綠塘河水質污染分析及河流水生態環境保護

陳軍亮 陳家穎 吳志勇 李林鋒

（廣東海洋大學化學與環境學院 廣東湛江 524088）

引言

海洋生態環境保護是建設海洋強國、實現可持續發展的必由之路。陸源是海洋環境污染的主要來源，陸源污染占海洋污染物總量的80%[1]。《2017 年中國海洋生態環境狀況公報》表明，雖然我國的海洋生態環境狀況整體呈現穩中向好的趨勢，但入海河流水質狀況不容樂觀，近岸的局部海域污染依然嚴重。對55 條河流不同水期的入海斷面多年連續監測發現，55 條河流入海斷面水質在枯水期、豐水期和平水期為劣四類的河流比例分別達44%、42%和36%[2]。因此，陸源污染尤其是入海河流的污染治理迫在眉睫。

城市河流是城市中生態環境的重要依托，在城市發展規劃中，優美的河流風景能為城市居民提供優質的生活環境，使城市更加具有活力[3]。綠塘河是位于廣東省湛江市霞山區境內的一條城市河流，全長6.2 公里，屬于淺短河，發源于湛江市霞山區海頭鎮屋山村后塘嶺，自西向東穿城而過，在霞山區觀海長廊處入海[4]。隨著城市的發展，綠塘河逐漸成為城區主要排污水道，也從清澈見底慢慢變得發黑發臭，魚翔淺底不再，行人也掩鼻避之。

自2005 年起，市委市政府高度重視，借創建國家園林城市和國家衛生城市的契機，先后多次組織環保、水務、城建、城綜及開發區管委會、霞山區政府等多部門聯合開展對綠塘河的綜合整治。此后十多年時間里，上游農村污水治理工程、城區截污工程、水質凈化廠、生態公園、引水工程等基本建成，強化環保執法清理了周邊養殖場、水產加工廠等，源頭污染被大部分消除，綠塘河狀況有了較大程度的改善。不過，由于城市發展步伐的加快，污水收集、處理等基礎設施的建設滿足不了沿河兩岸人口日益增長帶來的排污需求，綠塘河仍出現反復污染的情況。河流的水質狀況與城市居民的生活環境息息相關，在全面治理和消除城市黑臭水體及保護沿海區域海洋環境的大背景下，綠塘河入海河流的水污染防治迫在眉睫。鑒于此，本文運用主成分分析的方法對綠塘河入海口監測斷面的水質監測指標進行研究，分析綠塘河水質污染狀況，識別主要污染因子，為綠塘河實現城市河流整治與生態環境保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據監測

2019 年4 月至2020 年3 月在綠塘河海景路橋（距入海口約200 米）處設置監測點，每兩周取樣監測1 次。監測指標有pH 值、高錳酸鹽指數（CODMn）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素a（Chla）。水樣取樣和分析均嚴格按照《水和廢水監測分析方法》（2002）標準操作。

1.2 研究方法

主成分分析法是利用降維的思想，即在簡化系統結構且不影響原有信息情況下，一種將多個指標轉化為少數綜合指標的定量分析法。利用主成分分析法可通過比較不同水質監測指標對水質質量的貢獻率，精準、可靠的確定需評價指標，從而減少不必要指標的計算，減少水質等級評價過程中的工作量，其分析的具體模型為：

假定有n 個水體樣本,每個樣本共有p 個指標變量，則構成了一個n×p 階的地理數據矩陣：

少數幾個新的綜合變量可以用P 個原始變量來組成,使新的變量是一個線性組合的原始變量，從而定義x1，x2，…，xP是它的原變量指標，z1，z2，…，zm（m，p）是它的一個新的綜合變量。

（2）式中，系數lij按以下原則確定：

①zi與zj（i≠j；i,j=1，2，…，m）相互獨立；

②z1是x1，x2，…，xp的所有線性組合的最大方差；z2是與z1不相關的x1，x2，…，xp的所有線性組合中的最大方差；zm是與z1，z2，…，zm-1都不相關的x1，x2，…，xp的所有線性組合中方差最大者。新變量指標z1，z2，…，zm就被稱為原變量指標x1，x2，…，xp的第一，第二，…，第m 主因子。其中，z1占總方差的比例最大，其次分別是z2，z3，…，zm。

綜上所述，主成分分析法的主要步驟為：原始數據的標準化處理；計算相關系數矩陣及其特征根與特征向量；計算方差貢獻率并確定主成分；計算主成分荷載（主成分系數矩陣）；計算各主成分得分，以方差貢獻率為權重綜合得分值F。各主成分綜合得分和水質污染程度可依據各主成分綜合得分和排名進行綜合化定量描述，得分越高，表明污染越嚴重。

