水源地上游塘壩水質(zhì)評價及其影響因素研究

王星峰，于興修，李恒鵬，夏天宇

(1.湖北大學資源環(huán)境學院， 湖北 武漢 430062；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所流域地理學重點實驗室， 江蘇 南京 210008)

0 引言

塘壩作為小流域的匯水區(qū)，是丘陵區(qū)濕地的重要組成部分[1].塘壩既承接上游小流域集水，作為“匯”，同時也與其下游的水系相連接，作為“源”，其水質(zhì)水量變化影響流域范圍內(nèi)河流的水環(huán)境質(zhì)量.

天目湖流域位于太湖流域上游，行政區(qū)劃分位于江蘇省溧陽市境內(nèi)，流域內(nèi)的天目湖是溧陽市重要水源地，承擔溧陽市近70萬人的飲用水供給.上世紀，當?shù)厝说娘嬘盟畞碓粗饕獮樘炷亢爸苓叺男⌒吞翂嗡畮?，但是隨著天目湖流域內(nèi)集中供水的實現(xiàn)，塘壩功能發(fā)生改變，不再擔負飲用水功能.近年來，流內(nèi)河流及塘壩等重要水體水生態(tài)退化問題突出[2]，而作為河流“源”的上游區(qū)塘壩，其水環(huán)境質(zhì)量尤其重要.因此，有必要對天目湖流域上游塘壩的水質(zhì)進行監(jiān)測與評價，探究塘壩小流域內(nèi)影響水質(zhì)的因素.

目前常用的水質(zhì)評價方法有單因子評價法、綜合污染指數(shù)評價法、模糊綜合評價法、灰色關聯(lián)法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等[3].單因子評價法選取指標中評價最差的類別作為最終水質(zhì)評價類別；綜合污染指數(shù)評價法是對各項水質(zhì)指標的污染指數(shù)進行綜合評價，但是需要明確的水質(zhì)目標功能約束；模糊綜合評價法能夠根據(jù)水質(zhì)的相對隸屬度和權重對有多種水質(zhì)指標的水體進行整體評價，但是其結果將忽略部分高濃度污染因子，不能判定劣Ⅴ類水[4]；灰色關聯(lián)法可以避免臨界值附近的樣本數(shù)據(jù)變化所導致的評價結果誤差，但是較多的指標會使評價結果的準確性下降[5]；神經(jīng)網(wǎng)絡法則需要大量的訓練樣本[6].利用單因子評價法與模糊綜合評價法對比評價既適用于沒有水質(zhì)目標功能約束的水源地上游塘壩的水質(zhì)評價，又能夠體現(xiàn)高濃度污染指標與多指標綜合的水質(zhì)特征.因此，本文中選擇單因子評價法與模糊綜合評價法對比評價塘壩水環(huán)境質(zhì)量，利用RDA分析探究塘壩流域內(nèi)影響水質(zhì)的因素，為維護塘壩良好水質(zhì)，改善河流源頭水環(huán)境提供參考.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況天目湖流域位于太湖流域西部邊緣，流域內(nèi)的大溪水庫、沙河水庫是溧陽市重要的飲用水源地.該流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L型氣候，全年平均溫度17.5 ℃，年降水量1 149.7 mm，降水集中在5—9月，且有梅雨.該地具有典型的丘陵地貌，流域面積為245.9 km2，海拔高度在1～ 531 m之間.流域內(nèi)有3條主要河流，中田河、平橋河由南至北流入沙河水庫，洙漕河流入大溪水庫.

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析水質(zhì)數(shù)據(jù)為2020年6月至2021年4月的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻率為隔月1次，共計6次.水質(zhì)的監(jiān)測點位于天目湖流域33個塘壩水域內(nèi)(圖1)，每個采樣點都靠近塘壩連接到下游水體的出口處，如果排水，則從流出的水中抽取樣本，如果沒有排水，則從塘壩的不同位置(塘壩入水口、塘壩側邊、塘壩出水口)采集3個樣本并混合.取樣器皿為2 L有機玻璃取樣器，取樣深度為水面以下50 cm處，樣本采集完畢后儲存于-2 ℃的便捷式冷藏箱并將其運輸至實驗室.選取水質(zhì)指標包括DO、TN、TP、NH4+-N、與CODMn.DO由美國YSI公司生產(chǎn)的6600V2型多參數(shù)水質(zhì)儀現(xiàn)場測定，其余水質(zhì)指標的采樣和分析方法參照國家標準[7]進行：TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定；NH4+-N由原水過濾膜后,采用水楊酸-次氯酸鹽光度法流動分析儀測定；CODMn由堿性高錳酸鉀氧化法進行測定.

