薛世勤,王立權(quán),李鐵男,邱朋朋,戴韜嚴(yán),孟慶燁,宮遠(yuǎn)喬

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 150080)

0 引言

保障飲用水質(zhì)量和原水質(zhì)量對(duì)公眾健康的重要性已經(jīng)受到廣泛關(guān)注,對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)非常重要[1]。 一個(gè)地區(qū)水資源的時(shí)空變化通常是由氣候和地形的變化導(dǎo)致[2],±地利用類型和人類活動(dòng)也是重要的影響因素。 水資源的時(shí)空分布特征對(duì)水資源管理、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和水生生態(tài)系統(tǒng)均有影響[3]。 因此,分析水質(zhì)時(shí)空分布規(guī)律,解析污染來源成為改善水環(huán)境質(zhì)量的前提條件[4]。 目前,聚類分析、因子分析、主成分分析等傳統(tǒng)多元統(tǒng)計(jì)方法被廣泛應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中[5-8],國內(nèi)外學(xué)者利用多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)黃河[9-10]、太湖[11]、淮河[12]和±耳其克孜勒河[13]等流域的水質(zhì)時(shí)空分布特征和污染物來源進(jìn)行了分析和識(shí)別,但上述研究都以內(nèi)陸河流域水質(zhì)污染源解析等方面為主,對(duì)于寒區(qū)地表水的研究相對(duì)較少,而且只單獨(dú)討論了水質(zhì)在時(shí)間和空間尺度上的異質(zhì)性,忽略了時(shí)間對(duì)空間分布規(guī)律的影響和流域間的相互作用。 此外,東北地區(qū)河流冰封期長,徑流量年際變化大,相較于中南部地區(qū)河流有其特殊性。

倭肯河是松花江右岸的一級(jí)支流,是七臺(tái)河市、勃利縣、樺南縣和依蘭縣的主要工農(nóng)業(yè)用水水源。 近些年來,倭肯河沿岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)導(dǎo)致倭肯河水體污染負(fù)荷嚴(yán)重,水體物理化學(xué)成分等水文要素發(fā)生極大改變[14],嚴(yán)重影響到河流流域生態(tài)環(huán)境健康和水質(zhì)安全。 以往對(duì)倭肯河的研究多是對(duì)各河段上水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-16],而未能對(duì)水質(zhì)時(shí)空分布和污染物來源進(jìn)行分析。因此,本文以2020-2021 年倭肯河4 個(gè)監(jiān)測斷面的6 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)為研究對(duì)象,應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)的方法,分析水質(zhì)時(shí)空分布差異,結(jié)合主成分分析解析水質(zhì)污染的主要驅(qū)動(dòng)因子,并對(duì)河流各區(qū)段水質(zhì)的相互影響進(jìn)行探究,同時(shí)應(yīng)用CCNE-WQI 法對(duì)倭肯河水質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià),以期為倭肯河流域水環(huán)境改善和水安全保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

倭肯河發(fā)源于完達(dá)山西側(cè),流經(jīng)七臺(tái)河市和勃利縣、樺南縣,于哈爾濱市依蘭縣東北側(cè)匯入松花江,其干流全長約為450km,流域面積為1 101 500hm2。 流域內(nèi)氣候冬季寒冷干燥,夏季溫暖濕潤,多年平均氣溫1. 5℃～3. 9℃,多年平均降雨量479～569mm[14]。 倭肯河沿岸農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),流域內(nèi)耕地總面積262 000hm2,作物主要為玉米、水稻和豆類[15]。

1.2 樣品采集與分析

本研究于2020 年1 月至2021 年12 月,選擇4個(gè)具有代表性的監(jiān)測斷面,每月采集1 次水樣。 野外使用便攜式水質(zhì)儀監(jiān)測溶解氧(DO)和電導(dǎo)率(EC),室內(nèi)測定高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(COD)和總磷(TP),樣品保存和分析方法嚴(yán)格參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[17],所有指標(biāo)平行測定3 次并取平均值。 見圖1。

