翟振起, 黃廷林, 陳 凡
(1.深圳市北部水源工程管理處 茜坑水庫管理所, 廣東 深圳 518110; 2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)
隨著深圳市人口爆發(fā)式增長和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,全市總用水量從2000年的12.27×108m3增加到了2019年的20.62×108m3[1]。與此同時,由于地理條件比較特殊,深圳市內(nèi)無大江大河大湖,本地水資源供給嚴(yán)重不足,絕大部分原水需從市外引入[2]。因此,調(diào)蓄型水庫成為深圳主要供水來源,保護水庫供水安全成為社會發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[3]。水質(zhì)評價作為水質(zhì)管理的重要措施之一,具有判別水質(zhì)類別、識別主要污染因子和解析水質(zhì)時空變化等作用。目前水質(zhì)評價常用的方法主要有單因子評價法、水質(zhì)綜合指數(shù)法、主成分分析法、灰色評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、層次分析法等[4-5],而識別水體污染物來源并定量估算其貢獻(xiàn)率,是有針對性實施水質(zhì)保障政策措施的重要依據(jù)[6]。對于水庫污染源解析通常包括定性識別水中污染物不同來源和通過建立污染物與其來源的因果對應(yīng)關(guān)系定量分析各污染源的相對貢獻(xiàn)兩個層面[7]。
粵港澳大灣區(qū)典型調(diào)蓄型水庫——茜坑水庫擔(dān)負(fù)著深圳市西北區(qū)域400萬人的供水任務(wù),近年來局部輕微水華偶有發(fā)生,嚴(yán)重影響供水安全。茜坑水庫水環(huán)境狀況已引起部分學(xué)者關(guān)注,例如:馬鑫標(biāo)[2]、楊瀅等[8]研究了茜坑水庫藻類污染成因,并提出了治理對策;陳麗光等[9]分析了茜坑水庫輪蟲群落結(jié)構(gòu)組成和動態(tài);李良庚[10]、巫林和[11]對茜坑水庫的生態(tài)建設(shè)進(jìn)行了探索。然而,對于茜坑水庫水質(zhì)狀況和主要污染因子的詳細(xì)報道較為罕見。因此,本文選取茜坑水庫關(guān)鍵斷面作為研究對象,分析2019年全年水質(zhì)數(shù)據(jù)。采用水質(zhì)綜合指數(shù)法、因子分析法和絕對主成分多元線性回歸分析模型綜合評價水庫水質(zhì)狀況,識別污染因子,估算主要污染源貢獻(xiàn)率,為茜坑水庫提升水環(huán)境質(zhì)量及保障飲用水安全提供參考,同時為南方眾多調(diào)蓄型水庫水質(zhì)評價提供借鑒。
茜坑水庫位于深圳市龍華區(qū)福城街道,既是深圳北部水源工程的轉(zhuǎn)輸調(diào)蓄水庫,也是龍華區(qū)唯一的中型水庫。水庫總庫容為1 982×104m3,洪水位為75.2 m,死水位為55.3 m,水面面積為1.6 km2,水庫集雨面積為4.43 km2,無入庫支流,原水由東江東深干渠供應(yīng)。茜坑水庫屬于亞熱帶海洋性氣候區(qū),區(qū)域多年平均降雨量為1 918.6 mm,太陽總輻射量較大,日照時間長,氣候溫和,冬季不明顯。2019年深圳年平均氣溫為24 ℃,較常年偏高;全年總?cè)照諘r數(shù)為1 868.7 h,比常年(1 837.6 h)偏多31.1 h;年降雨量為1 882.9 mm,比多年平均值略偏少,其中,3月降雨量異常偏多,4月偏多,1、11、12月異常偏少[12]。
