蔣笑影，夏 霆，潘新星，楊金艷，徐 勇

(1.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，南京 211816；2.江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局，蘇州 215009)

飲用水源地水質(zhì)及污染問題影響供水保障和社會穩(wěn)定，其中湖泊水源地由于水體流動性差、入湖污染難以防控等特點，較易發(fā)生富營養(yǎng)化甚至爆發(fā)水華，因此近年來湖泊水源地供水安全問題持續(xù)受到關(guān)注。聚類分析、判別分析等多元統(tǒng)計分析方法因為具有能夠簡化多維數(shù)據(jù)，提取主要信息等優(yōu)點，在水質(zhì)特征分析研究中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外研究者運用多元統(tǒng)計方法分別對密云庫區(qū)[1]、蘇州古城區(qū)[2]、澳門半島近岸海域[3]、松花江哈爾濱區(qū)域[4]以及三峽庫區(qū)[5]的水質(zhì)時空變異特征進(jìn)行了分析，并對不同區(qū)域及年際段的主要污染物進(jìn)行了解析。這些研究結(jié)果表明多元統(tǒng)計分析方法能夠有效地從復(fù)雜的多元水質(zhì)因子中提取重要信息，識別造成水質(zhì)變異的主要指標(biāo)，將其用于水質(zhì)特征信息挖掘及污染源解析具有顯著優(yōu)勢。

蘇州現(xiàn)有集中式飲用水水源地15個，其中9個為湖泊水源地，包括太湖(蘇州轄區(qū))、陽澄湖、尚湖和傀儡湖等湖泊，湖泊水源地占比大[6]。本文基于蘇州市9個湖泊水源地2006-2017年12年間逐月實測水質(zhì)數(shù)據(jù)，評價水源地水質(zhì)狀況及富營養(yǎng)化程度，分析其水質(zhì)時空差異特征，并對其主要污染因子進(jìn)行解析，以期為湖泊水源地水環(huán)境保護(hù)及水污染防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇州位于太湖流域，境內(nèi)河港密布，擁有大小河道2萬多條，50畝以上湖泊384個，境內(nèi)總水域面積高達(dá)2 171.9 km2。近年來，蘇州城市化進(jìn)程逐年加快，區(qū)域污染物排放量居高不下，河網(wǎng)水質(zhì)狀況較差，水體富營養(yǎng)程度偏重[7]，供水安全問題受到廣泛關(guān)注。

本文研究對象為金墅港、鎮(zhèn)湖、漁洋山、浦莊、廟港、亭子港、尚湖、陽澄東湖及傀儡湖9個湖泊飲用水源地，分別位于太湖(6個)、尚湖、陽澄湖和傀儡湖(見圖1)。

圖1 蘇州9個湖泊水源地位置分布圖Fig.1 Distribution of 9 lake water sources in Suzhou

其中，太湖是中國第三大淡水湖泊，是上海、無錫、蘇州等城市的主要飲用水源地，同時承擔(dān)地區(qū)防洪、灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能。陽澄湖位于蘇州市東北部，湖區(qū)面積119.04 km2，包括東湖(水源地)、中湖和西湖。尚湖位于常熟西郊，虞山西北角，周邊森林植被覆蓋率達(dá)96%，湖區(qū)面積6.619 km2。傀儡湖位于昆山市境內(nèi)，湖泊封閉管理，湖區(qū)面積6.604 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

數(shù)據(jù)來源于蘇州9個湖泊水源地2006-2017年12年間水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采樣點為各水源地取水口，水質(zhì)監(jiān)測因子包括總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、葉綠素(Chl.a)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等17個水質(zhì)理化指標(biāo)，逐月監(jiān)測，共17442個監(jiān)測樣本。水質(zhì)采集及監(jiān)測分析嚴(yán)格按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中的方法進(jìn)行，均由蘇州市水環(huán)境監(jiān)測中心實驗室完成。

綜合水質(zhì)狀況評估選取DO、TN、TP、NH3-N、BOD5、CODMn6項指標(biāo)作為評價因子，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法[8]。富營養(yǎng)評估參照中國環(huán)境監(jiān)測總站推薦的加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法[9]，考慮TN、TP、Chl.a、SD、CODMn5項水質(zhì)因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)評價

2.1.1 綜合水質(zhì)狀況

基于12年間水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算9個水源地歷年綜合水質(zhì)狀況，其年際變化如圖2。除金墅港、北亭子港和傀儡湖水源地水質(zhì)波動略大外，其余各水源地12年間水質(zhì)狀況較為穩(wěn)定。總體上，9個水源地歷年污染指數(shù)均介于1.0～2.0之間，屬于輕度污染。

圖2 各水源地綜合水質(zhì)狀況年際變化Fig.2 Interannual variabilities in the comprehensive water quality of each water source

