷面ＢＯＤ５濃度在平水期均高于其他水期，且ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ濃度枯水期均高于其他水期。張秋斷面ＤＯ濃度平水期高于其他水期，ＢＯＤ５和ＣＯＤＭｎ濃度豐水期均高于其他水期，ＣＯＤＣｒ濃度枯水期均高于其他水期。

２．２不同水期各斷面水體富營養化指標濃度時空變化特征

由圖２可知，在平水期和豐水期總氮濃度及氨氮濃度、各水期總磷濃度在各斷面間差異性顯著，濮陽大韓橋、宋海橋和張秋斷面總氮濃度，范縣金堤橋和賈垓橋斷面氨氮濃度以及宋海橋斷面總磷濃度受水期變化影響差異性顯著。各水期水體富營養化指標在Ⅳ類及以上水質標準的占比分別為５５．５６％、６１．１１％和５０％，且各水期主要污染物為總氮。各水期劣Ⅴ類水質指標的占比分別為２７．７８％、１６．６７％和２２．２２％，污染物主要為總氮。在平水期和豐水期，總氮和氨氮濃度分別在子路堤橋和范縣金堤橋斷面達到最大，較平均值分別高５４．７５％、７３．０９％和１１４．０３％、１０２．９４％，枯水期分別在范縣金堤橋和宋海橋斷面達到最大，較平均值高４５．１４％和８０．３８％。總磷濃度平水期在宋海橋斷面達到最大，較平均值高１０５．１３％，豐水期在范縣金堤橋斷面達到最大，較平均值高５８．２９％，枯水期在子路堤橋斷面達到最大，較平均值高３１．４６％。同時，濮陽大韓橋斷面總氮濃度平水期均高于其他水期，氨氮和總磷濃度豐水期均高于其他水期。宋海橋斷面總氮、氨氮和總磷濃度平水期均高于其他水期。范縣金堤橋和子路堤橋斷面總氮和氨氮濃度在平水期均高于其他水期，總磷濃度豐水期均高于其他水期。賈垓橋斷面氨氮濃度平水期高于其他斷面，總氮和總磷濃度豐水期均高于其他斷面。張秋斷面總氮濃度枯水期高于其他斷面，氨氮濃度平水期高于其他斷面，總磷濃度豐水期高于其他斷面。

２．３不同水期水質評價

對不同水期各斷面的７個指標進行主成分分析，各水期所提取的第１、第２主成分累計貢獻率分別達８３．２１％、８５．２２％和８０．４０％，能夠較好地代表數據所反映的信息（見表１），并對各水期７個變量指標信息運用第一和第二主成分進行充分提取（見表２）。將各水期２個主成分的得分值分別代入綜合評價函數中，利用相關公式（平水期Ｆ＝Ｆ１×５８．３６％＋Ｆ２×２４．８５％，豐水期Ｆ＝Ｆ１×４８．６１％＋Ｆ２×３６．６１％，枯水期Ｆ＝Ｆ１×５７．０７％＋Ｆ２×２３．３３％）可得出各斷面２個公因子的綜合得分，并依據此得分對各斷面進行排序（見表３）。由表３可知，在平水期，宋海橋斷面的綜合得分（０．５７）最高，范縣金堤橋斷面（０．５６）次之，濮陽大韓橋斷面（－１．１２）最低；在豐水期，范縣金堤橋斷面（０．５５）最高，子路堤橋斷面（０．３９）次之，濮陽大韓橋斷面（－１．１１）最低；在枯水期，范縣金堤橋斷面（０．５３）最高，宋海橋斷面（０．４０）次之，濮陽大韓橋斷面（－１．３５）最低。由以上分析可知，平水期宋海橋斷面ＤＯ、ＢＯＤ５、ＣＯＤＣｒ、ＣＯＤＭｎ、總氮、氨氮和總磷對金堤河污染物的貢獻高于其他斷面，豐水期和枯水期范縣金堤橋斷面對金堤河污染物的貢獻均高于其他斷面。