選取茜坑水庫庫中(S1)和水庫水進(jìn)入水廠的出水口處(S2)兩個典型采樣點(如圖1所示)。采樣時間為2019年1-12月,每月月初按照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)采集表層水(0.5 m)樣品。由于水庫已進(jìn)行完全封閉管理多年,不存在明顯的農(nóng)業(yè)面源污染和工業(yè)污染,故選取pH、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3—N)、硝酸鹽氮(NO3—N)、總氮(total nitrogen, TN)、總磷(total phosphorus, TP)、鐵(Fe)和錳(Mn)等8個典型指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)分析。各水質(zhì)指標(biāo)分析方法和目標(biāo)限值參考的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范見表1。
圖1 茜坑水庫及典型采樣點位置示意圖
表1 各水質(zhì)指標(biāo)檢測方法及其目標(biāo)限值
相關(guān)性分析能反映不同水質(zhì)指標(biāo)間的線性關(guān)系強度,因此采用相關(guān)系數(shù)(r)進(jìn)行關(guān)系強度數(shù)值度量[13]。由于茜坑水庫全年水質(zhì)數(shù)據(jù)不完全具有正態(tài)性分布的特點,故采用根據(jù)各水質(zhì)數(shù)據(jù)之間秩進(jìn)行排序進(jìn)而計算的Spearman系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。
水質(zhì)綜合指數(shù)法(water quality composite index, WQI)能將茜坑水庫各種水質(zhì)參數(shù)整合為一個能夠代表整體水質(zhì)的無量綱數(shù),可以綜合反映水庫水環(huán)境質(zhì)量狀況,對于水質(zhì)規(guī)律分析和制定環(huán)境政策均通俗易用[14]。計算時對水庫每個所選水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,權(quán)重取值則根據(jù)不同指標(biāo)對水質(zhì)的影響程度賦予1~4。1代表對水質(zhì)影響較小,4代表對水質(zhì)影響較大。具體取值結(jié)合茜坑水庫調(diào)蓄型水源水庫背景、歷史水質(zhì)情況以及參考文獻(xiàn)[15]進(jìn)行因地制宜取值。水質(zhì)綜合指數(shù)Iw的計算如公式(1)、(2)所示。
(1)
Wi=wi/∑wi
(2)
式中:wi為水質(zhì)指標(biāo)i的權(quán)重,各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重分別取值為pH=4,CODMn=4,NH3—N=2,NO3—N=2,TN=3,TP=4,F(xiàn)e=1,Mn=1;∑wi為各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重總和;Wi為水質(zhì)指標(biāo)i的權(quán)重占各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重總和的比例;Ci和Si分別為水質(zhì)指標(biāo)i的測量濃度和地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值,mg/L。根據(jù)Iw值將水質(zhì)分為5個等級:優(yōu)(Iw≤50),好(Iw=51~100),良(Iw=101~200),差(Iw=201~300),極差(Iw>300)[14]。
Mann-Kendall秩檢驗法為廣泛應(yīng)用于水文、氣象、環(huán)境等領(lǐng)域的趨勢分析方法,該方法具有不需要數(shù)據(jù)服從特定的分布、允許數(shù)據(jù)有缺失等優(yōu)勢,檢驗結(jié)果由Kendall’s tau值(z值)驗證。如果p<0.05,則認(rèn)為趨勢是存在的,z值的正負(fù)決定了趨勢是增大(正)還是減小(負(fù))[16]。計算通過R(“trend”包)程序完成。
