韓江流域程江水系水質污染特征及污染因子分析

陸一凡

(廣東省水文水資源監測中心梅州分中心,廣東 梅州 514000)

韓江流域是廣東省第二大流域，程江為韓江的一級支流，程江末段在梅縣城區穿城而過，該區域人群密度較大，城市化水平高，產業密集，因此研究程江的水質情況對環境保護、城區人民飲水安全、調節城市生態環境、農村農田灌溉以及城市景觀等方面有重要意義。

1 研究區域與方法

1.1 區域概況

程江發源于江西省尋烏縣天子嶂西部，長約94 km，流域面積為718 km2。其中，廣東省境內長約84 km，流域面積為708 km2，河道平均比降為2.68‰。自西北向東南流經丘陵山地，河下切侵蝕，河槽呈“V”字形。植被較差，水土流失嚴重[1-2]。經平遠縣進入廣東省梅州市境內，流經平遠縣石正鎮、梅西鎮，梅縣區大坪鎮、南口鎮、扶大鎮、程江鎮后在百花洲注入梅江干流。自上而下分別有龍虎圩水、南口水和扎田水匯入，干流分布富石水庫和梅西水庫，韓江流域程江水系及監測斷面如圖1所示。

圖1 韓江流域程江水系及監測斷面示意

1.2 監測項目

1.3 評價方法

1.3.1水質類別法

根據地表水不同的水域功能，《地表水環境質量標準》將地表水質量標準基本項目標準值分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 5類，未達到Ⅴ類標準的定義為劣Ⅴ類。不同功能類別分別執行相應類別的標準值。水域功能類別高的標準值嚴于類別低的標準值。同一水域兼有多類使用功能的，執行最高功能類別對應的標準值[3]。根據對3個斷面監測數據結果，計算出各指標的年平均值，再依據各項目的標準限值對應評價水質類別。

1.3.2綜合污染指數法

綜合污染指數是指各項指標的單一污染指數的算術平均值(常用的有冪指數法、加權平均法、向量模法和算術平均法，本文采用算術平均法計算)，用某評價指標監測的濃度值與該項目在《地表水環境質量標準》中的Ⅲ類標準值的比值定義為單項污染指數(其中溶解氧項目污染指數則為Ⅲ類標準值與監測的溶解氧濃度的比值)。綜合污染指數法不會因某個單因子濃度過高而導致所有水體評價指標不合格的情況[4]。

1.3.3主成分分析法

主成分分析是研究數據時采用的數據統計方法，其原理是將原有變量重新組合，形成一組新的綜合變量，且這些新的綜合變量之間相互無關，同時根據實際研究需求，從中選取幾個盡可能全面地反映原來變量信息的總和變量進行分析的統計方法，從而達到降維和源識別的目的。本文取樣足夠度的KMO度量值[5]為0.702(>0.7),累計方差貢獻率一般要求大于70%，實際計算結果為81.6%。

2 監測結果分析

2.1 污染指標評價

表1 2020—2021年程江水系水質監測數據統計及評價結果

2.2 主要污染因子變化特征

2.2.1時間變化特征

秋云橋斷面超標嚴重的溶解氧和氨氮月際變化規律如圖2所示，在24個月監測中溶解氧達不到Ⅲ類標準的月份有13個，其中有6個月份低于Ⅳ類標準，氨氮低于Ⅲ類標準的月份有13個，其中有5個月為劣Ⅴ類。由于溶解氧濃度越低水質越差，為了直觀發現氨氮和溶解氧之間的規律，可以用溶解氧的飽和濃度值取 9 mg/L，減去監測的溶解氧濃度值得到的結果與氨氮濃度分析其變化規律(見圖3)，可以明顯看出氨氮濃度和9-DO的濃度變化呈正相關，故氨氮和溶解氧在水中的濃度呈負相關性。按照時間變化規律來看，溶解氧濃度在2021年總體呈下降趨勢，氨氮濃度在2021年下半年呈升高趨勢，均向更低指標和類別方向發展，因此判定秋云橋斷面的污染情況愈加嚴重[7]。

圖2 秋云橋溶解氧、氨氮月際變化規律示意

圖3 秋云橋氨氮與9-DO變化規律示意

2.2.2空間變化特征

程江上游富石水庫超標最嚴重的因子為總氮，而中游的梅西水庫總氮未出現超標，可見總氮在隨水流動過程中或發生NH3-N、NO2--N和NO3--N之間的硝化反硝化作用最終轉化成N2脫離水環境或隨支流匯入的稀釋作用導致其濃度降低，并未對下游斷面造成污染情況[7]。下游的秋云橋斷面中污染最嚴重的DO和NH3-N在上游兩個斷面中未出現超標情況。富石水庫斷面和秋云橋斷面出現了共同污染因子錳，但在中游斷面梅西水庫中未出現超標情況。故根據3個斷面出現的污染因子和同種污染因子濃度變化規律來看，并未出現明顯的空間變化規律。