３討論

溶解氧（ＤＯ）、五日生化需氧量（ＢＯＤ５）、化學需氧量（ＣＯＤＣｒ）和高錳酸鹽指數（ＣＯＤＭｎ）是水體有機質研究中的主要指標，作為衡量水體自凈能力和污染程度的重要參考依據，其值大小反映了水體中污染物含量的多少［２５］。研究發現，金堤河Ⅳ類及以上水質標準的占比枯水期＞平水期＞豐水期，且在各水期均會出現ＣＯＤＣｒ污染，這與樊慶鋅等［２６］對松花江哈爾濱段城市水污染研究結果相似，說明水體污染程度和污染物類型與水期密切相關，本研究區屬于農業活動區，在枯水期降水少風沙大、農村污水排放、土壤擾動及農業施肥增加，導致水體有機物污染加重，而在豐水期降水增多、農業施肥減少，流域水量增加會減少污染物積累，加快水體更新。同時，本研究發現，在同一斷面不同水期，從上游至下游各斷面水體有機質指標Ⅳ類及以上水質標準的占比呈現增大趨勢。各斷面在平水期、豐水期和枯水期各指標濃度會呈現不同的變化趨勢，ＤＯ、ＢＯＤ５、ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ濃度平水期分別在賈垓橋、范縣金堤橋和張秋斷面達到最大，豐水期在賈垓橋和張秋斷面達到最大，枯水期在子路堤橋、張秋和范縣金堤橋斷面達到最大，這與周煉等［２７］對武烈河流域水體污染情況相似。以上研究結果說明，各水期有機質污染的時空分布受多重因子影響，在金堤河各水期有機質污染物會出現不同程度的累積現象，在流域中、下游地區水體有機質污染較為嚴重，其中張秋斷面在各水期水體有機質濃度都較高，主要原因是該斷面處于流域末端，承載了大量來自中上游地區的水體污染物。因此，對該流域農村生活污水應集中處理達標后再排放，對生活垃圾應集中收集、統一填埋。

金堤河作為濮陽市主要的集、排水河道，長期受到來自人類生活、畜禽養殖及農業活動的污染，這些污染物隨降雨、地下水入滲進入河流，造成河水富營養化指標濃度增加。總氮、氨氮和總磷是衡量地表水環境質量是否合格和水體治理規劃的重要參考依據［２８］，其在特定時間段內的濃度變化不僅反映了該時段水體質量，同時也間接映射了研究區土地利用空間分布格局和遷移廊道性質［２９］。陸海明等［３０］對薊縣城東農業小流域氮素濃度研究后發現，村莊排污是造成曹各莊流域地表徑流污染物濃度高的主要原因，而季節性河流中的“匯”可以有效降低地表徑流中的氮污染。張彥等［３１］通過對衛河流域河南段水體污染物時空差異性分析，在各監測斷面非汛期氨氮處于Ⅳ類及以上水質標準的占比大于汛期，而總磷與之相反。本研究發現，同一水期不同斷面間總氮、氨氮和總磷，在Ⅳ類及以上水質標準的占比表現為豐水期＞平水期＞枯水期，且平水期為總氮＞氨氮＞總磷，豐水期和枯水期為總氮＞總磷＞氨氮，而劣Ⅴ類水質污染主要在平水期和枯水期，污染物主要為總氮，這與慶旭瑤等［３２］和李國鋒等［３３］對河流污染及水質評價的研究結果相似。說明豐水期降雨增多，大量污染物隨地表徑流匯入河流，造成河水水體污染物濃度大幅上升，而平水期正處于農耕時節，施肥、畜禽活動以及伴隨人類生產的其他活動都向環境中釋放了大量污染物，這些污染物部分積累在地表，部分直接進入河流，造成河水污染加重，同時受溫度變化、反硝化作用強弱等因素的影響，總氮在各水期的含量均較高，且各水期總氮、氨氮和總磷濃度的變化幅度均較大。平水期子路堤橋、范縣金堤橋和宋海橋斷面，豐水期子路堤橋和范縣金堤橋斷面以及枯水期范縣金堤橋、宋海橋和子路堤橋斷面的總氮、氨氮和總磷濃度高于其他斷面。以上情況表明，金堤河中游地區人類生產生活更加頻繁，水體富營養化較為嚴重。同時發現，在同一斷面不同水期，水體富營養化指標中Ⅳ類及以上水質標準的占比表現為范縣金堤橋和子路堤橋斷面最大，濮陽大韓橋斷面最小，且在流域中上游各斷面總氮濃度以及中下游氨氮和總磷濃度表現為平水期最高，這與杜霞等［３４］對河水富營養化的研究結果一致。說明平水期降水量減小、氣溫相對較低，加之該時段植物枯死以及微生物活動下降，水中的氮、磷元素不能被及時吸收和分解，造成水體中總氮、氨氮和總磷含量較高。因此，農業生產活動應盡量減少使用農藥和化學肥料，多使用有機肥和秸稈還田漚肥，同時在日常生活中應減少使用含磷和氮較高的生活用品。