因子分析法(factor analysis, FA)為目前應(yīng)用最為廣泛的水體污染解析方法之一。FA用監(jiān)測數(shù)據(jù)中不同指標(biāo)之間的相互關(guān)系建立矩陣,通過降維減少變量數(shù)目、簡化問題,從而識別水體主要(潛在)污染因子,為決策者建立高效合理的水環(huán)境管理方案提供參考[17]。KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗和Bartlett球形度檢驗可驗證FA在數(shù)據(jù)集上的適用性。KMO檢驗是抽樣充分性的一種度量,它提供了介于0和1之間的指數(shù),反映了變量之間的方差比例,而Bartlett球形度檢驗表明了是否存在相關(guān)的矩陣關(guān)系。本研究KMO和Bartlett檢驗結(jié)果KMO值為0.513、p=0.001,表明數(shù)據(jù)滿足分析要求。另外,所有水庫水質(zhì)數(shù)據(jù)均通過標(biāo)準(zhǔn)化處理,以避免由各種參數(shù)測量單位的差異而造成的誤差。
絕對主成分多元線性回歸分析模型(absolute pricipal component score-multivariate linear regression APCS-MLR)通過因子分析確定污染源的數(shù)量和種類,可以有效對各類污染源的貢獻(xiàn)率進(jìn)行量化分析[18]。以根據(jù)其特征向量和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)得到的絕對主成分得分(APCS)為自變量、以實測水質(zhì)指標(biāo)濃度為因變量進(jìn)行多元線性回歸計算得到各污染源的平均貢獻(xiàn)率,從而確定主要污染源對水體各評價指標(biāo)的影響程度,如公式(3)所示。
(3)
式中:Ck為水質(zhì)指標(biāo)k在單次檢測中濃度,mg/L;a0為常數(shù)項; APCSjk為絕對主成分得分;Aj為回歸系數(shù);Aj·APCSjk為某個污染源j對水質(zhì)指標(biāo)k的貢獻(xiàn)濃度,mg/L。所有檢測樣本Aj·APCSjk的平均值與Ck的平均值的比值即為某個污染源對水質(zhì)指標(biāo)k的貢獻(xiàn)率,具體計算過程參考文獻(xiàn)[19]、[20]。
對所選取的茜坑水庫S1和S2采樣點所有水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行逐月配對Wilcoxon符號秩檢驗,結(jié)果顯示所有水質(zhì)指標(biāo)在分布上不存在顯著不同(p>0.01),因此后續(xù)分析取S1和S2兩個采樣點數(shù)據(jù)的平均值代表水庫水質(zhì)。
2019年1-12月茜坑水庫各水質(zhì)指標(biāo)濃度變化如圖2所示,各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果如圖3所示。對圖2、3中的結(jié)果綜合分析如下:
pH作為水庫基礎(chǔ)指標(biāo)之一,是水庫中各種離子酸堿平衡綜合作用的體現(xiàn)。pH在2-8月份均保持在8以上,6月份pH達(dá)到最高值9.8,其余月份pH數(shù)值為7~8,水庫水質(zhì)呈現(xiàn)穩(wěn)定的堿性狀態(tài)(圖2(a))。由于茜坑水庫無明顯外源污染,pH變化主要受浮游植物光合作用的影響[21],水庫浮游植物大量繁殖后產(chǎn)生較強的光合作用能夠攝取超量CO2,當(dāng)水庫水體游離CO2不足時,只能從水中HCO3-獲取并釋放出OH-使水體pH升高。而6月份較高溫度和強烈光照造成浮游植物大量繁殖是pH在此期間偏高的主要原因。CODMn表現(xiàn)出類似規(guī)律(圖2(b)),浮游植物數(shù)量較多的4-7月份濃度明顯大于其他月份,6月份達(dá)到極大值6.30 mg/L,超過地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),其他月份CODMn濃度較小,僅為1.46~2.00 mg/L,說明水庫CODMn受浮游植物影響明顯。Kukrer等[14]研究表明,初級生產(chǎn)力的增加會使水體有機物顯著增加,造成CODMn濃度增大。相關(guān)性分析結(jié)果(圖3)表明,CODMn與pH表現(xiàn)出高度的相關(guān)性(r=0.75,p<0.01),這也說明兩者主要影響因素高度同源,均為浮游植物。
