大汶河水質狀況評價和污染源分析

申洪鑫,牛蓓蓓,李富強,王 英,李新舉*

(1.山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271018；2.山東省煤田地質局第三勘探隊，山東 泰安 250102)

水資源是人類賴以生存和社會發展不可或缺的物質資源。20世紀70年代以來，隨著人口的快速增加和經濟的高速發展，水資源的需求量短時間內急劇增長，同時城鄉污水大量排放污染了地表水及地下水，不可避免地形成了“水質性缺水”等一系列水污染問題。我國70%江河湖泊的水質受到各種污染物的影響，水污染不僅破壞了自然生態景觀，而且會影響經濟發展和人類健康。因此，適時開展河流水質評價和污染源解析，有助于對河流進行有效管理和污染防治，對于區域社會-經濟-生態的可持續發展具有重要的意義。

大汶河為黃河下游在山東境內最大的支流，亦是山東省泰安市地表水資源的主要來源。它流經東平湖注入黃河，作為南水北調東線工程重要的蓄水走廊——東平湖的唯一匯入河流，大汶河水質狀況勢必會影響南水北調工程的調水水質。隨著社會經濟發展和城市化進程的加快，大汶河流域內水資源短缺和水污染問題日漸凸顯。近年來，左欣等利用模糊數學法對2000年大汶河主要控制斷面水質進行了評價，發現大汶河水質污染嚴重，大部分河段水質都不能夠滿足功能區的需求；何濤等通過分析大汶河沿線4個監測點的水質資料發現，2007—2014年間受流域各項減排措施的影響，大汶河有機污染得到有效緩解，受攔蓄工程影響，河段內TP含量明顯下降，TN含量總體上升，其水質狀況整體有所好轉；申祺等采用主成分分析和相關分析方法對2017年大汶河的采樣分析數據進行了水生態系統健康狀況評價，結果表明大汶河水生態系統健康狀況評價結果主要以一般和較差為主，分別占總采樣點的58.33%和20.83%。目前的已有研究主要偏重于常規水質指標的分析評價，對于大汶河重金屬污染狀況和污染來源的分析研究較少。為此，本文基于2019年6月份和8月份大汶河21個斷面的兩次采樣分析數據，采用單因子評價法、內梅羅指數法和因子分析法等方法對大汶河水質狀況進行了評價和污染源解析，以期為大汶河水體污染防治提供依據。

1 研究區概況

大汶河位于山東省中部泰山南麓，介于116°E～118°E、35.7°N～36.6°N之間，發源于山東沂源縣境內，自東向西流經萊蕪、新泰、泰安、肥城、東平等縣、市，匯注東平湖，出陳山口后入黃河。大汶河全長208 km，流域面積為9 098 km，以大汶口、戴村壩為節點劃分為上、中、下游，東平縣馬口以下稱東平湖區。大汶河上游為主要集水區，地形以低山丘陵為主，河岸穩定，土壤肥沃；大汶河中、下游地形以平原為主，且土壤以沙土和沙壤土為主，透水通氣，保溫保濕性能良好，適合農業發展。大汶河多年平均徑流量約為18.2億m，灌溉面積達290余萬畝。大汶河為沿岸居民的生產和生活提供用水保障，是山東省內重要的河流之一。

2 研究方法

2.1 采樣點布設

根據大汶河河流特征和污染源分布特征，在大汶河主要干流和支流布設了21個采樣斷面，編號依次為1～21號，采樣點分布如圖1所示。其中，1～9號采樣斷面位于大汶河北支的灜汶河、牟汶河；11、12號采樣斷面位于大汶河南支(柴汶河)；大汶口以下大汶河干流采樣斷面5個(編號為10、16、17、19、20)；海子河采樣斷面1個(編號為13)；漕河采樣斷面2個(編號為14、15)；匯河采樣斷面1個(編號為18)；東平湖采樣斷面1個(編號為21)。

圖1 大汶河監測斷面分布圖Fig.1 Distribution map of monitoring sections in the Dawen River

2.2 水樣采集與分析方法

大汶河水質檢測儀器見表1，具體檢測方法依據《地下水質檢驗方法》(DZ/T 0064—1993)、《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T 5750—2006)，并遵循《地表水環境質量標準》(GB 3828—2002)的要求。

