渾太流域水質演變特征及污染源解析

李 堯，劉建衛，秦國帥，田 晶

（大連理工大學建設工程學部水環境研究所，遼寧大連116024）

近年來，地表水水質問題廣受關注，水質情況的好壞，直接影響到社會經濟發展和人們生產生活用水，良好的水生態環境也為水生生物提供良好的生存環境。通過水質分析，我們可以明確水質的主要情況，也可以對自然資源的開發和有效的利用提供幫助。而渾河、太子河作為遼寧省的2條重要河流，隸屬于大遼河水系，流經省內沈陽、本溪、遼陽、鞍山等多個城市，是遼寧省的重要經濟命脈，其水質情況與遼寧省的經濟社會良好發展息息相關。

自渾太流域水污染問題引起重視以來，不同政策、治理方案相繼出臺，河道內水質的治理結果較為良好。截至目前，渾太流域的研究多為只針對單一流域或個別站點進行的水質時空演變規律分析［1，2］，且水質監測數據的時間序列都較短，地區覆蓋面不夠廣，代表性不強；或是針對個別水質指標進行特征分析（如，氨氮、化學需氧量和總磷等），進行水質評價，并從空間層面上對河流水體內污染物的分布情況詳細的核算與污染源解析［3-5］。綜合以上情況可以發現，已有的研究內容中缺少針對全流域進行系統性的時空演變特征分析、污染源解析和貢獻率的研究。因此，為研究渾太流域10年來水質變化情況，本研究從2001-2007年、2015-2019年渾太流域的26 個監測斷面8項水質指標數據出發，對全流域水質狀況進行評價，通過水質指標時空演變特征分析，掌握全流域水質變化情況，并采用主成分分析法、絕對主成分多元線性回歸分析法進行污染源解析與污染貢獻率的計算，以期為渾太流域水環境評估策略和有效的水質管理提供一個合理有效的依據，為接下來渾太流域的污染防治工作提供參考。

1 研究區概況

1.1 流域概況

渾太流域主要是由渾河和太子河兩大水系組成，總流域控制面積為2.5 萬km2，總長度為828.3 km，年徑流量50～70 億m3。其中，渾河全長415 km，流域面積1.15 萬km2；太子河全長413 km，流域面積13 883 km2。渾河與太子河在遼寧鞍山三岔河附近匯入大遼河，最終在營口注入渤海。渾太流域的行政區包括撫順市、沈陽市、本溪市等，行政區面積占全省面積的18.7%，是遼寧省乃至東北地區重要的經濟中心。渾河、太子河流經我國東北老工業基地（撫順、沈陽、遼陽等），遭受工業點源污染較為嚴重，水環境污染問題突出。

1.2 監測斷面分布

本文從渾太流域已有的國控、省控水質監測斷面中選擇26個斷面（見圖1），2001-2007、2015-2019年的連續月監測數據進行研究，其中，8條支流的監測資料始于2015年4月。所有斷面分布在渾河與太子河干流及8 條支流上，除2 個水庫外，其余均為河流斷面。其中，渾河流域干流監測斷面為北雜木、大伙房水庫、戈布橋、東陵大橋、砂山、于家房，支流監測斷面為古樓、臺溝、阿及堡、興國橋、于臺、蒲河沿；太子河流域干流監測斷面為老官砬子、興安、葠窩壩下、下王家、下口子、劉家臺、小姐廟，支流監測斷面為北太子河入觀音閣水庫口、南太子河入庫口、湯河橋、二道河入庫口、下達河入湯河水庫口、河洪橋、牛莊。

圖1 渾太流域水質監測站點分布圖Fig.1 Distribution of water quality monitoring stations in Huntai River Basin

1.3 研究方法

本研究選擇在水質評價中最具有代表性的高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、揮發酚、化學需氧量這5 個指標進行數據分析，得到渾太流域的水質時空演變特征，并用主成分分析法提取水質影響因子，識別污染源；基于絕對主成分因子得分，結合多元線性回歸分析法確定各水質指標對相應影響因子的貢獻率，量化分析污染源對水體重要理化因子的影響程度。

（1）水質評價方法。采用單因子指數法對渾太流域各監測斷面的水質情況進行評價。單因子指數法的概念明確，計算方法簡單，可以直觀地體現出水質指標的污染程度。它是以《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）［6］規定的水質類別為標準，從單個水質指標入手，算出其超標倍數，并將計算結果中最差的指標評價級別作為整體水質的評價等級［7］。