2.3 主成分分析

針對秋云橋斷面污染程度較重的主要污染因子(DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP、鐵、錳)進行主成分分析。表2為主成分分析中各指標的相關關系矩陣，表3為主成分特征值、主成分貢獻率及累計貢獻率，表4為初始因子載荷矩陣。由表2～表4可知，前3個主成分累計貢獻率達到81.6%,在對水質影響的7個因子中提供了超80%的信息。其中TP、NH3-N、CODMn在第一主成分上載荷較大，其載荷值分別為0.852、0.845、0.712，方差貢獻率為48.8%，主要反映秋云橋斷面主要污染物來源是城市生活廢水的排放以及農業生產污染引起的耗氧有機污染物，營養鹽等；BOD5在第二主成分上載荷最大，其載荷值為0.740，方差貢獻率為19.1%，主要反映了水體被有機物污染程度大；第三主成分中，鐵的載荷最大，其載荷值為13.8%,說明斷面泥沙質河道本底較大和工業廢水的排放，亦或上游雨水對礦山的沖刷作用而引起的面源污染[8]。

表3 主成分特征值、主成分貢獻率及累計貢獻率

表4 主成分載荷矩陣

2.4 水期變化特征

根據廣東省降雨量時間特征，全年劃分為汛期和非汛期，汛期一般從3月中旬到10中旬，非汛期從10月中旬到次年3月中旬[9]。本文在秋云橋斷面的24次監測成果按照水期特點選取2020年5—8月、2021年5—8月監測數據作為汛期代表監測成果和兩年的1月、2月、11月、12月作為代表非汛期監測成果兩組數據進行分析，結果顯示，溶解氧和氨氮明顯非汛期值大于汛期監測值，其中溶解氧汛期均值比非汛期降低17%，氨氮汛期均值比非汛期降低45%，CODMn汛期均值比非汛期升高20%，BOD5汛期與非汛期變化不明顯(如圖4所示)。

a 溶解氧水期變化特征

3 污染原因分析

污染源分大體為點源污染和面源污染兩類，點源污染主要指工業廢水和城鎮生活污水造成的污染，一般有固定的排污口排放；面源污染是指溶解或固態污染物從四面八方，經降水的沖刷作用，通過徑流而匯入受納水體(包括河流、湖泊、水庫和海灣等)從而引起水體的富營養化或其它形式的污染[10]。程江水系秋云橋斷面周邊分布有大量圩鎮、工廠、學校以及大型醫院，河道直接或間接接納了大量工業廢水和生活污水，是造成河道富營養化，持續污染的最主要原因。秋云橋上游分布有黃塘醫院電排站、黃塘附近居民自排涵以及大量的圩鎮排污口，排污口或直接排放程江和或經長期黑臭水體的黃塘河排放后注入程江，主要污染屬點源污染。鐵、錳超標主要原因是泥沙河道本底影響和工業廢水的排放[11-12]。

造成該斷面溶解氧、氨氮超標的另一大原因是2020年和2021年恰逢特殊干旱年景。韓江流域降雨量普遍大幅減少，造成江河徑流量嚴重下降，水位持續走低，河流水動力不足，進而導致水中污染物濃度過高。根據2020年和2021年韓江流域重要水文控制站—橫山(二)站水情數據顯示，2020年總徑流量較多年平均分別減少50.1%、76.5%。年平均徑流量分別減少76.5%、54.6%，詳細年平均徑流及總徑流量情況見表5。

表5 2020—2021年韓江流域主要江河控制站水情情況

4 結語

1) 2 a的監測結果顯示，富石水庫水質類別均為Ⅳ類，綜合污染指數為0.52；梅西水庫水質類別均為Ⅲ類，達到《地表水環境質量標準》中的標準值；秋云橋水質類別均為Ⅴ類，綜合污染指數為0.92，超標因子為NH3-N、DO、鐵、錳。

2) 根據對秋云橋斷面污染物主成分分析，TP、NH3-N、CODMn為第一主成分,說明該斷面主要污染物來源是生活污染的排放以及農業污染引起的耗氧有機物，營養鹽等；第二主成分是BOD5，說明水體被有機物污染程度大；第三主成分是鐵，說明河道本底值大或雨水沖刷礦山等引起的面源污染。

3) 根據汛期和非汛期監測數據分析，溶解氧和氨氮濃度明顯非汛期大于汛期，且二者濃度隨時間變化呈現負相關性，而CODMn汛期濃度均值比非汛期高，BOD5濃度汛期與非汛期變化不明顯。

4) 秋云橋斷面周邊分布大量圩鎮、工廠、學校以及大型醫院，上游存在眾多排污口，河道接納了大量工業廢水和生活污水，是造成該斷面水質超標的最主要因素，建議梅縣區政府加強市政污水管網的收集處理工作；另外，2020年和2021年恰逢特殊干旱年景，江河徑流量明顯偏少，導致水動力不足,水中污染物濃度偏高，建議水庫電站在調節水量和發電的基礎上兼顧水質污染情況。