對于氮素,NO3—N和TN表現(xiàn)出強烈相關(guān)性(r=0.74,p<0.01),說明兩者變化基本一致(圖3)。6-9月份兩者濃度處于全年較低水平,其原因可能是該階段浮游植物生長需要攝取大量氮素,其他月份濃度變化不大(圖2(d)、2(e))。與大多數(shù)水庫TN濃度較高類似[22-23],茜坑水庫TN濃度為0.54~1.73 mg/L(圖2(e)),全年均超過地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(0.50 mg/L),部分月份甚至大于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)(1.50 mg/L),氮負(fù)荷較高是茜坑水庫亟需解決的難題之一。相反,水庫全年的NH3—N濃度在0.02~0.08 mg/L范圍內(nèi)(圖2(c)),處于較低水平,說明水庫具有一定的自凈能力,硝化作用是水庫氮循環(huán)的主要途徑[24]。從TN的組成成分來看,NO3—N全年占比保持在71%±9%,說明NO3—N占水庫氮素的絕大部分,有機氮污染較少。水庫TP濃度全年保持在0.010~0.022 mg/L之間(圖2(f)),呈現(xiàn)出較低水平并滿足地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。水庫全年氮磷比(TN/TP)為62~136,遠(yuǎn)大于適合浮游植物生長的氮磷比值16[25],說明磷是限制茜坑水庫浮游植物生長的因素之一。
圖2 2019年1-12月茜坑水庫各水質(zhì)指標(biāo)濃度變化
注:n=12,“*”表示P<0.05水平顯著, “**”表示P<0.01水平顯著。
茜坑水庫Fe和Mn全年濃度分別0.014~0.150 mg/L和0.002 0~0.015 5 mg/L(圖2(g)、2(h)),均未超過地表水限值。從變化趨勢上看,兩者均存在較大波動,但變化趨勢基本一致,相關(guān)性強烈(r=0.82,p<0.01)。1-4月份Fe和Mn濃度基本保持較低水平,5月份以后,兩者濃度出現(xiàn)明顯增長且維持較高濃度。Fe和Mn在水體中的循環(huán)過程非常類似[26],通常有著相同的變化規(guī)律。研究表明水庫中Fe和Mn濃度均主要受外源輸入和內(nèi)源釋放的影響[27],其中外源輸入主要與引水帶來的負(fù)荷有關(guān),而內(nèi)源釋放則可能是由于外界擾動、底層厭氧等因素引起沉積物釋放。對于茜坑水庫兩者濃度在5月份均突然增加的情況,考慮與汛期降水沖刷河流導(dǎo)致引水帶入和水庫分層底層厭氧沉積物釋放有密切關(guān)系。 由于污染來源基本一致, 因而Fe和Mn相關(guān)系數(shù)較高。另外5月份以后茜坑水庫的Fe和Mn均保持較高濃度,其可能的原因是無論外源或內(nèi)源負(fù)荷,F(xiàn)e和Mn在水體中的滯留率和停留時間均較高[27]。因而5月份以后Fe和Mn的增長對于水庫水質(zhì)的影響需引起關(guān)注。另外,pH與Mn濃度呈較強的負(fù)相關(guān)(r=-0.75,p<0.01),而與Fe濃度未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。可能原因是水庫水體長期保持弱堿性環(huán)境,Mn的氧化速度遠(yuǎn)小于Fe[26],F(xiàn)e被迅速氧化后穩(wěn)定存在于水體中,而Mn的氧化速度較慢,因而其濃度變化受pH影響較大。