圖1 采樣點位置

高程數(shù)據(jù)來自SPOT7的5 m精度的DEM數(shù)據(jù)，平均坡度、塘壩小流域劃分由Arcgis10.6完成.小流域內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)由2020年10月5日SPOT7的衛(wèi)星遙感影像目視解譯獲得(圖2). 在本研究區(qū)的塘壩小流域內(nèi)，園地全部為茶園；林地為生態(tài)林地，少有人工干擾(施肥、耕作等).每個塘壩小流域林地與茶園的面積和占比在75%以上，平均占比94.8%，林地與茶園是研究區(qū)內(nèi)主要的土地利用類型.

圖2 天目湖流域土地利用情況

2 研究方法

2.1 單因子評價法根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的評價標準劃分水質(zhì)級別，采用最差單項指標的水質(zhì)級別代表該樣本的水質(zhì)級別.

2.2 模糊綜合評價法模糊綜合評價法是基于模糊數(shù)學的綜合評價方法.該方法依據(jù)水質(zhì)的相對隸屬度和權重對有多種水質(zhì)指標的水體進行整體評價.具體方法如下：

2)建立各因子的隸屬函數(shù)，具體隸屬函數(shù)為：

(1)

(2)

(3)

式中:y為實測數(shù)值，Sj為評價指標第j類水質(zhì)的標準值；rj為評價指標對j類水質(zhì)標準的隸屬度.根據(jù)各因子的隸屬函數(shù)，建立塘壩水質(zhì)模糊評價矩陣：

(4)

式中:R為評價指標的隸屬度函數(shù)矩陣；i為第i個評價因子，i=1，2，…，m;j為第j個水質(zhì)標準的隸屬度，j=1，2，…，n;rij為第i個評價因子對應第j個水質(zhì)標準的隸屬度函數(shù).

3)賦權組合，本文中采用濃度超標加權法與層次分析法組合權重[8].濃度超標加權法是客觀賦權方法，公式如下：

(5)

式中:W1i為第i個因子權重；Ci為第i個因子實測濃度，Si為評價標準的平均值.

采用層次分析法對其主觀賦權.經(jīng)專家打分，確定指標權重W2，CR值為0.04，小于0.1，通過了一致性檢驗，可用于層次分析. 最終權重為：

W=0.5(W1+W2)

(6)

4)確定綜合評價矩陣，綜合評價矩陣為模糊矩陣和權重矩陣的乘積，最大值水質(zhì)類別即為該樣本的水質(zhì)類別.

B=WR

(7)

2.3 RDA分析本研究利用生態(tài)學中最常用的線性直接梯度排序分析方法—RDA分析，對影響塘壩水質(zhì)的環(huán)境變量進行分析.RDA分析能夠確定不同環(huán)境變量和物種變量之間的關系，并能體現(xiàn)不同環(huán)境要素的貢獻率[9].在進行分析前，需將水質(zhì)指標看作物種變量，進行DCA分析，結果發(fā)現(xiàn)排序軸最大梯度值小于3[10]，因此，可以選擇RDA分析對塘壩水質(zhì)與環(huán)境變量進行分析. 在應用RDA分析之前，檢查數(shù)據(jù)的正態(tài)性，并對數(shù)據(jù)進行對數(shù)變換，以滿足正態(tài)假設[11].

3 結果與討論

3.1 水質(zhì)特征對33個塘壩共計198個樣本的水質(zhì)進行檢測，對其進行描述性統(tǒng)計，結果如表1、圖3所示.

表1 塘壩水質(zhì)數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計

圖3 水質(zhì)特征

DO變化范圍為4.61～13.80 mg· L-1，塘壩的DO濃度基本在Ⅱ類水標準以上.在時間變化上，6月、8月、10月的DO質(zhì)量濃度普遍低于12月、2月、4月(p< 0.01).這可能是因為夏秋季水溫升高，DO飽和度提高，塘壩間藻類和有機物的數(shù)量增加，塘壩處于耗氧狀態(tài)，所以6月、8月、10月DO整體偏低；冬春季水溫低，水體完全混合，大氣復氧充分[12]，DO受藻類、浮游植物和有機物的影響較少，因此12月、2月、4月DO濃度整體較高.