圖1 研究區(qū)域地理位置及采樣點(diǎn)分布示意圖

1.3 研究方法

1.3.1 多元統(tǒng)計(jì)方法

本研究運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法,研究倭肯河的水質(zhì)數(shù)據(jù),其中包括：①聚類分析(CA)。 運(yùn)用離差平方和法(WARD 法),使用歐式平方距離作為度量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)倭肯河水質(zhì)數(shù)據(jù)的時(shí)間分布進(jìn)行聚類。 ②主成分分析(PCA)。 計(jì)算污染來源對(duì)6 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。 ③Spearman 相關(guān)性分析。 應(yīng)用Spearman相關(guān)系數(shù),對(duì)各指標(biāo)間的相關(guān)度進(jìn)行分析,探究倭肯河不同區(qū)間各河段水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性。

1.3.2 CCME-WQI 水質(zhì)指數(shù)

本研究采用加拿大環(huán)境部長理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)(CCME-WQI),對(duì)倭肯河水質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。 CCME-WQI 是在哥倫比亞大學(xué)公布的水質(zhì)指數(shù)基礎(chǔ)上確定的[18],因其靈活的適用性,在我國水質(zhì)評(píng)價(jià)中得到較廣泛應(yīng)用[7,19-21],可從定性和定量的角度評(píng)估目標(biāo)水體質(zhì)量是否符合指定的水質(zhì)目標(biāo)[7]。 本研究采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB 3838-2002) 中Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22],該方法從范圍(F1)、頻率(F2)和振幅(F3)3 個(gè)方面對(duì)倭肯河水污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)判。 公式如下：

式中：F1為測量不符合目標(biāo)的水質(zhì)參數(shù)占選定參數(shù)總數(shù)量的百分比;F2為未達(dá)到目標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占總監(jiān)測數(shù)據(jù)的百分比;F3為未達(dá)標(biāo)的監(jiān)測值不滿足規(guī)定目標(biāo)(標(biāo)準(zhǔn)值)的數(shù)量,測試有多少目標(biāo)被超過;P為超標(biāo)水質(zhì)參數(shù)的個(gè)數(shù);N為水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目總數(shù);q為歸一化參數(shù),即各監(jiān)測項(xiàng)目超標(biāo)倍數(shù)加和與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)總數(shù)之比;M為水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)總數(shù);S為不達(dá)標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測值偏離標(biāo)準(zhǔn)值的倍數(shù)。

當(dāng)監(jiān)測值不能超過目標(biāo)值時(shí)：

式中：ci為實(shí)測值;csi為對(duì)應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值。

CCME-WQI 的結(jié)果取值范圍為0～100,其中0 表示水質(zhì)極差,100 表示水質(zhì)優(yōu)良。 由于CCME-WQI 值的級(jí)別分類有一定主觀性,本研究結(jié)合該流域資料和專家意見,對(duì)CCME-WQI 的分類進(jìn)行一定調(diào)整,結(jié)果見表1。

表1 CCME-WQI 結(jié)果取值分類

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標(biāo)特征時(shí)間聚類

應(yīng)用CA 對(duì)倭肯河2020-2021 年的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間尺度上的聚類,結(jié)果見圖2。 倭肯河流域冬季結(jié)冰期長,夏季河流流量變化大,按照常規(guī)的季節(jié)分類不合理。 因此,將倭肯河水質(zhì)指標(biāo)依據(jù)其特性分為3 個(gè)時(shí)段,分別為枯水期(11 月份、12 月份、1 月份),平水期(2-6 月份)和豐水期(7-10 月份)。

圖2 倭肯河水質(zhì)指標(biāo)時(shí)間聚類譜系圖

2.2 水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空分布差異

對(duì)倭肯河水質(zhì)6 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行時(shí)空分布差異分析,倭肯河各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)濃度變化見圖3。