（2）污染源解析方法。應用主成分分析和多元線性回歸方法可有效地預估地表水質和生態系統的狀態，識別破壞水體的潛在污染因子，多元統計方法是研究水質空間變化和識別污染源的有效工具。主成分分析法（PCA）是采用降維的方法，在大量的水質監測數據中選取幾個具有代表性的影響因子，得到主要污染源的信息。將APCS 分析和多元線性回歸綜合運用的APCS-MLR 是一種較為有效的方法，通過PCA 分析得到主要影響因子的特征向量和絕對主成分的分（APCS），進行多元線性回歸分析，確定各污染因子的貢獻率［8-11］。

本研究通過SPSS 25.0進行主成分分析，將提取到的各水質評價指標主成分和最大方差進行旋轉，得到各水質指標特征值及其方差貢獻率，且確定公因子個數依據Kaiser標準，即特征值大于1的原則，采用KMO和Bartlett球形檢驗法驗證該數據主成分因子分析的適用性。

2 水質分析結果

2.1 渾太流域水質的時間變化特征及其影響因素

2.1.1 渾太流域水質年際變化特征

通過對全流域26 個斷面2001-2007年、2015-2019年的水質數據進行水質情況統計分析，得出不同年份各水質級別的斷面數及達標（符合經過處理后也能供人類生活飲用的水質）率。具體計算結果見表1，其中由于數據缺失，渾河干流北雜木、大伙房水庫斷面及全流域支流的數據均從2015年起開始統計。

由表1可知：全流域整體水質符合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類標準的斷面數變化很大，從2001-2005年開始減少，2005年的達標數最少，僅有9.09%，2006年起開始回升。2007-2015年間人們對水污染問題的重視程度開始加強，防治措施的力度加大，渾太流域得到有效治理，水質有所好轉，2015年達標斷面數較2007年顯著增加近六倍。在2017年，達標斷面數首次出現最高值，達標率為80.77%。近年來，渾太流域的水質狀況較為理想，滿足Ⅲ類標準的河段增多，水質總體呈現變好趨勢。

表1 2001-2019年渾太流域監測斷面水質類別Tab.1 Water quality classification of monitoring section in Huntai River Basin from 2001 to 2019

2.1.2 渾太流域水質季節性變化特征

通過對比各水質指標在不同水平年的汛期（6-9月）與非汛期（1-5月、10-12月）的含量，分析渾太流域河道內水質隨季節變化的特征。具體情況如表2所示。

表2 渾太流域水質季節性變化Tab.2 Seasonal variation of water quality in Huntai River Basin

由表2可知：渾太流域2015-2019年各指標數據明顯低于2001-2007年，水質整體上會受到季節變化的影響，水質指標在汛期、非汛期會有濃度差異，受降雨、流量變化等因素影響，出現非汛期水質比汛期水質差的情況。因此，非汛期可作為水質治理和控制的重點時段。

2.2 渾太流域水質的空間分布特征及其影響因素

渾太流域干流斷面4 種水質指標（化學需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數、氨氮）的多年平均濃度見圖2，斷面由左到右依次代表河流的上游至下游。

圖2 渾太流域各干流斷面主要水質指標多年平均濃度Fig.2 Annual average concentration of main water quality indexes in main stream sections of Huntai River Basin

綜合渾太流域水質變化的整體情況，可以得到以下結論：①太子河流域的水質整體優于渾河流域的水質。如，渾河流域生化需氧量濃度最大值為7.89 mg/L，最小值為1.08 mg/L；太子河流域生化需氧量濃度最大值為4.67 mg/L，最小值為0.94 mg/L等。②流域水質由上游至下游逐漸惡化，在匯流的三岔口處達到峰值。③河道流經市區，其出市后水質劣于入市前水質。如，老官砬子斷面位于本溪市上游，興安斷面在其下游，前者化學需氧量濃度為8.52 mg/L，后者化學需氧量濃度升高至13.07 mg/L。④水庫入庫前水質比出庫后水質差。如，北雜木斷面在大伙房水庫上游，大伙房水庫斷面位于水庫壩后，前者生化需氧量濃度為1.68 mg/L，后者生化需氧量濃度降為1.29 mg/L。