TN普遍在Ⅴ類、劣Ⅴ類水質(zhì)標準區(qū)間，變化范圍為0.45 ～ 8.75 mg· L-1.塘壩的TN濃度分布離散，相差較大，這可能與塘壩小流域內(nèi)土地利用方式各異有關.TN年內(nèi)變化不顯著(p> 0.05).

TP大多在Ⅲ類、Ⅳ類水質(zhì)標準區(qū)間，變化范圍為0.01 ～ 0.22 mg· L-1.在時間變化上，6月、8月、10月的TP濃度顯著高于12月、2月、4月(p< 0.01).這可能是因為部分塘壩流域內(nèi)多茶園，5月后作物進入施肥期，同時采茶后對茶樹的修剪加劇了地表的裸露，增加了地表土壤侵蝕，茶園中的TP很容易隨降水流失，匯入水體；除此之外，夏秋季溫躍層變化導致內(nèi)源磷釋放磷污染進入上層水體，夏季藻類生長也會促進磷污染在水體表層集中，使6月、8月、10月TP濃度處于較高水平.

NH4+-N普遍達到Ⅰ類水質(zhì)標準，年均值均在Ⅱ類水標準以上，變化范圍為0.002 ～ 0.640 mg· L-1.

CODMn多處于Ⅰ類、Ⅱ類水質(zhì)標準區(qū)間，變化范圍為0.48 ～ 8.80 mg· L-1.

3.2 兩種方法下的水質(zhì)評價與比較兩種評價方法下的水質(zhì)類別見表2，單因子評價法的水質(zhì)結果較差，所有水質(zhì)的評價結果均在Ⅲ類水標準及以下. 6月、8月的塘壩水質(zhì)評價以Ⅳ類水為主；其他月的水質(zhì)以劣Ⅴ類水為主.在6次水質(zhì)檢測中，水質(zhì)處于Ⅴ類、劣Ⅴ類水標準的塘壩占塘壩總數(shù)的百分比依次為42.42%、60.60%、69.70%、60.60%、78.79%和90.90%，這與TN的水質(zhì)狀況呈現(xiàn)一致性(p< 0.01)，TN是單因子水質(zhì)評價的決定性因子.模糊綜合評價法的結果說明天目湖流域內(nèi)源頭塘壩的水質(zhì)一般，8月、10月的水質(zhì)評價以Ⅳ類水為主；其他月的水質(zhì)以Ⅰ類水為主.這可能是因為最終水質(zhì)結果受隸屬度的關系影響較大，在8月、10月TN、TP同時處于高濃度狀態(tài)，導致模糊綜合評價法的水質(zhì)結果呈現(xiàn)較大的時間差異.

表2 兩種方法下塘壩水質(zhì)類別頻率

比較每個塘壩的較差水質(zhì)次數(shù)占6次采樣的頻率發(fā)現(xiàn)(圖4)，有23個塘壩一半以上次數(shù)處于Ⅴ類、劣Ⅴ類，占總數(shù)的69.7%；模糊綜合評價法下，有9個塘壩一半以上次數(shù)處于Ⅳ類、Ⅴ類，占總數(shù)的27.27%.相較其他塘壩，3、5、6、7、10號塘壩水質(zhì)長時間處于較差狀態(tài)，應優(yōu)先治理.

在同一塘壩點上，不同評價方法在夏秋季的評價結果相差較小，冬春季的評價結果相差較大，這與各指標時間異質(zhì)性有關.另外，由于天目湖流域內(nèi)TN濃度普遍處于較高水平[13]，單因子評價法掩蓋了其他指標在最終水質(zhì)評價結果中的體現(xiàn)；模糊綜合法利用層次分析法和超標濃度法賦權，使得權重向量能客觀地反映整體情況，在TN突出的情況下，可以綜合劃分塘壩的水質(zhì)狀況.

