基于GPCA和CCME-WQI方法的保山市東河水質分析

王學澤,朱長軍,2,張普,苗璐,李博勤

(1.河北工程大學 能源與環境工程學院,河北 邯鄲 056038;2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,南京 210098)

云南省保山市位于長江經濟帶上游區域,境內的東河是怒江的一級支流,具有重要的經濟開發價值.近年來,保山市城鎮化建設快速發展,但資源環境承載能力較弱,城鎮、鄉村污水處理體系不完善,存在大量污水直排現象,東河水質自2018年以來持續惡化為劣Ⅴ類,東河水體的重度污染嚴重影響保山市居民的生產生活,也對國際河流怒江水質構成潛在威脅[1].因此為了切實消除保山市東河的水體污染問題、實現東河水質達標,基于保山市隆陽區境內東河水質監測數據,即新東河流域水質監測數據,對東河干流水質質量進行精準評價,闡釋其時空變化規律,確定污染嚴重河段,找出關鍵污染指標.

水質指數是用來反映水質的一種環境質量指數,其以數值方法為基礎,用簡單清晰的數值反映水體的整體質量[2].1965年Horton首次提出用水質指數對水體水質進行分類的概念,這種概念在全世界得到廣泛應用,并有許多研究人員對其進行修改,如1970年Brown等人提出布朗水質指數,選用了9項水質參數并進行賦權[3];1974年Nemerow提出內梅羅水質指數,根據水體用途計算水質指數[4];中國地表水水質評價標準以《地表水環境質量標準(GB 3838-2002)》[5]為依據,采用單因子水質評價法,其中河流型地表水綜合評價中總氮不參與評價,該方法能夠清晰體現規定指標的污染程度,但其水質評價結果是以最差指標類別為依據,不能反映水質的整體狀況[6].20世紀90年代中期,加拿大環境部長理事會將水質指數法引入加拿大[7],加拿大環境部長理事會水質指數(Canadian Conference of Ministers of the Environment Water Quality Index,CCME-WQI)利用超標范圍、超標頻次、超標幅度3個元素對水體水質的整體狀況進行評價,其結果更為全面,評價指標選取更加靈活,現在CCME-WQI方法因其靈活的適用性已被廣泛應用于許多國家,用以評價河流、湖泊、水庫、地表水和飲用水水質[8-9].

本研究基于2020年6月到9月云南省保山市新東河流域主要干支流的水質監測數據,對東河干流水質狀況進行單因子評價,通過主成分分析篩選出新東河流域主要環境因子,分析其時間變化規律,利用CCME-WQI指數法對流域內水體質量進行綜合評價,分析并闡釋主要污染物的空間變化規律.本研究使用時序全局主成分分析和CCME-WQI結合的方法,通過理論方法提取主要環境因子,排除水質指標選擇的人為干擾[10],在規定水質指標要求上細分優秀、良好、一般、邊緣和較差五類水質,評價更準確,計算過程無須考慮各指標權重,通過超標范圍、頻次、幅度3個因素降低單一指標對結果的影響,使評價結果更具有綜合性、全面性.本研究首次對保山市新東河流域水質時空變化及水質指標的相關性進行分析,以期為保山市乃至我國河流水質和水環境保護及科學管理調度提供參考.

1 數據來源

1.1 研究區概況

東河又名勐波羅河,是怒江流域下游左岸的最大一級支流,因其位于保山市東部而被稱為東河.東河發源于云南省保山市隆陽區王家箐山梁北麓(99°16′23″E,25°10′97″N),主河道自北向南流經保山壩(99°25′51″E,24°59′56″N),隆陽區境內河長95.4 km,流域面積1 431 km2,平均坡降1.21%,河源分水嶺海拔約2 920 m,多年平均流量約為12.4 m3/s,最大流量約為83 m3/s,最小流量約為0.02 m3/s.一級干流先由西北流向東南,途經老營、傅家山等地,到小河口后轉為由北向南流,途經北廟水庫、板橋鎮、河圖街道、青華街道、漢莊鎮、永盛街道、辛街鄉的眾多村寨,在象山峽谷流出保山壩,然后流向轉為由西向東,途經西邑鄉清水溝、石龍坪、石花洞、補麻,丙麻鄉、橋頭寨、落水洞等地后進入昌寧縣境內,見圖1.

