大伙房水庫以上水體面源污染特征及污染源識別研究

曹 丹

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

渾河大伙房以上水體為大伙房控制流域內的全部河流和水庫，主要包括大伙房水庫及渾河上游、社河和蘇子河3條主要入庫支流[1]。大伙房水庫為遼寧中東部等城市的飲用水源地，控制流域內水體具有連續的空間性，隨著社會經濟快速發展，水庫控制流域內的水體污染程度發生變化，對區域的飲水安全產生不同程度的影響[2]。為加大大伙房水庫飲用水源地保護力度，亟需結合大伙房水庫控制流域水體水質監測數據，對水庫以上水體水質變化特征進行分析，并對水體主要污染來源進行識別，從而為大伙房水庫水體保護規劃和具體措施的制定提供支撐依據[3]。近些年來，對于大伙房水庫以上控制水體水污染特征取得一定研究成果[4-14]，但這些研究存在樣點少、研究時間早、采樣時段窄等問題，污染源空間和時間分布特征不清晰。為提高水源地飲水安全和利用價值，本文結合大伙房水庫以上控制水體的監測數據，并結合主成分分析方法[15]和水質指標之間、水質指標與環境因素之間相關性分析，建立水體污染源識別技術，對大伙房水庫以上控制水體的污染源及時空分布特征進行識別。成果為《大伙房飲用水水源保護條例》的落實和最嚴格水資源管理制度實施提供技術支撐。

1 污染影響因素識別方法

1.1 識別方法

針對水體污染識別的方法研究，對不同水質監測指標與影響因子之間采用主成分分析方法進行關聯分析，結合區域污染特征進行動態識別。通過對線性變化的多個變量進行主要因子分析是主成分分析的常用的多元統計方法。其主要優點在于對多個變量進行主成分分析，采用“降維、去相關”對原始指標主成分綜合分析。將一定關聯的因子進行重新組合分析，確定其綜合指標是主成分分析的主要方式，該方法將原始隨機變量進行正交變換成隨機新變量。采用協方差將原隨機變量進行對角轉換，新的正交坐標系對原坐標系進行幾何表現，使得具有p個正交方向的樣點分布，采用降維方式對多變量進行處理，新變量中具有較大方程的可以對多個原始變量進行主要信息的綜合反映，使其包含原始變量信息，主要變量構建方程為：

Zp=up1X1+up2X2+…uppXp

(1)

式中，Zp—p個主成分；Xp—p個變量；u—權重。

1.2 主成分分析的基本步驟

(1)對原有變量進行坐標變化，可得：

Zp=u1px1+u2px2+…uppxp

(2)

其中：

(3)

(2)提出主成分，z1稱為第一主成分，其滿足條件：

u′1u1=1

(4)

var(zi)=maxvar(u′x)

(5)

z2稱為第二主成分，其滿足條件：

cov(z1，z2)=0

(6)

u′2u2=1

(7)

var(z2)=maxvar(Ux)

(8)

其余主成分所滿足的條件以此類推。

2 大伙房水庫以上控制水體污染特征

采用GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，對大伙房水庫以上水體水質數據進行對比分析，對其主要污染因子進行時空分布特征的識別，對控制流域內主要入庫河流富營養化等級評價。

2.1 全部樣點水質參數統計分析

選取的18個水質采樣點分別位于渾河、社河和蘇子河作為大伙房水庫以上控制水體內，各采樣點分布見表1。按照《水和廢水監測分析方法》，進行29項水質指標統計分析，結果見表2。

表1 水質采樣點位置

由表2可知，除總氮外，其他指標均低于Ⅱ類地表水環境標準，表明大伙房水庫控制流域內水體整體具有良好的水質狀況。超標嚴重的2個指標為總氮和糞大腸菌群，2個指標最低值均大于對應的Ⅱ類水質環境標準值，全年總氮在整個控制流域水體內污染指數較高。渾河和蘇子河2個支流是超標樣本糞大腸菌群的主要來源，全年各月份均超過Ⅱ類水質標準。大伙房水庫、紅升水庫、腰堡水庫在7月份有10個樣本pH值超標，其他各指標最高值均不超標。變異系數高于100%的水質指標分別為氨氮、汞、揮發酚、糞大腸菌群、硫酸鹽、鐵、錳、葉綠素、懸浮物、渾濁度、色度，表明各指標具有較為明顯的異質性時空分布特征。