基于WQI法計算的2019年1-12月茜坑水庫水質(zhì)綜合指數(shù)Iw如圖4所示。由圖4可看出,茜坑水庫全年水質(zhì)綜合指數(shù)在52~103之間,均值為78,總體處于“好”水平,其中4和6月份水質(zhì)為“良”,其他月份均為“好”,說明茜坑水庫水質(zhì)滿足供水要求。同時注意到茜坑水庫總體水質(zhì)變化并未呈現(xiàn)出大多數(shù)水庫[28-30]出現(xiàn)的汛期(5-9月)水質(zhì)明顯差于非汛期的狀況,這說明汛期降雨引起的面源污染不是影響水庫水質(zhì)的主要原因。這與茜坑水庫作為調(diào)蓄型水庫的特征密切相關(guān),按照水庫年均2.6×108m3的引水量計算,水庫引水量約是其自身庫容的13倍,因此外來引水所帶來的污染匯入影響遠(yuǎn)大于其自身面源污染。另外,利用Mann-Kendall趨勢檢驗分析水質(zhì)綜合指數(shù)變化趨勢,結(jié)果為z=-2.13,p=0.03<0.05(n=12),說明茜坑水庫水質(zhì)綜合指數(shù)呈顯著減小趨勢。近幾年來,茜坑水庫在水質(zhì)防治方面采取了多種措施,例如:通過優(yōu)化水源調(diào)度,采用多進(jìn)水多出水策略,加速水體交換,改善水庫水力條件;投放白鰱魚、鳙魚進(jìn)行生物防治,在一定程度上控制浮游植物生長;實施隔離圍網(wǎng)項目全面加強水源保護,切斷所有人為污染源等。這些措施的協(xié)同效應(yīng)使得茜坑水庫水質(zhì)整體呈現(xiàn)出逐漸向好的趨勢。
圖4 2019年1-12月茜坑水庫水質(zhì)綜合指數(shù)Iw
對8個水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行因子分析,各水質(zhì)指標(biāo)對于每個因子的方差用特征值來表示,即代表了各因子對整個水質(zhì)信息解釋貢獻(xiàn)度。解釋度表示為該因子特征值與所有因子特征值之和的比值,累計解釋度為所有解釋度值之和。一般取特征值大于1為有效因子,對于茜坑水庫共有3組數(shù)據(jù)(VF1=3.09,VF2= 2.69,VF3=1.00)符合要求,因此因子分析只考慮前3個因子。提取前3個因子,累計解釋度達(dá)84.71%,大于多數(shù)同類研究結(jié)果[31-33],表明該3個因子能較好地代表水質(zhì)評價原始數(shù)據(jù)中的水質(zhì)信息。各水質(zhì)指標(biāo)的因子分析結(jié)果如表2所示。按照因子得分值為大于0.75、0.75~0.50和0.50~0.30,其與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系可相應(yīng)地分為強相關(guān)、中等相關(guān)和弱相關(guān)3類[34]。
表2 各水質(zhì)指標(biāo)的因子分析結(jié)果(最大方差法)
第1個因子(VF1)解釋了整個數(shù)據(jù)集的38.68%,與TN和NO3—N呈強正相關(guān),與TP呈中等正相關(guān)。這一因子可歸納為與引水匯入相關(guān)。茜坑水庫引水來源為東江河流水,目前河流地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)低于湖庫水,造成引水質(zhì)量劣于水庫水質(zhì)的供水要求,給水庫帶來大量營養(yǎng)鹽負(fù)荷,造成水質(zhì)供需矛盾。另外,引水工程改變了水庫原有的進(jìn)口水動力-水質(zhì)條件,必然影響庫區(qū)水質(zhì)變化[35]。與此同時茜坑水庫由于自身地形特點存在較多庫灣,一旦引入過多污染物質(zhì)將會使得水庫污染物濃度峰值更高、滯留時間更長,從而放大了引水負(fù)荷對水庫水質(zhì)的影響。
第2個因子(VF2) 解釋了整個數(shù)據(jù)集的33.64%,與pH和CODMn呈強正相關(guān),與TP呈中等正相關(guān)。前述分析表明pH和CODMn變化與水庫浮游植物密切相關(guān),同時浮游植物可以將顆粒態(tài)磷轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)增加了水體磷負(fù)荷[36],說明此因子代表了浮游植物變化對水庫水質(zhì)的影響。水庫地處(亞)熱帶地區(qū),氣溫高且日照久,適合浮游植物生長,一旦其數(shù)量超過閾值將會改變水庫物質(zhì)循環(huán)和能量流動[37],嚴(yán)重破壞水生態(tài)健康。另外,部分浮游植物繁殖對飲用水安全有巨大影響[38],例如藍(lán)藻藻毒素對人體健康危害嚴(yán)重。