1.2 數據來源

本研究共收集2020年6月至9月(豐水期)新東河流域16個干流和30個支流共計46個斷面的水質監測數據,包括水溫(Water Temperature,WT)、pH、溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)、高錳酸鹽指數(Permanganate Index,CODMn)、五日生化需氧量(Five-day Biochemical Oxygen Demand,BOD5)、化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)、總氮(Total Nitrogen,TN)、總磷(Total Phosphorus,TP)、氨氮(Ammonia Nitrogen,NH3-N)、陰離子表面活性劑(Linear Alkylbenzene Sulfonates,LAS)和糞大腸菌群(Fecal coliform,F.coli)共11個指標.按照東河流向,干流斷面分別為:東河源頭(DH1)、沙壩(DH2)、侯家莊(DH3)、板橋鎮與河圖街道交界(DH4)、河圖街道與青華街道交界點(DH5)、青華街道與漢莊鎮交界點(DH6)、漢莊鎮與永盛街道交界點(DH7)、雙橋(DH8)、永盛街道與辛街鄉交界點(DH9)、辛街鄉與永盛街道交界點(DH10)、青華閘(DH11)、永盛街道與西邑鄉交界點(DH12)、石龍坪(DH13)、西邑鄉與丙麻鄉交界點(DH14)、疊水河橋(DH15)、浪壩塘出境斷面(DH16),其中沙壩和石龍坪斷面為國控斷面,其他為常規監測斷面,水質數據、污染源普查數據均來自保山市生態環境局.

2 研究方法

2.1 時序全局主成分分析方法

2.2 CCME-WQI方法

3 結果與討論

3.1 新東河流域基本水質情況

保山市新東河流域水體污染主要有點源和面源污染,其中面源污染受降水影響,在豐水期污染嚴重[17],本文選擇2020年豐水期水質數據,評價結果更能反映水質和污染物濃度變化情況.根據《保山市地表水環境功能區劃(2010-2020年)》及《地表水環境質量標準(GB 3838-2002)》,新東河流域內除水庫外,“東河源頭-入怒江口”段水環境功能為“農業用水、工業用水、一般景觀用水”,水環境功能區類別為Ⅳ類.由于河流型地表水綜合評價中不考慮水溫、總氮和糞大腸菌群,于是選擇pH、DO、CODMn、BOD5、COD、TP、NH3-N和陰離子表面活性劑對東河干流豐水期水質進行評價,發現東河干流多段河道水質惡化為Ⅴ類和劣Ⅴ類,占比62.5%,主要超標污染物為BOD5和TP(表1).

表1 2020年豐水期東河干流監測點水質等級和主要超標污染物

3.2 時序全局主成分分析結果

3.2.1新東河流域水質指標相關性分析

為探究新東河流域內各水質指標之間的相互影響,本研究首先對新東河流域46個監測點所檢測的11種水質指標WT、pH值、CODMn、DO、TN、TP、NH3-N、BOD5、COD、陰離子表面活性劑和F.coli進行正態分布檢驗,發現NH3-N和F.coli不符合正態分布,因此采用Spearman相關性分析.

由圖2可知,在豐水期(6至9月),BOD5和COD呈現強烈的相關性,相關系數均為0.99(P<0.05),說明BOD5和COD具有同源性,可能與部分城鎮生活源和農村生活源污水直排入河以及分散式禽畜養殖污染源有關[18];新東河流域的主要污染指標中TN與TP均有顯著正相關性(r=0.67,P<0.05),可能與新東河流域氮肥、磷肥和復合肥的施用有關.TN與NH3-N也具有顯著相關性(r=0.78,P<0.05),NH3-N主要來源于禽畜糞便[19],可能與部分監測點的TN主要由于禽畜糞便中產生的NH3-N組成有關,TP還與NH3-N和CODMn具有顯著相關性(r=0.64,P<0.05;r=0.63,P<0.05),可能是由于TP含量超標導致水體富營養化,進而導致水體溶解氧降低水生生物死亡加劇,產生大量有機物并在厭氧細菌作用下分解[20].

