山東某調(diào)蓄水庫水質(zhì)評價及污染來源分析

宋宜彤,王慶紅,涂楠楠

(臨沂市水文中心,山東 臨沂 276000)

1 研究背景

某城市的用水總量由2000年的12.3×108m3增至2020年的20.6×108m3,而當?shù)毓┧畤乐囟倘薄Ｒ虼?調(diào)蓄型水庫成為該類型城市用水安全的主要保障[1]。調(diào)蓄型水庫面臨著水質(zhì)污染,確定水質(zhì)污染的成因并進行量化評價,是制定水質(zhì)保證政策和措施的基礎(chǔ)[2]。

為此,本文選擇該城市的某調(diào)蓄型水庫進行2020年度的綜合監(jiān)測。運用因子分析法、多元回歸分析等方法,綜合評判影響該調(diào)蓄水庫的污染因子,并估計各污染源的貢獻率,為提高水環(huán)境質(zhì)量、確保飲水安全提供參考,同時為該類型水庫水質(zhì)評價及污染來源分析提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

2 材料與方法

某調(diào)蓄水庫是山東某城市主要的飲水水源,水庫總庫容1.98×107m3。2020年,年平均氣溫24℃,全年總?cè)照諘r數(shù)1 870 h,年降雨量1 883 mm。其中,3月份降雨量異常偏多,1、11、12月份降雨量異常偏少。選擇該水庫中和水庫流入水廠的出口兩個代表性取樣點,取樣日期為2020年1-12月,根據(jù)《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494-2009),在每月上旬收集(0.5m)地表水體樣本。考慮到該水庫經(jīng)過長期的全面封閉式治理,未造成明顯的農(nóng)業(yè)非點源和產(chǎn)業(yè)環(huán)境的影響,選擇pH值、CODMn(高錳酸鹽指數(shù))、NH3-N(氨氮)、NO3-N(硝酸鹽氮)、TN(總氮)、TP(總磷)、Fe(鐵)、Mn(錳)等8項代表性的水質(zhì)參數(shù)。各項水質(zhì)指標的檢測方法和標準限值見表1。

表1 各項水質(zhì)指標檢測方法和標準限值

相關(guān)性分析可較好地體現(xiàn)各水質(zhì)指數(shù)之間的相關(guān)性,故采用相關(guān)系數(shù)(r)來表示相關(guān)性強弱。因子分析法(FA)是當前水質(zhì)污染的一種常用的分析手段,利用不同水質(zhì)指標之間的相互關(guān)系建立矩陣,然后通過降低維數(shù)來減少變量數(shù),進而識別水體污染中的主要因子,從而為制定有效、科學的水資源管理規(guī)劃提供依據(jù)[3]。此外,基于絕對主成分的多元線性回歸模型,利用FA確定的主要污染因子,可以定量分析各種污染來源的貢獻率[4]。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 各水質(zhì)指標隨時間變化規(guī)律

圖1 該調(diào)蓄水庫2020年1-12月各水質(zhì)指標濃度變化

由圖1(c)可知,該調(diào)蓄水庫全年NH3-N的濃度為0.02～0.08 mg/L,屬于較低的水平,表明該水庫存在自潔能力,其中以硝化作用作為主要的氮循環(huán)方式[5]。就NO3-N和TN而言,6-9月份的平均濃度處于一年中的較低水平,主要是由于這一時期的浮游生物的生長需求比較高,需要攝取大量的氮素來滿足生長;其它幾個月份的濃度沒有明顯的改變,見圖1(d)和圖1(e)。與其他水庫相類似[6],該調(diào)蓄水庫TN濃度較高,在0.54～1.73mg/L之間,見圖1(e),且一整年都超出地表水II類(0.50 mg/L)標準,有的月份更是超出地表水IV類(1.50mg/L)標準,因此TN濃度較高是該調(diào)蓄水庫迫切需要解決的問題。水庫TP的濃度全年維持在0.01～0.02mg/L,見圖1(f),呈現(xiàn)出較低水平,達到地表水II類水質(zhì)標準的要求。

由圖1(g)和圖1(h)可知,Fe、Mn的全年濃度為0.01～0.2和0.002～0.015mg/L,且均未超出地表水的限值。Fe、Mn的變動幅度都較大,但變化趨勢相同。1-4月份Fe、Mn的濃度均處于較低水平,5月份之后,二者均有顯著提高,并持續(xù)處于較高水平。這主要與汛期雨水沖蝕河道以及水庫表層厭氧量的釋放有關(guān)[7]。5月份之后,水庫Fe、Mn仍維持較高水平,其主要原因是Fe和Mn在水中滯留的速度都較高、滯留時間都較長。因此,在5月份之后,Fe、Mn的增加將會對水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