表2 所有樣品29項水質指標統計性描述

2.2 總氮變化特征

考慮到大伙房水庫控制流域內總氮和糞大腸菌群超標嚴重，結合各采樣點總氮監測數據，對大伙房水庫控制流域內河流2014—2018年總氮時空變化特征進行分析，如圖1所示。

由圖1可知，各采樣點總氮濃度均值為2.76mg/L，濃度區間主要在0.63～9.25之間變化。有98%的樣本超過了地表水Ⅲ類水質標準(1.0mg/L)，各樣本中濃度超過1.5mg/L(Ⅳ類水質標準)的比例達到92%，超過2.0mg/L(Ⅴ類標準)的樣本比例達到77%，總氮污染程度較高。從總氮污染空間分布特征可看出，渾河上游總氮濃度均值為3.35mg/L，超標樣本個數達到71個，總氮污染程度最高，其次是蘇子河，其總氮濃度均值為2.95mg/L，超標樣本的個數為114個，社河總氮污染程度在3條主要河流中最低，其總氮濃度均值為2.45mg/L，有132個樣本超過標準值。

圖1 全部樣點總氮濃度分布圖

2.3 糞大腸菌群變化特征

大伙房水庫控制流域全部樣點糞大腸菌群濃度如圖2所示，共454個樣本，糞大腸菌群濃度范圍為0～198000個/L，其中33%滿足地表水Ⅰ類水質標準(200個g/L)，59%滿足Ⅱ類水質標準(2000個g/L)，76%滿足Ⅲ類標準(10000個g/L)，81%滿足Ⅳ類標準(20000個g/L)，89%滿足Ⅴ類標準(40000個g/L)。整體渾河上游糞大腸菌群濃度均值為121226個/L，84個樣本超過標準值，為濃度最高的河流，其次為蘇子河，其糞大腸菌群濃度均值為17371個/L，超標樣本的個數為152個，社河及庫區范圍內糞大腸菌群濃度最低，其糞大腸菌群濃度均值分別為6165個/L和149個/L，超標樣本的個數90個和130個。

圖2 全部樣點糞大腸菌群濃度分布圖

2.4 富營養化指數變化特征

結合綜合加權指數法對大伙房水庫控制流域內2014—2017年富營養指數變化特征進行分析，如圖3所示。

從圖3中可以看出，從2014年起，大伙房水庫控制流域內水體富營養化指數逐年遞減，29%的樣本在2014年富營養化程度處于輕度-中度之間，7%的樣本在2017年處于輕度等級。除2017年外，每年7、8、9月富營養化指數高，5、10、11月低，夏季富營養化指數總體較高，秋冬季營養化指數較低，富營養化指數在2017年總體處于中等程度，月際沒有顯著差異。其中2017年5月富營養化指數整體偏高，接近富營養化警戒線，主要是總氮濃度超標導致，濃度高樣點渾73是大伙房水庫內渾河入庫后的樣點，北雜木位于渾河入庫口。渾73與北雜木2點的富營養化指數高于其他樣點，處于輕度富營養化水平，并且在大部分時間下，北雜木富營養程度低于渾73水質監測采樣點。位于蘇子河和社河入庫口的古樓、臺溝2個采樣點處于中等富營養化程度，因此大伙房水庫庫區主要受渾河上游來水導致的富營養化可能性較高。樣點渾37左和渾37右位于水庫中部的同一監測斷面，富營養化指數大小及變化趨勢一致。2014—2015年渾37左富營養化指數高于渾37右，是由于靠近渾37左的岸邊農業種植更加密集。撫順取水口和壩前2點位于大伙房水庫出庫口附近，除2014年7月和2017年5月外，其他時間均處于中營養水平。

圖3 庫區及入庫口富營養化指數分布圖

3 大伙房水庫以上控制水體面源污染識別

3.1 污染識別結果

分別選取渾河上游、蘇子河、社河的5個采樣點，進行總氮、總磷、糞大腸菌群等18個指標污染源識別，將354個樣本的18個指標標準化數據進行主成分分析，分析矩陣見表3。

表3 主成分分析矩陣

第一個主成分解釋了總體方差的20.8%，包括總磷、氟化物、鐵、錳等指標，推測為地下水污染與底泥釋放源，來自于地下水補給及河流底泥沉積的污染物釋放?？偭缀丸F的Spearman相關系數為0.513，具有顯著相關性，撫順地區地下水質中根據《撫順市地質環境監測成果報告》超標的指標主要有氟化物、鐵、錳，地表水和地下水的互相補給過程中會使得超標污染物相互遷移。同時通過調查顆粒形態磷沉積在底泥之中主要來源于農業面源，底泥在厭氧條件下其鐵、磷等污染物能夠與氫氧化三鐵進行吸附和釋放，因此地下水污染及底泥釋放是其第一個主成分的主要污染源。