2.1.2 富營養(yǎng)狀況

基于加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法評估的9個水源地富營養(yǎng)狀況年際變化見圖3。尚湖和傀儡湖水源地富營養(yǎng)狀況較好，2007-2012年間兩個水源地均處于貧營養(yǎng)狀態(tài)(TLI≤ 30)，尚湖2013年之后處于中營養(yǎng)狀態(tài)(30 50)。其余7個水源地除2016年達(dá)到輕度富營養(yǎng)狀態(tài)外，2007-2015年以及2017年基本處于中營養(yǎng)狀態(tài)?？傮w上，12年間9個水源地富營養(yǎng)狀況良好，除2016年大部分水源地達(dá)到輕度富營養(yǎng)外，其余年份均處于或優(yōu)于中營養(yǎng)狀態(tài)，但各水源地富營養(yǎng)程度總體呈增大趨勢，2016年部分水源地已接近中度富營養(yǎng)。

圖3 各水源地富營養(yǎng)狀況年際變化Fig.3 Interannual variabilities in the eutrophic condition of each water source

基于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)法評估的9個水源地富營養(yǎng)狀況月際變化見圖4。浦莊、廟港、北亭子港和尚湖4個水源地富營養(yǎng)狀況良好，年內(nèi)均處于中營養(yǎng)狀態(tài)(30

圖4 各水源地富營養(yǎng)狀況月際變化Fig.4 Monthly changes in the eutrophic condition of each water source

2.2 水質(zhì)時空變異特征

2.2.1 水質(zhì)的時間分布特征

9個湖泊水源地水質(zhì)的月際聚類分析結(jié)果如圖5，在(Dlink/Dmax)×100 < 5處，全年可分為2個時段，時段Ⅰ為7-10月，時段Ⅱ為1-6月和11-12月。蘇州地區(qū)雨季多集中在6-9月份[14]，由梅雨形成的太湖最高洪水位大多出現(xiàn)在7月份，由臺風(fēng)雨形成的太湖最高洪水位多出現(xiàn)在9月份[15]。聚類結(jié)果基本對應(yīng)于蘇州地區(qū)汛期和非汛期，表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)特征[16]。

圖5 時間聚類分析結(jié)果樹狀圖Fig.5 Dendrogram of temporal cluster analysis results

針對年內(nèi)時間聚類分析確定的2組時段，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行全模型判別和逐步判別分析，判別結(jié)果見表1。全模型判別需要對17個水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行考察，其正確率達(dá)到91.7%，表明水源地水質(zhì)具有顯著的季節(jié)差異性[17]。

表1 時間判別分析結(jié)果Tab.1 Results of temporal discriminant analysis

逐步判別篩選出WT、pH、EC、NO3-N和AC5個指標(biāo)進(jìn)行考察(見表2)，其正確率達(dá)到90.7%，表明篩選出的這些指標(biāo)能夠充分表征出水源地水質(zhì)的季節(jié)差異，同時也說明逐步判別分析模式具有極強的降維能力，運用這一分析方法有助于提高水質(zhì)監(jiān)測工作效率。

表2 時間判別分析典型變量及其系數(shù)Tab.2 Typical variables and their coefficients of temporal discriminant analysis

表征蘇州湖泊水源地水質(zhì)年內(nèi)季節(jié)差異的5個顯著指標(biāo)的箱線圖見圖6。結(jié)果表明，汛期5個顯著性水質(zhì)指標(biāo)均劣于非汛期。汛期夏秋季節(jié)湖泊水體溫度(WT)較高，水中浮游植物生產(chǎn)代謝能力旺盛，藻類爆發(fā)生長，因此水中藻密度(AC)通常在這段時間出現(xiàn)高峰[18]。同時較高的水溫也使得湖泊底泥沉積物的釋放增加，因此汛期硝態(tài)氮(NO3-N)的濃度高于非汛期[19]。此外，太湖流域降雨多集中在夏季(5-9月降雨量占全年總降雨量59.9%)，受雨水徑流影響，水源地附近工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污染物經(jīng)雨水淋溶后流入河湖，致使水體外源離子污染加劇[5]，水體電導(dǎo)率(EC)隨之提高。

圖6 顯著指標(biāo)的年內(nèi)季節(jié)變動Fig.6 Seasonal changes of significant indicators

2.2.2 水質(zhì)的空間分布特征

空間聚類分析結(jié)果如圖7，在(Dlink/Dmax)×100<15處，可將9個水源地分為3個組類：GⅠ為陽澄東湖及傀儡湖飲用水源地；GⅡ為常熟尚湖水源地；GⅢ為分布于太湖的6個水源地，包括浦莊、廟港、北亭子港、漁洋山、鎮(zhèn)湖和金墅港水源地。

圖7 空間聚類分析結(jié)果樹狀圖Fig.7 Dendrogram of spatial cluster analysis results

表3 空間判別分析結(jié)果Tab.3 Results of spatial discriminant analysis

表4 空間判別分析典型變量及其系數(shù)Tab.4 Typical variables and their coefficients of spatial discriminant analysis

圖8 顯著指標(biāo)的空間變動箱線圖Fig.8 Spatial changes of significant indicators

2.3 污染源分析

根據(jù)空間聚類確定的三組蘇州湖泊水源地類型，對其進(jìn)行主成分分析，每組各提取出3個主成分(PC)，結(jié)果如表5，當(dāng)某指標(biāo)與主成分相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.65時，即認(rèn)為該指標(biāo)與此主成分顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為正數(shù)時即為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為負(fù)數(shù)時即為負(fù)相關(guān)[22]。

