江南河網(wǎng)地區(qū)典型河道二干河水質(zhì)時(shí)空分異特征及污染源解析

摘要：基于2006—2012年張家港二干河4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)（WQI）、方差分析（ANOVA）和因子分析（FA）的方法分析張家港二干河水質(zhì)時(shí)空分異特征，并解析污染來源。2006—2012年間，河道整體污染水平呈減輕趨勢(shì)，4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面污染程度由低到高依次為十一圩閘<欄桿橋<港豐公路大橋<蔣橋，呈現(xiàn)河道中段污染較嚴(yán)重的現(xiàn)象；所有斷面各年糞大腸桿菌、銨態(tài)氮和總氮的污染程度均較嚴(yán)重；不同年份二干河的主導(dǎo)污染源有所差別，近年來工業(yè)點(diǎn)源污染、農(nóng)村及城市生活面源污染起綜合的作用。運(yùn)用以上3種方法可以客觀合理地評(píng)價(jià)二干河的水質(zhì)變化狀況，為水環(huán)境治理提供參考。

關(guān)鍵詞：江南河網(wǎng)地區(qū)；二干河；水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)；多元統(tǒng)計(jì)分析；時(shí)空分布；污染源

中圖分類號(hào)： X824文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0351-04

收稿日期：2014-07-11

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAJ25B07）。

作者簡介：曹曉艷（1990—），女，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要從事河道修復(fù)研究。E-mail：yxh20000905@163.com。

通信作者：成水平，博士，教授，主要從事生態(tài)工程研究。Tel：（021）65980763；E-mail：shpcheng@#edu.cn。城市河流作為區(qū)域居民生活污水、工業(yè)廢水和地表徑流排放等污染源的主要載體，最易遭受到污染和破壞。近幾十年來，地方政府部門開展了大量河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，鑒于各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間存在復(fù)雜的相互影響，無法直觀地提供給地方?jīng)Q策者管理和改善水環(huán)境的依據(jù)[1-4]；因此，有必要以大量的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合評(píng)價(jià)河流水質(zhì)，識(shí)別潛在污染源，幫助決策者建立高效合理的水環(huán)境管理和綜合治理方案[4-5]。近年來，各類評(píng)價(jià)方法和多元統(tǒng)計(jì)方法被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法（WQI）是一種基于代數(shù)運(yùn)算的水質(zhì)連續(xù)性刻畫評(píng)價(jià)方法[6]，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定性與定量評(píng)價(jià)，并考慮多個(gè)水質(zhì)因子之間的相互作用，能夠較好地評(píng)價(jià)污染嚴(yán)重的河流水質(zhì)[7-10]。多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)能夠?qū)?fù)雜的多元數(shù)據(jù)進(jìn)行降維簡化，且可以保證主要信息不會(huì)丟失。方差分析、因子分析作為傳統(tǒng)的多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)，在水質(zhì)時(shí)空分異特征及潛在污染源識(shí)別上得到普遍的應(yīng)用[11-15]。本研究基于江蘇省張家港市二干河水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和方差分析法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，揭示河道水質(zhì)污染特征和時(shí)空變化規(guī)律；結(jié)合單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)識(shí)別不同時(shí)間段不同區(qū)域水環(huán)境的主要污染源，以期較客觀合理地評(píng)價(jià)水環(huán)境治理措施對(duì)該河道水質(zhì)提升的效果，為江南河網(wǎng)地區(qū)典型城市河流的水質(zhì)評(píng)價(jià)和環(huán)境治理工作提供借鑒。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

張家港市水系屬長江流域太湖水系，長江縈繞于西北部、北部和東北部，屬典型平原感潮河網(wǎng)地區(qū)。全市的河網(wǎng)布局為南北分片控制，相互之間水系連通性差，無法實(shí)現(xiàn)水體的充分交換和循環(huán)流動(dòng)。二干河是張家港市的一條錫北運(yùn)河主航道，提供工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水，自江蘇省江陰市北涸起到十一圩港口，長約27 km，流域面積約為7 210 hm2，功能區(qū)目標(biāo)為地表水Ⅳ類水。