氣溫、水溫和溶解氧在第二主成分中總體方差為15.5%，其中負貢獻率指標為溶解氧。溶解氧和水溫按照Spearman相關性分析具有顯著相關，水中溶解的氧因為升高的水溫使得其濃度較低，水溫和氣溫屬于氣候自然變化，而不是污染來源，因此氣候因素是第二主成分。

總氮和硝酸鹽氮在第三主成分中總體方差為9.9%，且具有顯著相關性。大氣沉降、化肥流失、動物排泄、生活污水等是水體氮素的主要來源，化肥流失和動物糞便是硝酸鹽氮的主要來源，因此第三主成分中農田流失是總氮和硝酸鹽氮的主要來源，控制流域內尿素用量較高，其耕地主要分布在流域兩岸丘陵地區，夏季化肥受降水和水土流失影響流失風險較高，因此農業種植源是第三主成分污染主要來源。

五日生化需氧量、氨氮、總磷和糞大腸菌群等指標在第四主成分中方差總體較高，畜禽養殖和農村生活是其污染主要來源，糞大腸菌群濃度較高的采樣點主要分布在大伙房水庫控制流域內農村居民人口較多的區域。糞大腸菌群和人口數按照Spearman相關性分析具有較高的關聯度，區域內畜禽養殖廠主要分布在大伙房水庫控制流域河流沿岸，排放的污染物易流失進入水體。因此定義PC4為農村生活及畜禽養殖源。

第五個主成分解釋了總體方差的7.4%，包括高錳酸鹽指數和化學需氧量，代表有機物污染。高錳酸鹽指數與水體中各指標均具有較高的關聯度，其主要污染為工業、生活廢水。

砷、硫酸鹽和氯化物在第六主成分中總體解釋方差為6.3%，其主要污染指標主要受地質影響。

pH值為第七主成分，其主要和鉀鈉鈣鎂等離子具有較高的關聯度，其主要受歷史積累所影響。

3.2 主要識別污染源時空分布

對識別出2大超標水質的污染源時空變化特征進行分析，確定污染源的高風險時間與樣點位置。

(1)農業種植源

對大伙房水庫控制流域內的農業種植源得分進行時空分布統計，如圖4所示。

從圖4中可看出從2014—2018年大伙房水庫控制流域內農業種植源呈現先遞增后遞減的變化特征，各監測點從2017年開始春季主成分值高，到夏季有所減小，到秋季再逐步增加的變化分布，這主要受地區農業施肥方式有關，春季施肥量較高，污染流失率較大，夏季由于作物較為茂盛減低了降雨影響的化肥流失濾。農作物在秋季收割后由于裸露地表增加了其流失率。渾河上游北雜木、蘇子河紅升水庫、永陵和古樓等樣點由于有面積較大的耕地，其農業種植源影響下的污染物流失率均較高。

圖4 農業種植源得分分布圖

(2)農村生活及畜禽養殖源

對大伙房水庫控制流域內的農村生活及畜禽養殖源得分進行時空分布統計，如圖5所示。

圖5 農村生活及畜禽養殖源得分分布圖

北雜木、木奇和永陵采樣點的農村生活及畜禽養殖源得分均高于其他水質采樣點，渾河上游和蘇子河是采樣點的主要分布河流，農村生活及畜禽養殖是渾河上游和蘇子河較為嚴重的污染來源。通過對渾河、蘇子河、社河入庫口家禽調查，其數量超過7萬只，2016—2017各采樣點農村生活及畜禽養殖源得分具有明顯遞減變化，這主要是因為嚴格劃定了畜禽禁養區。

4 結論及建議

(1)大伙房水庫控制流域2個污染因子具有相似的空間變化特征，即渾河上游>蘇子河>社河和庫區?？偟獫舛瓤傮w呈現逐年降低趨勢，年內變化為春季高、夏季下降、秋冬季升高。糞大腸菌群濃度年際間無差異，同年內先增加再降低，峰值常出現在7—9月。

(2)庫區水體整體處于中營養等級，營養水平為磷限制型，且富營養化指數呈逐年下降趨勢。應在庫區上游設置污染修復區，以降低上游污染對入庫水質影響。

(3)本文未對大伙房水庫控制流域內面源污染調控措施進行深入分析，存在不足，在后續研究中還應對流域內面源污染調控措施進行深入分析。