第3個因子(VF3)對整個數(shù)據(jù)集的解釋度為12.39%,與Fe和Mn呈強正相關(guān),說明該因子與內(nèi)源釋放對水庫水質(zhì)的影響有關(guān)。茜坑水庫主庫區(qū)平均水深大于15 m,滿足形成水體熱分層的條件[39],夏季庫中水體會出現(xiàn)明顯的熱分層從而引起水質(zhì)惡化,包括底層溶解氧降低、沉積物中Fe和Mn向水體釋放等[40]。
通過因子分析確定了3個主要污染源,即引水匯入、浮游植物和內(nèi)源釋放,利用 APCS-MLR 計算各主要污染源對于茜坑水庫水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率,結(jié)果見表3。
表3 主要污染源對各水質(zhì)指標(biāo)貢獻(xiàn)率
由表3中回歸方程R2值以及預(yù)測值與實測值的比值可知,除NH3—N和TP外,其他水質(zhì)指標(biāo)在模型擬合結(jié)果中均有較好表現(xiàn)。NH3—N因其濃度很低,模型擬合結(jié)果不能說明主要問題,而水庫中由于TP含量較小且其易受到流域匯入、沉降與釋放、生物循環(huán)和大氣沉降等多種因素的影響,故其擬合結(jié)果較差,因此這兩種物質(zhì)不參與后續(xù)污染源貢獻(xiàn)率的計算。
引水匯入對NO3—N和TN的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到58.6%和44.1%,這說明水體中的氮負(fù)荷有超過一半來自引水。浮游植物對CODMn的貢獻(xiàn)率達(dá)到40.0%,應(yīng)警惕浮游植物對水體的有機污染。內(nèi)源釋放對NH3—N 、Fe和Mn的貢獻(xiàn)率較大,分別為43.0%、53.1%和46.2%,對其他指標(biāo)影響不大。從回歸結(jié)果綜合來看,不存在某種污染源對某一指標(biāo)的影響占絕對主導(dǎo)地位的情況,這說明茜坑水庫與天然湖泊類似,其水質(zhì)變化同樣受到包括水動力、水生態(tài)和外界環(huán)境等多方面的綜合影響,這必然對水源水庫的水質(zhì)管理帶來巨大挑戰(zhàn)。另外,由于所分析的水樣均在水庫表層采集,在水庫分層期間其分析結(jié)果不能完全代表水庫的水質(zhì)狀況,若要準(zhǔn)確掌握水庫水質(zhì)的變化規(guī)律,應(yīng)在分層期進(jìn)行垂向采樣。
因此,未來在水庫管理上,一方面需加強浮游植物監(jiān)測,掌握其數(shù)量和群落變化,提前預(yù)警其對水庫的影響;另一方面應(yīng)盡量改善引水水質(zhì)并采取工程措施消除水體分層,抑制內(nèi)源釋放,才能從根源上提升水庫的水環(huán)境質(zhì)量。
(1)茜坑水庫8種典型水質(zhì)指標(biāo)大部分情況下滿足地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)且波動較小。pH和CODMn指標(biāo)在部分月份超標(biāo)的原因是浮游植物大量繁殖。TN作為主要污染物應(yīng)采取減量措施,特別是減少引水所帶來的負(fù)荷。磷是限制水庫中浮游植物生長的因素之一。Fe和Mn濃度較低,但呈現(xiàn)出增長趨勢,應(yīng)重點關(guān)注。
(2)通過WQI指數(shù)分析可知,茜坑水庫全年水質(zhì)狀況整體較好,滿足供水要求。經(jīng)Mann-Kendall檢驗表明水質(zhì)趨好,驗證了近年來對水庫采取多種治理措施的有效性。
(3)通過因子分析法和絕對主成分多元線性回歸分析可知,茜坑水庫水質(zhì)受多種因素的影響,其中直接影響因素為浮游植物,而引水匯入和內(nèi)源釋放為關(guān)鍵影響因素。