1.2數(shù)據(jù)收集

水質(zhì)數(shù)據(jù)為張家港環(huán)境監(jiān)測(cè)站2006—2012年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其水質(zhì)采樣在1—12月各進(jìn)行1次，水質(zhì)指標(biāo)均采用國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本分析方法進(jìn)行分析[16]。選取二干河4個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面作為分析點(diǎn)位（圖1），每個(gè)點(diǎn)位選擇高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、銨態(tài)氮（NH+4-N）含量、石油類含量、揮發(fā)酚含量、化學(xué)需氧量（CODCr）、總氮（TN）含量、總磷（TP）含量和糞大腸桿菌數(shù)量9項(xiàng)指標(biāo)作為水質(zhì)分析參數(shù)。為了便于分析，取每個(gè)指標(biāo)12個(gè)月的平均值作為分析數(shù)據(jù)。

1.3研究方法

1.3.1水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi可表示為：

Pi=W1.W2W3。

式中：W1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別，W2為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在W1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，W3表示水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果，視評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染程度而定[17-18]。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)（Iwq）由整數(shù)位和3位小數(shù)位組成。表示為：

Iwq=X1.X2X3X4。

式中：X1為綜合水質(zhì)類別，X2為綜合水質(zhì)在X1類水濃度區(qū)間中距下限值的位置，X3為參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)中劣于水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)類別的指標(biāo)個(gè)數(shù)，X4為綜合水質(zhì)劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的類別數(shù)[19]。上述兩式中的W1.W2和X1.X2由計(jì)算獲得，W3、X3和X4根據(jù)比較結(jié)果得到。通過綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)可以判斷河流是否黑臭，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：6.0

劣于Ⅴ類，但不黑臭；X1.X2>7.0，水體黑臭[19]。

1.3.2多元統(tǒng)計(jì)分析在水質(zhì)評(píng)價(jià)過程中，考慮到水體污染物在時(shí)間、空間上的差異性與相似性，采用方差分析的方法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行年際間和空間上的顯著差異性檢驗(yàn)。

因子分析是一種數(shù)據(jù)簡化技術(shù)，通過研究眾多變量之間的內(nèi)部依賴關(guān)系，探求觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的基本結(jié)構(gòu)，并用少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立的不可觀測(cè)變量（因子）來表示其基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。各公因子對(duì)應(yīng)的最高因子載荷變量對(duì)其有最強(qiáng)的解釋能力[20]。根據(jù)負(fù)荷值的大小將變量的相關(guān)性水平分為3類：負(fù)荷值>0.75，為顯著相關(guān)；負(fù)荷值∈（0.50，0.75]，中等相關(guān)；負(fù)荷值∈[0.30，0.50]，為弱相關(guān)[5]。水質(zhì)分析中常用因子分析提取污染因子對(duì)污染源定性[2，5，8，11，14，21]。

2結(jié)果與分析

2.1水質(zhì)時(shí)空變化綜合評(píng)價(jià)