3.2.2主成分得分情況和主要污染物時間分布差異

從圖2可知,水溫、pH、DO和糞大腸菌群與其他水質指標相關性較低,因此選取CODMn、BOD5、COD、TP、TN、NH3-N、陰離子表面活性劑7項水質指標進行時序全局主成分分析,滿足KMO檢驗和Bartlett檢驗,并提取出3個主成分FAC1、FAC2、FAC3;第一、第二、第三主成分的特征值分別為3.156、1.430和10.520,3個主成分的方差貢獻率分別為45.079%、20.432%和15.027%.第一主成分的主要載荷為TN、TP、BOD5和COD,反映了原始變量45.079%的信息,是關鍵的污染因子;第二主成分的主要載荷為CODMn和NH3-N;陰離子表面活性劑是第三主成分的主要載荷.

根據主成分綜合得分結果和DH3～DH13段干支流監測點的污染物質量濃度變化情況,制作東河干流水質得分情況時間序列圖(圖3)和污染物質量濃度分布圖(圖4).主成分得分越高水質越差,東河源頭處水質較好(DH1和DH2),水質受人為活動影響小,水質波動小.東河干流DH3～DH5和DH7區域(圖3(b)),主成分綜合得分隨時間呈現先上升后下降再上升的趨勢,水質質量變化趨勢則相反,該區域主要污染物為TN、TP和BOD5(圖4(a,b,c)),其中TN、TP污染最嚴重,TN污染水平在6、7月高,ρ(TN)范圍為1.72～20.20 mg/L,平均值為8.29 mg/L,在8和9月ρ(TN)范圍為0.98～12.90 mg/L,平均值為3.63 mg/L;TP質量濃度在6月最高,平均值為0.54 mg/L,在8月最低,平均值為0.19 mg/L.在6至8月監測點DH8(圖3(c))和DH9(圖3(d))水質明顯改善,在8至9月,DH8監測點水質出現惡化情況,DH6水質則繼續提高.在DH3～DH8段,影響水質趨勢的主要指標在6至7月為TP,在7至9月為TN和TP(圖4(a,b,c)).與DH3～DH8段相比,DH9～DH13段主成分綜合得分更高,水質更差,主要污染物為TN、BOD5和TP(圖4(d,e,f)),其中TN和TP質量濃度較DH3～DH8河段明顯降低,BOD5質量濃度顯著上升.TN和TP質量濃度隨時間變化情況與前段相同,TN質量濃度呈現6、7月高,8、9月低的水平,在6月和7月,ρ(TN)范圍為2.95～8.37 mg/L,平均值為6.92 mg/L,在8和9月ρ(TN)范圍為2.29～4.61 mg/L,平均值為3.35 mg/L,TP質量濃度在6月最高,平均值為0.43 mg/L,在8月最低,平均值為0.22 mg/L.BOD5呈現6、7月污染加重之后降低的趨勢,在7月污染質量濃度最高,ρ(BOD5)范圍為7.4～24.6 mg/L,平均值為14.7 mg/L.在DH14～DH16段,主成分綜合得分隨時間整體呈下降趨勢(圖3(d)),水質逐漸改善.TN質量濃度在6月最高,平均值為6.91 mg/L,在8月最低,平均值為2.08 mg/L,TP質量濃度在6月最高,為0.76 mg/L,到7月降低為0.24 mg/L,在8、9月質量濃度基本不變.BOD5污染情況在7月略有上升,之后下降,在7月平均質量濃度最高,為10.00 mg/L,到9月降低為4.40 mg/L.根據主成分分析結果,主要污染物為TN、BOD5和TP,整體污染情況呈現6、7月污染程度高于8月和9月.

3.3 CCME水質分析結果與主要污染物空間分布差異

根據3.1部分,新東河流域水質應達到GB 3838-2002規定的IV類水標準.CCME-WQI方法選擇主成分分析得到的7項水質指標,以GB 3838-2002規定的IV類水質為標準,對新東河流域46個干支流監測點進行超標范圍、超標頻率和超標幅度的計算,得到新東河流域CCME-WQI水質評價空間分布圖(圖5)和水質得分圖(圖6).