水環境污染是由不同類型和含量的污染物造成的，各指標都能從某一方面反映水體污染狀況，而主成分分析法是將多重污染因子歸入特定系統進行量化處理，整體分析水體污染因子的一種水環境評價方法，與傳統研究方法相比具有一定的優越性［３５－３６］。本文選擇了７項主要水質指標，對金堤河流域不同水期６個斷面進行研究分析，各因子既獨立又相關。研究發現，平水期ＰＣ１的主要影響因子為ＤＯ、ＢＯＤ５、總氮、氨氮和總磷，ＰＣ２的主要影響因子為ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ；豐水期ＰＣ１的主要影響因子為ＤＯ、ＢＯＤ５、ＣＯＤＣｒ和總磷，ＰＣ２的主要影響因子為ＣＯＤＭｎ、總氮和氨氮；枯水期ＰＣ１的主要影響因子為ＢＯＤ５、ＣＯＤＣｒ、ＣＯＤＭｎ、總氮、氨氮和總磷，ＰＣ２的主要影響因子為ＤＯ，說明在各水期水環境均會出現不同程度的污染，水期不同主要污染物的類型也不盡相同，但ＢＯＤ５和總磷在各水期均為影響水環境的主要因子，這與卜紅梅等［３７］對金水河流域污染的研究結果一致。原因可能是監測斷面均位于農業活動區，土地耕作和農藥化肥的施用產生大量的污染物隨地表徑流匯入河水，造成污染物濃度升高，采用主成分分析法對流域斷面污染狀況進行評價發現，平水期宋海橋斷面、豐水期和枯水期范縣金堤橋斷面水體污染最為嚴重，以上斷面在不同水期為流域提供了大量的污染物。因此，加強宋海橋和范縣金堤橋斷面污染物排放管理極為重要，對以上區域人類生活形成的生活垃圾和污水應集中統一處理，在農業生產過程中應減少化肥和農藥的施用。

４結論

１）黃河流域主要支流金堤河水體有機質指標Ⅳ類及以上水質標準的占比呈現枯水期＞平水期＞豐水期，從上游至下游占比呈現增大趨勢，各水期都會出現ＣＯＤＣｒ污染，且在張秋斷面各有機質濃度均高于其他斷面。

２）水體富營養化指標在Ⅳ類及以上水質標準的占比呈現豐水期＞平水期＞枯水期，斷面間范縣金堤橋和子路堤橋占比較大，流域中上游各斷面總氮濃度以及中下游氨氮和總磷濃度在平水期最高，而劣Ⅴ類水質污染主要在平水期和枯水期，污染物主要為總氮。

３）各指標綜合分析發現，ＢＯＤ５和總磷為影響該流域水環境的主要因子，平水期宋海橋斷面、豐水期和枯水期范縣金堤橋斷面水體污染較為嚴重。