表1 大汶河水質檢測儀器Table 1 Water quality testing instruments in this study

2.3 水質評價方法

2.3.1 單因子污染指數法

單因子污染指數法是通過指數運算出在所有進行水質評價的指標中最差的單項水質指標，隨后通過此指標所屬的類別來確定水體的綜合水質類別，實質上是用水體各評價因子的監測結果對照該項目的分類標準，確定其水質類別。單因子污染指數法是進行水體水質評價過程中應用最為廣泛的評價方法之一，它有效地避免了確定指標權重的主觀隨意性。在此基礎上，徐祖信將其改進為單因子水質標識指數法，并且已經在水體水質評價工作中得到了一定的應用。

單因子污染指數法的計算公式為

(1)

式中:

P

為采樣點污染物

i

的污染指數;

C

為采樣點污染物

i

濃度的實測值(mg/L);

S

為采樣點污染物

i

的標準濃度值(mg/L)(取《地表水環境質量標準》中的Ⅲ類水質標準)。

單因子污染指數法環境質量評價分級標準，見表2。

表2 單因子污染指數法環境質量評價分級標準Table 2 Classification criteria for environmental quality assessment of single-factor pollution index method

2.3.2 內梅羅污染指數法

內梅羅污染指數最早是由美國敘拉古大學內梅羅(N.L.Nemerow)教授在其所著的《河流污染科學分析》一書中提出的一種水污染指數。與單因子污染指數法相比，內梅羅污染指數法在突出污染最嚴重的評價因子的同時，更兼顧了評價體系中其他因子的貢獻度，是一種比較綜合的評價方法。

內梅羅污染指數法的計算公式為

(2)

內梅羅污染指數法環境質量評價分級標準，見表3。

表3 內梅羅污染指數法環境質量評價分級標準Table 3 Classification criteria for environmental quality assessment of Nemerow pollution index method

2.4 水質時空變化評價方法

水質隨時間和空間的變化程度分別根據其時間變化率

T

和空間變化率

S

來判斷，其計算公式如下：

(3)

(4)

上式中：

P

、

P

分別為比較時間內起始時刻和終止時刻采樣斷面的內梅羅污染指數；

P

、

P

分別為比較空間內起始斷面和終止斷面采樣點的內梅羅污染指數。

2.5 因子分析法

因子分析法是一種變量降維的方法，它假設原有變量的背后存在多個不可觀測的隱藏因子，它從研究原始變量的相關矩陣出發，通過降維的方法將眾多原始變量歸納為少數幾個綜合因子，而這些因子能揭示出隱藏在原始變量之間的聯系，尤其是成因上的聯系，繼而解釋基于原始變量得到的旋轉后的成分矩陣、成分得分系數矩陣。

在進行因子分析之前，需要對原始數據進行Z標準化處理，以消除不同污染物濃度量綱差異所帶來的影響。

2.6 數據處理

數據處理采用Excel、IBM SPSS Statistics 23軟件，作圖采用ArcGIS 10.2軟件。

3 結果與分析

3.1 大汶河水質統計特征

大汶河2期水質指標統計結果，見表4。其中，各個水質指標的平均值用于表征水體各水質指標整體的含量水平；變異系數主要用來反映水體化學成分的變異程度，揭示水體水質化學指標在空間上的差異。

由表4可以看出：

表4 大汶河豐、枯水期水質指標統計結果Table 4 Statistical results of water quality indexes of the Dawen River in high flow and low flow period

3.2 大汶河水質評價

3.2.1 單因子污染指數法水質評價

根據公式(1)，對大汶河流域21個監測斷面的16個監測指標進行計算，得到大汶河流域各監測斷面單因子污染指數見表5，其污染等級分類結果見圖2。

表5 大汶河流域各監測斷面水體水質污染評價結果(單因子污染指數法)Table 5 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin(Single factor pollution index method)

圖2 大汶河流域各監測斷面水體水質污染評價結果(單因子污染指數法)Fig.2 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin (single factor pollution index method)

大汶河流域處水質主要污染物為TN、Se和Hg。其中，只有在豐水期水體中發生Se含量超標情況，而含Se廢水主要是由顏料染料、硫酸制造和精煉銅等行業排放，經調查發現大汶河沿岸有紡織業工廠的存在。Se中毒是一個緩慢的過程，對生態環境、人體健康都有極大的潛在危害，故有關部門需引起重視。大汶河上游的劉家廟村、前王莊，中游的石家門村和下游的匯河入大清河斷面處水體水質污染嚴重，主要污染物為TN和Se，大部分斷面處水體中TN超標，存在較大的富營養化風險。