2006—2012年二干河欄桿橋、蔣橋、港豐公路和十一圩閘4個(gè)斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果見圖2。由圖2可見，2006—2012年間，二干河整體污染程度呈減輕趨勢(shì)，各年綜合WQI值分別為6.734、6.314、6.236、5.712、5.893、5654、5.983，由劣Ⅴ類水體提升至Ⅴ類水體；但目前二干河水質(zhì)仍未達(dá)地表水Ⅳ類水的功能區(qū)目標(biāo)。二干河欄桿橋、蔣橋、港豐公路大橋和十一圩閘4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面年平均WQI值分別為5.37、7.45、6.25、5.25，污染程度由低到高依次為十一圩閘<欄桿橋<港豐公路大橋<蔣橋，河道呈現(xiàn)中段污染較大的特點(diǎn)。除了欄桿橋和十一圩閘斷面，其余各斷面兩兩間均差異極顯著（P<0.01）。欄桿橋和蔣橋斷面污染程度呈現(xiàn)波動(dòng)性下降趨勢(shì)，WQI值分別下降24%、25%，水質(zhì)逐年改善。欄桿橋斷面以居民用地為主。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，生活污水接管率不斷提高，斷面水質(zhì)得到改善。蔣橋斷面WQI極顯著高于其他斷面（P<0.01）。該斷面以工業(yè)用地和居民用地為主，城市中心不斷擴(kuò)張，大多企業(yè)往下游遷移或關(guān)停，斷面工業(yè)負(fù)荷大幅度下降，水質(zhì)在短期能得到改善。同時(shí)，該區(qū)域人口密度和硬化路面的比例增大，城市徑流等面源污染負(fù)荷逐步成為該斷面的主要污染源，水質(zhì)在2010年出現(xiàn)惡化。港豐公路斷面7年間綜合水質(zhì)均處于劣Ⅴ類，黑臭問題頻頻暴發(fā)。蔣橋-港豐公路段以居住用地和工業(yè)用地為主，沿途接納工業(yè)廢水和生活污水，NH+4-N含量超標(biāo)造成了水體缺氧而呈黑臭狀態(tài)（圖3）[22]。十一圩閘斷面2006—2009年水質(zhì)波動(dòng)較大，2010—2011年綜合水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)。十一圩閘位于入江口，長江水對(duì)其稀釋作用明顯。

進(jìn)一步對(duì)2006—2012年各斷面的月綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖4。由圖4可知，欄桿橋斷面2006—2012年間各個(gè)月WQI值均在3～8之間波動(dòng)，該斷面每年（2006—2012年）1月綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)均超過年均WQI，屬于污染最嚴(yán)重的月之一，因?yàn)閺埣腋凼?月屬于冬季少雨期，水體水流不暢，富氧情況差，污染物累積，所以導(dǎo)致該月污染嚴(yán)重；蔣橋斷面WQI在5～10之間波動(dòng)；港豐公路斷面2006—2010年各月WQI均在4～9之間波動(dòng)，2011年、2012年各月WQI在3～12之間波動(dòng)；十一圩閘斷面2006—2012年間各月綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)均在3～8之間波動(dòng)，5月在大多數(shù)年份中的污染均較嚴(yán)重。二干河是一條高度人工受控河流，在雨量較小的干旱季節(jié)往往通過人為調(diào)水保證河道充盈，同時(shí)河道清淤等整治工作可使河道水質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化。

2.2斷面污染特征分析

基于“2.1”節(jié)中的水質(zhì)時(shí)空綜合評(píng)價(jià)，由各斷面的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)進(jìn)一步分析各斷面污染特征（圖3）。2006—2012年間，欄桿橋斷面CODCr、BOD5、CODMn、石油類含量和揮發(fā)酚含量的平均值均能達(dá)到水質(zhì)功能區(qū)目標(biāo)，而大腸桿菌

污染最嚴(yán)重，其次是TN和NH+4-N。港豐公路和蔣橋斷面僅CODMn、石油類含量和揮發(fā)酚含量達(dá)到水質(zhì)功能區(qū)目標(biāo)，主要污染因子為NH+4-N、TN和大腸桿菌，其中蔣橋斷面TP單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)為6.25，磷污染嚴(yán)重。十一圩閘斷面CODCr、TP含量、BOD5、高錳酸鹽含量、石油類含量和揮發(fā)酚含量的平均值達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2006—2012年，所有斷面糞大腸桿菌數(shù)量、NH+4-N含量、TN含量超標(biāo)嚴(yán)重，可能是鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理規(guī)模與人口增長不一致，農(nóng)村生活污水、畜牧養(yǎng)殖廢水的排入導(dǎo)致河流污染。有資料顯示，NH+4-N含量、糞大腸桿菌數(shù)量的升高標(biāo)志著生活污水、人畜排泄物的排入[23]。