2.3 渾太流域污染物來源解析

本研究對2015-2019年渾太流域13個干流斷面的8種水質指標（化學需氧量、高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、總磷、石油類、pH值、溶解氧）數據進行污染源特征分析。

2.3.1 污染源識別

采用KMO 和Bartlett 球形檢驗對變量間的相關程度進行檢驗，結果見表3。其中KMO 取樣適切性量數均大于0.6，適合做主成分分析；Bartlett 球形度檢驗的顯著性滿足P＜0.05 的置信區間，表明這8個變量之間有較強的相關關系，數據符合正態分布，該主成分分析有效。

表3 渾太流域各水質指標主成分矩陣Tab.3 Principal component matrix of water quality indexes in Huntai River Basin

根據表3和圖3可知：在渾河流域的水質數據分析中，共提取出3 個主成分，累計貢獻率為72.37%。主成分1 在化學需氧量、高錳酸鹽指數、生化需氧量具有較強正載荷，其方差貢獻率為44.37%，河道流經撫順、沈陽等城市，大量城鎮居民生活污水排入水體，使有機物和營養鹽的含量不斷增加，故認定其為城鎮污水排放因子。主成分2主要為石油類和pH，方差貢獻率為14.44%，流域內有多家大中型鋼鐵企業，大量工業廢水的排入會造成重金屬污染，故認定其為工業生產污染因子。主成分3為溶解氧，其方差貢獻率為13.56%，由于溶解氧受氣候條件的影響比較明顯，故認為本因子為氣象因子。

太子河流域的水質數據分析情況與渾河流域情況大體相似，提取出3個主成分，累計貢獻率為68.35%。主成分1為城鎮污水排放因子，其方差貢獻率為37.19%，在高錳酸鹽指數、化學需氧量、總磷具有較強正載荷，流域途徑本溪、遼陽、鞍山等城市，由于居民生活污水、農業污水等大量排放，水體內有機物含量不斷累積、水體富營養情況發生變化。主成分2為氣象因子，主要是pH 和溶解氧，其方差貢獻率為17.96%。主成分3 為工業生產污染因子，方差貢獻率為13.20%，主要是石油類。

2.3.2 污染源貢獻率估算

通過上述PCA 分析，可以確定研究區域內各主要污染源的組成、數量和空間分布特征，接下來利用絕對主成分得分多元線性回歸受體模型（APCS-MLR）計算各主成分因子的污染源貢獻率，結果見表4。

表4 渾太流域主要污染指標的污染源貢獻率Tab.4 Contribution rate of pollution sources of main pollution indexes in Huntai River Basin

根據表4可知：①渾太流域各項水質評價指標的R2值較高，代表性較好，說明此次線性回歸分析是有效的，結果較為可靠。②渾河流域：第一主成分中總磷、生化需氧量和化學需氧量的污染貢獻率分別為93.29%、89.55%和83.08%；第二主成分中石油類的污染貢獻率為69.78%；第三主成分中溶解氧的污染貢獻率為93.19%。③太子河流域：第一主成分中化學需氧量、高錳酸鹽指數和氨氮的污染貢獻率分別為83.45%、77.79%和77.38%；第二主成分中pH 和溶解氧的污染貢獻率為93.23%和82.21%；第三主成分中石油類的污染貢獻率為95.27%。

3 結 論

本文在渾太流域26 個水質監測斷面的10年水質數據基礎上，結合斷面流量數據，對渾太流域的水質及其時空分布特征進行綜合評價分析，探討水質變化的影響因素，并研究渾太流域污染物來源及其貢獻率，得出以下結論。

（1）截止到2019年，渾太流域水環境質量治理情況整體較好，汛期水質優于非汛期水質，太子河流域的水質優于渾河流域的水質，流域主要污染物為化學需氧量、氨氮。

（2）全流域水質由上游至下游逐漸惡化，污染物含量在匯流的三岔口處達到峰值。由于人類活動、水庫調節等因素影響，河道經過城市群時，水質變差；流經水庫時，水質會變好。

（3）全流域水環境污染主要來源于城鎮生活污水污染、工業生產污染和部分氣象原因造成的污染。渾河流域3個主成分因子的累計污染貢獻率為72.37%，太子河流域3 個主成分因子的累計污染貢獻率為68.35%。□