3.2.2 內梅羅污染指數法水質評價

根據公式(2)，對大汶河流域21個監測斷面的16個監測指標進行計算，得到基于內梅羅污染指數法的大汶河流域各監測斷面水體水質污染評價結果，見表6。

表6 大汶河流域各監測斷面水體水質污染評價結果(內梅羅污染指數法)Table 6 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin(Nemerow pollution index method)

結合表5和表6的數據可以看出，由于Se和Hg含量超標，大汶河流域大部分斷面水體中最大污染因子為Se和Hg，致使大汶河流域不同區域水體污染狀況以重度污染為主。

大汶河流域水體污染程度由高到低可劃分為：大汶河上游>大汶河中游>大汶河下游。其中，大汶河上游區域，由于趙莊橋斷面、北店子橋斷面和北望泉林壩上游斷面位于中心城區河流下游，居民生產的生活用水量大，污水排放較多，且附近工廠較多，工業廢水集中排放，最終導致這3個斷面處水體水質指標嚴重超標；大汶河中游區域，寧陽海子河斷面處水體水質指標超標原因與大汶河上游區域相同，漕河肖家店橋斷面處水體水質在此次監測過程中超標最為嚴重，主要超標項為Hg。Hg在自然界中以三種形式存在，其中有機Hg對生態環境的危害最大，其具有穩定性強、毒性高、生物積累性強等特點。水體中Hg的來源有很多，自然來源包括地表徑流、大氣降水等，其中地表徑流中的Hg大部分來源于可溶解土壤中的Hg；人為來源主要包括化工、冶金、輕工等多種行業排放的工業廢水。經調查，漕河上游有化工、冶金等工廠的存在，大量工業廢水的排放導致水體中Hg的含量嚴重超標。

采用單因子污染指數法和內梅羅污染指數法對大汶河流域各監測斷面水體水質污染狀況進行評價的結果，見圖3。

圖3 大汶河流域各監測斷面水體水質污染評價結果Fig.3 Water pollution assessment results of monitoring sections in the Dawen River Basin

由圖3可見，兩種方法的評價結果基本一致，但內梅羅污染指數法的評價更全面、更可靠。根據內梅羅污染指數法水質評價結果，流域內枯水期Ⅴ類水質斷面為14個，占比為66.7%；豐水期Ⅴ類水質斷面為17個，占比為81%。整體來說，大汶河流域枯水期水體水質明顯優于豐水期，且從河流上游至下游污染程度逐漸加重。

3.3 大汶河水質時空變化分析

根據公式(3)和(4)，計算大汶河流域各監測斷面水體水質的時間變化率

T

和空間變化率

S

，其結果見表7。

表7 大汶河流域各監測斷面水體水質的時空變化Table 7 Spatiotemporal changes of water quality at monitoring sections in the Dawen River Basin

由表7可知：大汶河豐水期與枯水期相比，監測斷面2、8、10、16、18、20處的水質明顯惡化(時間變化率平均值為-32.59%)，監測斷面1、5、6、17、19、21處的水質輕微惡化(時間變化率平均值為-7.09%)，監測斷面3、4、7、9、11、12、13、14、15處的水質改善(時間變化率平均值為18.44%)。其中，監測斷面6、8、16、17均位于水壩上游，枯水期無補充水源，夏季用水高峰水庫水被調用，造成水量持續減少，水質污染幾率降低。受2019年第9號臺風“利奇馬”的影響，全省降水量較2018年同期偏多50%，雨水帶來的面源性污染是造成2019年大汶河豐水期水質惡化的主要原因之一。

本文選擇大汶河具有代表性的9處干流監測斷面分析其水質空間變化，并根據支流匯入的上、下游兩個斷面水質的變化情況對支流水質對干流水質的影響進行了分析。

3.4 因子分析

為了消除不同變量單位差異而造成因子分析的誤差，在SPSS 23軟件中先對各采樣點的原始數據進行Z標準化處理，再進行因子分析。在進行因子分析前，須進行KMO檢驗和Bartlett球形度檢驗，以判斷數據是否適合進行因子分析。本研究中，KMO統計量顯示為0.57，一般認為KMO值大于0.5即說明適合做因子分析，因此本文數據適合做因子分析；Bartlett球形度檢驗的近似卡方值為259.724，自由度為105，概率值為0，即使球形假設被拒絕，即可以認為相關系數矩陣與單位矩陣有顯著差異，說明本文數據適合進行因子分析。