2.3污染源解析

利用因子分析對(duì)2006—2012年間各水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行污染源分析，結(jié)果見表1。由表1可知，2006年，第1變量因子（VF1）與TN含量和CODMn強(qiáng)相關(guān)，與BOD5和NH+4-N含量中度相關(guān)，主要代表耗氧有機(jī)污染[20]。VF2表征因子為TP含量和糞大腸桿菌數(shù)量，代表著城市生活及養(yǎng)殖廢水等面源污染。VF3主要代表工業(yè)污染源。因此，2006年二干河受到綜合污染。2007年的VF1表征因子為CODMn和CODCr；VF2表征因子為石油類含量，主要污染源為工業(yè)污染。2008年VF1 表征因子為TN含量和NH+4-N含量，NH+4-N最主要的來源是生活污水，其次還可來源于降雨徑流。NH+4-N是水體中的主要耗氧物，這就解釋了CODMn在VF1上也占有較高載荷的原因；VF2與TP含量強(qiáng)相關(guān)，與CODCr、BOD5和糞大腸桿菌數(shù)量中度相關(guān)，表明其污染來源可能是與養(yǎng)殖廢水和生活污水相關(guān)的面源污染。可見，工業(yè)整治初見成效，河道污染情況呈現(xiàn)出以面源污染為主、點(diǎn)源污染為次的格局。2009年VF1與石油類、TN、TP含量強(qiáng)相關(guān)，主要代表工業(yè)污染；VF2與NH+4-N含量和CODCr強(qiáng)相關(guān)；VF3與糞大腸桿菌數(shù)量強(qiáng)相關(guān)。2010年VF1的方差貢獻(xiàn)率為43.553%，與CODMn、BOD5、揮發(fā)酚含量和CODCr強(qiáng)相關(guān)，主要代表市政污水和工業(yè)點(diǎn)源對(duì)河道水質(zhì)的影響。2011年VF1與糞大腸桿菌數(shù)量和石油類含量強(qiáng)相關(guān)，主要代表徑流污染[5]；VF2的表征因子為CODCr和TN含量，主要代表工業(yè)污染；VF3的表征因子為CODMn和BOD5，主要代表有機(jī)污染，說明河道水體受快速城市化引起的市政污水排放的強(qiáng)烈影響[2，24]。2012年9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)分別在不同的變量因子上均占有較高的載荷，這表明工業(yè)污水、市政污水、農(nóng)村農(nóng)業(yè)及城市活動(dòng)對(duì)河道水質(zhì)起綜合作用，沒有明顯的主導(dǎo)污染源。因此，2009—2012年工業(yè)污水、市政污水、農(nóng)村農(nóng)業(yè)及城市活動(dòng)對(duì)二干河水質(zhì)起綜合影響。

3結(jié)論

采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)二干河的水質(zhì)，結(jié)果表明，2006—2012年間河道整體污染程度減輕，水質(zhì)得到改善，由劣Ⅴ類提升至Ⅴ類，但仍未達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)，水污染控制與水環(huán)境治理仍要加大力度。

二干河4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面污染程度由低到高依次為十一圩閘<欄桿橋<港豐公路大橋<蔣橋，呈現(xiàn)河道中段污染較嚴(yán)重的現(xiàn)象，與其工業(yè)發(fā)展、居住人口較多有關(guān)。斷面各月綜合指數(shù)波動(dòng)受降雨徑流、河道清淤和閘控調(diào)度的影響。

污染；2007年工業(yè)污染占主導(dǎo)作用；2008年工業(yè)治理初見成效，河道污染情況呈現(xiàn)出面源污染為主、點(diǎn)源污染為次的格局；2009—2012河道受到工業(yè)點(diǎn)源和農(nóng)村及城市生活面源的綜合作用。

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