3.2 各水質(zhì)指標的相關(guān)性分析

CODMn與pH具有較強的相關(guān)關(guān)系(r=0.75**),表明影響二者的主要因子高度同源,即都是由浮游植物引起的。NO3-N與TN存在較強的相關(guān)性(r=0.74**),表明二者的變化是相似的。對于Fe、Mn而言,兩者具有很強的關(guān)聯(lián)度(r=0.82**),即變化的趨勢是相同的。pH值與Mn的濃度之間存在強烈的負相關(guān)關(guān)系(r=-0.75**),但與Fe含量之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。這主要是由于庫區(qū)長期維持著一個弱堿性環(huán)境,Mn的溶解率比Fe低得多,Fe被快速的氧化并在水中保持穩(wěn)定的狀態(tài),而Mn的氧化速率相對緩慢,故pH值對Mn的影響較大。

3.3 污染來源及貢獻率分析

通過8項水質(zhì)指標的因子分析,將各指標對每個因子的方差用特征值表達出來,就能夠代表各因子在整體水質(zhì)解釋貢獻度上所起的作用。有效因子一般為特征值大于1。該調(diào)蓄水庫的前3個因子均為有效因子。對前3個因子進行分析,其累積解釋率為84.7%,表明這3個因子可以較好地反映出原水質(zhì)信息。

第1個因子(VF1)的解釋率為38.7%,且與TN、NO3-N和TP之間存在較大的相關(guān)性。該因子可概括為與引水匯入這一因素有關(guān)。該調(diào)蓄水庫主要水源為河水,而地表水的環(huán)境質(zhì)量標準比水庫要低,導(dǎo)致水庫的水源品質(zhì)較差,使水庫的養(yǎng)分含量偏高,從而導(dǎo)致水質(zhì)的供需矛盾。

第2個因子(VF2)的解釋率為33.6%,且與pH值、CODMn、TP之間有較強的相關(guān)性。上文表明,該調(diào)蓄型水庫中的浮游植物對pH值和CODMn有強烈影響,浮游植物會導(dǎo)致磷的進一步釋放,從而導(dǎo)致磷負荷增大[8],這一因素反映出浮游植物對水庫的水質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響。

第3項因子(VF3)的解釋率為12.4%,且與Fe、Mn之間存在較強的相關(guān)性,表明這一因素與水庫的內(nèi)源釋放效應(yīng)密切相關(guān)。該調(diào)蓄水庫的平均水位在15m以上,符合水體的熱分層條件,在夏季庫內(nèi)的水溫會發(fā)生顯著的分層,水庫的底層水體中溶解氧含量較低,進一步導(dǎo)致底層水體沉積物Fe和Mn的釋放[9]。見表2。

表2 各項水質(zhì)指標的因子分析

因子分析表明,第一因子引水匯入、第二因子浮游植物、第三因子內(nèi)源釋放是3個主要的污染來源,基于絕對主成分的多元線性回歸模型,得到不同污染來源對該調(diào)蓄水庫各項水質(zhì)指標的貢獻率,見表3。

表3 主要污染源對各水質(zhì)指標貢獻率

第一因子引水匯入對NO3-N和TN的貢獻率為59.0%,TN占44.0%,表明該流域氮素的過半來源于引水匯入。第二因子浮游植物對CODMn的貢獻高達40.0%,因此還需要注意浮游植物對水質(zhì)的影響。第三因子內(nèi)源釋放對Fe和Mn的貢獻率最高,為53.0%和46.0%。此外,由于該研究中的水質(zhì)樣品為庫區(qū)表層0.5m處收集,因此該調(diào)蓄型庫區(qū)在夏季分層時,其分析結(jié)論并不能充分反映庫區(qū)的實際情況。要想從根本上提高水庫水質(zhì),必須通過工程手段來去除地下水的分層,從而遏制地下水的內(nèi)源性排放。

4 結(jié) 論

該調(diào)蓄水庫8項水質(zhì)指標基本達到地表水的Ⅱ類標準,并且波動范圍較小。某些月份 pH、CODMn指數(shù)超過標準,主要是由于浮游植物的大量增殖所致。TN是一種重要的污染來源,應(yīng)該通過降低引水來降低其對環(huán)境的影響。此外,Fe、Mn的濃度雖然較低,但有增加的傾向,值得重視。利用因子分析及絕對主成分的多元回歸方法得出,該調(diào)蓄水庫的水體質(zhì)量受到諸多因素的制約,而主要的影響因素是引水匯入、浮游植物的大量繁殖以及由于水體熱分層帶來的內(nèi)源釋放。