運用主成分分析方法提取因子，采用最大方差法進行正交旋轉，按照累計貢獻率80%以上和初始特征值大于1的原則抽取因子。由于本研究參與分析的樣本數量多達42個，因子數量為15個，樣本數與因子數都較大，故提取代表性的公因子的難度也較大，因此本次分析結果76.48%接近80%，可視為可以接受的范圍。本研究獲得6個公因子，旋轉前和旋轉后的累計方差貢獻率沒有發生變化，說明這6個公因子可以用來解釋大汶河流域15個原始變量的基本信息。旋轉后的因子載荷矩陣和各公因子的水質主要控制指標，見表8和表9。

表8 旋轉后的因子載荷矩陣Table 8 Factor loading matrix after rotation

表9 2019年枯水期與豐水期提取的公因子Table 9 Common factors extracted from both low and high flow periods in 2019

4 討 論

4.1 大汶河水體污染來源分析

大汶河流域水體污染主要分為兩個方面：一方面為水體富營養化(以TN污染為主)；另一方面為水體重金屬污染(以Hg和Se污染為主)。

大汶河沿岸土地利用類型以耕地為主，河流中TN與耕地呈正相關。這是由于耕地氮肥施加過多加重了水體中TN污染的程度，從而對流域水體形成面源性污染。大汶河水體中重金屬的主要來源是工業廢水排放，主要來自冶金、化工、紡織等行業。這是由于近年來該流域內工業化進程的加快使得工業廢水排放量增加，從而對大汶河流域水體形成重金屬污染。迄今大汶河流域泰安市域內仍有省控以上重點污水排放企業82家，涉及紡織、食品、造紙、化工、冶金、礦業等行業。此外，化工、冶煉及燃煤動力等也會產生含有Hg、Se等重金屬的廢氣，通過沉降在土壤和水體中富集。李瑞平等的研究證明泰安市6個縣市區農田土壤Hg含量平均值是山東省土壤元素背景值的17.8倍，土壤中累積的重金屬會隨雨水進入水體，進一步對河流產生污染。

4.2 大汶河流域管理對策

水污染已嚴重威脅著我國的水資源安全，水污染的防治不僅僅是環境問題，更是關系到國家安全的戰略性問題，水污染的治理以及河道生態修復是我國可持續性發展的必要課題。

大汶河流域上游以農業面源污染為主，對于農業面源污染的治理，可參考《重點流域農業面源污染綜合治理示范工程建設規劃(2016—2020年)》，根據大汶河流域農業面源污染組成的特征，因地制宜地建設農田面源污染綜合防控工程，加強農藥化肥的減量增效、農業廢棄物的循環利用以及畜禽、水產養殖的污染治理；同時，要堅持生產生態的協調發展，堅持統籌推進，以地方政府為主體，以縣為基本單元，開展農業面源污染的綜合治理。

大汶河流域中、下游以水體重金屬污染為主，且在豐水期污染更為嚴重，表明存在某些企業在雨季增加不合格污水排放的情況。因此，管理部門應加大監管力度，提高監管信息化水平，設計多個關鍵性指標，通過對這些指標的監測來判斷工廠的污水處理是否合格，并責令不達標的企業停業整頓，同時將污染重的企業遷離重要水源地；同時，應制定激勵政策，鼓勵企業開展污水治理技術創新，既保證了生態效益又保證了經濟效益。此外，工業企業應響應國家號召，按照污染物總量控制的原則，擴建污水處理設施，增強污水處理的能力，提高水資源的利用率；與政府共同協商，大力推動清潔生產，優化工業園區廢水排放管理。

除此之外，河長制是現階段水環境治理中的一種新型的行政管理體制，即由各級黨政主要負責人擔任“河長”，各自負責轄區內河流的污染治理職責,并明確其責任、剛性化考核，在水環境治理中發揮其“領頭羊”的作用，同時還要加強監督，構建科學、有效的監督管理體系。

水體污染的治理需要多方力量的共同參與，政府有關部門要扮演好“服務者”的角色，企業是主體，個人是“監督者”，要做到“共同治理，全民參與”。

5 結 論

大汶河流域水體整體水質以Ⅴ類水為主，流域內枯水期Ⅴ類水質斷面占比為66.7%，豐水期Ⅴ類水質斷面占比為81%。流域內水體中主要污染物以TN、Hg和Se等為主。

從時間變化來看，大汶河枯水期水質明顯優于豐水期；從空間變化來看，大汶河上游至下游水質污染程度逐漸加重。

大汶河流域水體整體以面源性污染為主，水體污染主要分為兩個方面：一方面為水體富營養化(以TN污染為主)，主要與農藥、化肥的使用有關；另一方面為水體重金屬污染(以Hg和Se污染為主)，主要與工業廢水排放有關。