3.3 塘壩小流域內(nèi)影響水質(zhì)的因素在水陸關系的視角下，施肥量、土地利用類型等均可以通過生物地球化學循環(huán)影響水質(zhì)狀況[14].本文中選擇的水質(zhì)解釋變量包括：小流域內(nèi)林地面積占比(Tree)、小流域內(nèi)平均坡度 (Slope)、固體懸浮物(SS)、小流域內(nèi)單位面積施肥量 (Fertilization).其中，小流域內(nèi)單位面積施肥量依據(jù)文獻[15]，將耕地施肥量與茶園施肥量相加后除以小流域面積總量獲得.以水質(zhì)指標作為物種變量、上述因子作為環(huán)境變量，應用RDA分析揭示環(huán)境變量對塘壩水質(zhì)的貢獻率，提取塘壩水質(zhì)的控制性因素，如圖5、表3所示.

表3 塘壩水質(zhì)與環(huán)境變量的RDA結果

圖5 RDA分析結果

RDA分析結果顯示，小流域內(nèi)林地占比、小流域內(nèi)平均坡度、小流域內(nèi)單位面積施肥量與塘壩水質(zhì)的關系都呈現(xiàn)顯著相關性，偏蒙特卡羅置換檢驗p值均小于0.05.對于水質(zhì)指標的分布，TN大致沿第一軸延展，說明第一軸更多是塘壩TN的反映；TP、NH4+-N、CODMn多沿第二軸延展，說明第二軸與其他水質(zhì)指標相關.對于塘壩水質(zhì)與環(huán)境變量的RDA結果(表2)，前兩軸的水質(zhì)解釋率共為43.2%，對水質(zhì)與環(huán)境變量的關系累計能達到96.1%.與第一軸相關系數(shù)最大的兩個解釋變量為小流域內(nèi)單位面積施肥量、小流域內(nèi)林地占比；與第二軸相關系數(shù)最大的解釋變量為小流域內(nèi)平均坡度.

RDA分析的結果說明，小流域內(nèi)單位面積施肥量與TN呈顯著正相關關系(p< 0.01)，與其他水質(zhì)指標沒有相關性.這與李恒鵬等[16]在天目湖流域的觀測結果相符.在丘陵區(qū)，導致水體水質(zhì)變差的主要原因是農(nóng)業(yè)開發(fā)帶來的面源污染[17].在本研究區(qū)主要種植作物為茶樹，小流域的茶園面積占比平均為41.3%，耕地面積占比平均僅為1%.研究區(qū)緩坡土壤以黃棕壤為主，陡坡土壤以石質(zhì)土、山砂土為主，保水保肥能力差，茶園的有機肥施量可以達到18 000 kg/(hm2a-1)，折合純氮為959 kg/(hm2a-1)，而耕地的施肥量約為茶園施肥量的一半[15]，肥料中的大量氮素隨徑流匯入坡底的塘壩，導致水中TN濃度增加.另外，由于施加的氮肥大約是磷肥的3倍以上[18]，與TP相比，小流域內(nèi)單位面積施肥量與TN關系更為密切.

小流域內(nèi)林地面積占比與TN呈顯著負相關關系(p< 0.01)，本文中研究區(qū)內(nèi)，植被多為毛竹林、馬尾松和混交林，對于匯入水體的污染物具有攔截過濾功能，對TN有“匯”的作用[19]，增加林地的覆蓋能夠有效降低塘壩TN的濃度[20].小流域內(nèi)平均坡度與CODMn呈顯著負相關性(p< 0.01)，這可能和坡度較高的地區(qū)人類擾動較少、耗氧有機物少有關.

4 結論

2)單因子評價法下，流域內(nèi)塘壩水質(zhì)結果差，以Ⅴ類、劣Ⅴ類水為主，TN是決定性因子.模糊綜合評價法下，流域內(nèi)塘壩水質(zhì)結果一般，Ⅰ至Ⅴ類水均有分布.

3)對比單因子評價法和模糊綜合評價法，模糊綜合法的評價效果更好，在塘壩TN濃度集體偏高的情況下，模糊綜合法評價分類更有層次，容易區(qū)分塘壩整體水質(zhì)的級別，找出污染嚴重的塘壩.

4)通過RDA分析說明小流域內(nèi)單位面積施肥量對TN的影響最大，茶園施肥是天目湖流域上游塘壩TN濃度高的主要原因.小流域內(nèi)林地面積占比與TN呈顯著負向關.對于水源地上游的塘壩流域建議應控制作物施肥量，限定開發(fā)比例，注重植被建設，降低人類擾動對塘壩水質(zhì)的影響.