表5 9個水源地空間分組的主成分分析Tab.5 Principal component analysis results at spatial scale of 9 water sources

對于GⅡ的常熟尚湖水源地，3個主成分累計方差貢獻(xiàn)率為58.24%。其中PC1(方差貢獻(xiàn)率為30.72%)與WT、BOD5正相關(guān)，與DO負(fù)相關(guān)。尚湖風(fēng)景區(qū)位于常熟西部，虞山西北角，遠(yuǎn)離人口密集的居民區(qū)和工業(yè)區(qū)，周圍生態(tài)環(huán)境良好，森林植被覆蓋率高[27]。PC1與水溫的相關(guān)性表明該主成分污染也具有季節(jié)性的特點，水溫與BOD5的正相關(guān)、與DO的負(fù)相關(guān)可以解釋為汛期水溫升高，水中藻類等浮游植物迎來生長旺期[28]，大量消耗溶解氧，釋放有機(jī)物，同時水溫較高時沉積物釋放的速度和濃度也會明顯增加。因此PC1可以解析為季節(jié)性的有機(jī)污染。PC2(方差貢獻(xiàn)率為15.57%)與TP顯著正相關(guān)，與pH顯著負(fù)相關(guān)，可能因為尚湖北側(cè)及虞山鎮(zhèn)周邊分布著相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)田，農(nóng)作物種植過程中人為排放的磷酸型化肥進(jìn)入尚湖水體，導(dǎo)致水體TP濃度超標(biāo)[29]，并且其中的酸性物質(zhì)日積月累對水體pH值造成影響[30]。因此PC2代表了一定程度的農(nóng)業(yè)磷污染。PC3(方差貢獻(xiàn)率為11.95%)與TN、NH3-N顯著相關(guān)，可以解析為非點源的氮污染。尚湖周邊分布較多數(shù)量的農(nóng)田，化肥農(nóng)藥等污染物經(jīng)雨水淋溶后，其中的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)極易隨徑流進(jìn)入湖泊水體，因此PC2、PC3可能來自于尚湖區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染。

總體來說，GⅠ的陽澄東湖和傀儡湖水源地水質(zhì)狀況由輕度污染向污染轉(zhuǎn)化，主要受到圍網(wǎng)養(yǎng)殖帶來的Chl.a和N、P等富營養(yǎng)污染。GⅡ的常熟尚湖水源地遠(yuǎn)離城區(qū)，周圍景區(qū)生態(tài)環(huán)境良好，因而水質(zhì)受污染程度較輕，主要受到季節(jié)性的有機(jī)污染及水源地周邊農(nóng)業(yè)種植帶來的面源污染。GⅢ的太湖6個水源地水質(zhì)狀況良好，周圍居民區(qū)和工業(yè)區(qū)較少，受外源氨態(tài)氮和內(nèi)源硝態(tài)氮復(fù)合的氮素污染影響較大。

3 結(jié) 論

基于蘇州9個湖泊水源地2006-2017年12年間17個水質(zhì)指標(biāo)的逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，其水質(zhì)評估、差異性特征分析表明：

(1)9個水源地內(nèi)梅羅污染指數(shù)均介于1.0～2.0之間，屬于輕度污染；9個水源地富營養(yǎng)狀況良好，年際變化呈上升趨勢，2016年大部分水源地達(dá)到輕度富營養(yǎng)，月際變化具有季節(jié)特征，汛期達(dá)到輕度富營養(yǎng)，顯著高于非汛期。

(2)時間尺度上可將9個水源地水質(zhì)特征全年聚類為兩個時段：時段Ⅰ為7-9月，時段Ⅱ為1-6月和11-12月；時間聚類結(jié)果對應(yīng)于蘇州地區(qū)汛期和非汛期。判別分析結(jié)果顯示，汛期溫度較高時水質(zhì)較差，內(nèi)源有機(jī)污染和外源離子污染加劇。

(3)空間尺度上可分為昆山(包括陽澄東湖和傀儡湖)、常熟(尚湖)及太湖(包括位于太湖的浦莊、廟港、北亭子港、漁陽山、鎮(zhèn)湖和金墅港)區(qū)域三組，與各水源地實際分布區(qū)域相符。判別分析結(jié)果表明，GⅠ水質(zhì)狀況最差，由輕度污染向污染轉(zhuǎn)化，有機(jī)污染和內(nèi)源離子污染程度較重，總體滿足地表水Ⅲ類；GⅡ、GⅢ水質(zhì)狀況相對良好，污染程度輕，總體滿足地表水Ⅱ類。

(4)運用主成分分析方法進(jìn)行的污染源分析結(jié)果表明：陽澄東湖和傀儡湖水源地主要Chl.a和N、P等富營養(yǎng)污染；常熟尚湖水源地主要受到季節(jié)性的有機(jī)污染及農(nóng)業(yè)面源污染；太湖水源地主要受到外源氨態(tài)氮和內(nèi)源硝態(tài)氮復(fù)合的氮素污染。