1.3 污染因子分析

利用SPSS 軟件的主成分分析法對綠塘河河流水質主要污染因子進行分析，主成分分析法的主要步驟為：原始數據的標準化處理，計算相關系數矩陣、特征根與特征向量，計算方差貢獻率并確定主成分，計算主成分荷載值以找到主要污染因子。

2 結果與分析

2.1 監測數據標準化

將pH、NH3-N、TN、TP、CODMn、Chla 和DO 這7 個水質指標數據進行標準化處理（其中DO 為逆指標,先將其進行倒數變換，然后標準化），具體結果見表1。

表1 標準化數據

2.2 主成分確定

將pH、NH3-N、TN、TP、CODMn、Chla 和DO 這7 個水質指標數據進行標準化處理（其中DO 為逆指標，先將其進行倒數變換，然后標準化），利用標準化處理的數據進行主成分分析，結果見表2。

表2 特征值和主成分貢獻率及累積貢獻率

由表2 可見，第1、2、3 主成分的特征值分別為2.534、1.874 和1.755，均大于1，方差貢獻率分別為36.2%、26.8%和25.1%，其累計貢獻率為88.1%，大于85%，說明這3 個成分反映了原始變量提取的88%的信息，因此只需要提取前3 個主成分就可以對綠塘河出海口河流水質污染因子進行分析。

2.3 因子載荷矩陣

初始因子載荷矩陣計算結果見表3，從表3 可知，Chla 在第一主成分上的載荷最大，反應了水體富營養化的程度。由于浮游植物及藻類大量滋生，消耗大量溶解氧，導致水體溶解氧含量較低。在第一主成分上pH值的載荷值也比較大，但其實際意義不甚明顯。TN 和NH3-N 在第二主成分載荷較大，CODMn和TP 第三主成分上的載荷較大，它是工業類廢水和城鎮居民生活污水的共同特征。這說明綠塘河河流氮磷等無機和有機污染都比較嚴重，這與沿途居民生活污水及周邊工農業廢水排放密切相關。

表3 主成分載荷值

借助SPSS 軟件，運用主成分分析法從原始7 個水質監測指標中提取占總方差的88%的3 個主成分因子，分別為氮、磷和高錳酸鹽指數，以反映綠塘河入海口河流水體的污染程度。這說明綠塘河河流氮磷等無機和有機污染都比較嚴重，導致藻類等浮游植物大量滋生，水體溶解氧含量低，并伴有惡臭氣味，分析結果與實際情況相吻合。

3 綠塘河河流水生態環境保護途徑

綠塘河雖然全長只有6.2km，但蜿蜒曲折流經人口稠密的中心城區，作為一條城市河流，除了具有一般河流的排洪、防澇等生態功能外，還具有為城市居民提供娛樂場所的社會功能。當下，隨著人們對生態環境保護意識的增強，保護環境，共建宜居生活家園的概念越來越深入人心，這與綠塘河河流黑臭水的現狀極不相符。通過前面的水質監測數據及主要污染因子分析，綠塘河河流氮磷等無機和有機污染都比較嚴重，說明沿岸居民及工廠排放的生活污水及工農業廢水對河道河流水質影響很大。生活污水及工農業廢水中有豐富的氮、磷及其它化學成分，很容易使綠塘河河流水體水富營養化，藻類植物的大量繁殖，藻體死亡腐敗分解需消耗大量溶解氧，導致水體厭氧，發黑發臭等。鑒于此，綠塘河河流水體整治的主要途徑有：（1）截污，通過污水輸送管道將生活污水及工農業廢水全部收集輸送到污水處理廠進行集中處理，處理達標后的出水可以回流到河道，除補充季節性河流水量不足外，還能保證河道其他水生生物的多樣性，增強河流自凈能力。（2）對早期沿綠塘河修建的綠塘河濕地公園進行景觀提質改造，減少人為石砌陡峭河岸，因地制宜恢復河流河道岸坡的自然狀態，尤其是構建多層次的濕地植物群落系統，豐富游憩環境。（3）清理河道，對部分重點地段的河道淤泥進行清淤，防止底泥內源污染物的二次污染。（4）增強環保意識，社會各界應加大對河流環境保護工作的宣傳教育力度，讓人們意識到河流在城市生活環境中發揮著至關重要的作用，了解河流污染對周邊居民造成的危害。與此同時，還應當不斷完善相關法律法規，嚴禁亂倒生活垃圾。只有如此，才能逐漸恢復綠塘河河流水體的生態系統功能，還其優美、宜人、充滿生機的原貌，實現人與自然的和諧相處。

結語

總之，海洋生態環境保護建設海洋強國的必由之路，也是確保可持續發展的重要保障。而陸源是海洋環境污染的主要來源，因此必須要加強對陸源污染的監控與研究。上文中對綠塘河出海口水質污染因子的分析，為做好相關河流生態環境保護提供了理論支持。同時提出了相應的保護途徑，希望為入海口河流生態環境保護提供借鑒，為海洋生態保護提供支持。