結果顯示(圖5),東河源頭來水水質較好,在保山市主城區段水體污染嚴重,之后水質有所改善,在46個干支流監測點中,水質質量為良的監測點占總監測點的17.39%,19.56%監測點水質質量為一般,54.35%監測點水質質量處于邊緣和8.70%監測點水質質量較差,沒有水質質量達到優秀的監測點,表明新東河流域內干支流水質質量較差,未達到《保山市地表水環境功能區劃(2010-2020年)》要求的水質.根據CCME-WQI和主成分綜合得分情況(圖6)看,由兩種方法得到的水質空間分布情況基本一致,而與單因子評價結果(表1)相比,主成分分析和CCME-WQI方法得到的水質得分減少了水質突變點,清楚反映了水質變化的趨勢.靠近東河源頭的水體質量更好(DH1和DH2),其CCME-WQI得分更高,分別為90.57和88.25,各水質參數達標情況較好,可能與此處污水收集管道完善(圖7(a)),水體受人為活動的影響小有關,水質較為健康.從DH3到DH4監測點處,水質得分迅速降低,DH3監測點處為85.43,DH4為69.64,主要污染物為TN,兩個監測點的TN質量濃度平均值分別為3.37 mg/L和4.82 mg/L,可能與此處干流附近排污企業和禽畜養殖戶聚集(圖7(b)),存在大量的點源污染有關.

從DH4到DH9監測點,水質得分先有升高,又迅速降低,主要污染物為TN、BOD5和TP,TN、TP和BOD5質量濃度整體呈上升趨勢,其中TN和TP在DH8監測點質量濃度達到最高,平均質量濃度分別為6.70 mg/L和0.42 mg/L,BOD5在DH9監測點質量濃度最高,平均質量濃度為8.25 mg/L.污染情況可能與此處排污企業減少,主要點源污染從農村生活源和排污企業變成城鎮生活源,化肥施用強度高(圖7(c)),導致面源污染增加有關,保山市新東河流域2020年施用化肥主要為氮肥、磷肥和復合肥,與分析結果一致.

在DH9監測點之后,河流離開保山市主城區,城鎮生活源污染減少,化肥施用強度降低,從DH10到DH14監測點化肥施用強度為中,之后化肥施用強度為低,從水質得分看,除DH9監測點水質為較差外,其他監測點水質均為邊緣,水質得分持續回升,TN和BOD5質量濃度整體呈下降趨勢,TP質量濃度在0.29和0.41 mg/L之間波動,在DH14監測點質量濃度最高,可能與磷肥施用增加、污水收集管道不健全禽畜養殖戶和農村生活源直排入河有關.浪壩塘出境斷面(DH16)監測點CCME-WQI水質得分最高為61.37,處于邊緣和一般水質的臨界區域,主要污染物為TN.

整體來看,主要超標污染物來源于城鎮生活源、農村生活源、化肥、工業源和分散式禽畜養殖污染源.在DH4監測點前,主要污染來源為農村生活源、分散式禽畜養殖污染源和工業源,在DH5～DH9監測點,主要受施肥強度和城鎮污染源影響,在DH9監測點之后,施肥強度影響降低,主要與分散式禽畜養殖污染源和農村生活源直排有關.

4 結 論

(1)云南省保山市東河污染嚴重,單因子評價結果顯示,存在62.5%的干流監測點,其水質不滿足GB 3838-2002中要求的Ⅳ類水質.

(2)時序全局主成分和CCME-WQI分析結果與單因子評價結果基本一致,但與單因子評價相比,GPCA和CCME-WQI分析結果能更清楚反映水質變化趨勢,降低了單個指標對結果的影響,評價結果更全面,同時CCME-WQI可以更好地判斷新東河流域水體對Ⅳ類水質的符合情況.

(3)根據時序全局主成分和CCME-WQI分析結果,新東河流域主要污染物為TN、BOD5和TP,且其質量濃度具有顯著的時空分布差異.時間上,6、7月污染程度高,8、9月污染程度低;空間上,污染程度總體分布由重到輕為中部、東南部、北部,東河源頭處來水水質較好.