圖3 倭肯河各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)濃度變化

溶解氧：倭肯河枯水期ρ(DO)范圍7. 2～13.25mg/L,平均值11.47mg/L;平水期ρ(DO)范圍6.4～12.95mg/L,平均值9.48mg/L;豐水期ρ(DO)范圍6.5～10. 65mg/L,平均值7. 96mg/L,均達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn),水體中氧氣含量較高。 在時(shí)間上,枯水期ρ(DO)>平水期ρ(DO)和豐水期ρ(DO);在空間上,豐水期各監(jiān)測斷面ρ(DO)無顯著變化,枯水期上游ρ(DO)高于下游,可能是由于上游流域植被覆蓋率高,空氣中氧氣的溶解和水生植物的光合作用更充足。

高錳酸鹽指數(shù)：倭肯河枯水期ρ(CODMn)范圍3.60～8.67mg/L,平均值5.87mg/L;平水期ρ(CODMn)范圍4.30～7.20mg/L,平均值5.77mg/L;豐水期ρ(CODMn)范圍5.25～9.85mg/L,平均值6.40mg/L。 在時(shí)間上,豐水期ρ(CODMn)整體高于枯水期和平水期,這與豐水期降雨增多、面源污染加劇有關(guān);在空間上,從上游到下游ρ(CODMn)整體上呈下降趨勢,這是由于隨著地表匯流,倭肯河流量從上游到下游逐漸增大,CODMn濃度得到稀釋。

氨氮：倭肯河枯水期ρ(NH3-N)范圍0.21～1.03mg/L,平均值0. 56mg/L;平水期ρ(NH3-N)范圍0.15～1.41mg/L,平均值0.57mg/L;豐水期ρ(NH3-N) 范圍 0. 13 ～ 0. 42mg/L, 平均值0.27mg/L。 在時(shí)間上,豐水期ρ(NH3-N)在降雨和地表匯流的稀釋作用下小于枯水期和平水期;在空間上,搶肯和倭肯河口內(nèi)兩處監(jiān)測斷面枯水期和平水期ρ(NH3-N)均較高,應(yīng)該是由于七臺(tái)河市眾多煤礦煤場排污以及依蘭縣的3 家工業(yè)排污等點(diǎn)源污染造成[14]。

化學(xué)需氧量：倭肯河枯水期ρ(COD)范圍13.50～27.25mg/L,平均值為17.44mg/L;平水期ρ(COD) 范圍13. 75 ～ 26. 00mg/L,平均值為19.54mg/L;豐水期ρ(COD) 范圍15. 50 ～30.50mg/L,平均值19.43mg/L。 在時(shí)間上,平水期和豐水期ρ(COD)較枯水期有增大,表明倭肯河水體中的有機(jī)污染物是隨著降雨增多,雨水將±壤中的有機(jī)物攜帶入河流。 在空間上,桃山水庫ρ(COD)略高,其余監(jiān)測斷面無顯著變化。

總磷：倭肯河枯水期ρ(TP)范圍0. 034～0.145mg/L,平均值0.083mg/L;平水期ρ(TP)范圍0.055～0. 210mg/L,平均值0. 131mg/L;豐水期ρ(TP) 范圍0. 068 ～ 0. 223mg/L,平均值0.127mg/L。 在時(shí)間上,枯水期ρ(TP)低于平水期和豐水期,表明倭肯河的含磷營養(yǎng)鹽來源也與降雨和地表匯流相關(guān)。 桃山水庫的ρ(TP)在枯水期和豐水期有顯著差異,可能是豐水期雨量充沛,倭肯河流量增大,±壤中的磷隨著水流進(jìn)入水庫后流速減緩,營養(yǎng)鹽開始富集,加上底部淤泥釋放,造成TP 顯著升高。 在空間上,倭肯河水體整體含磷營養(yǎng)鹽污染較低,各監(jiān)測斷面無顯著變化。

2.3 污染源解析

針對(duì)倭肯河水質(zhì)指標(biāo),應(yīng)用PCA 解析該流域主要污染因子及其來源,PCA 的前提是變量間的相關(guān)性分析[23]。 對(duì)電導(dǎo)率、DO、CODMn、NH3-N、COD 和TP 進(jìn)行KMO 和Barlett 球形度檢驗(yàn),枯水期(0.708,<0.01),平水期(0.733,<0.01)和豐水期(0.761,<0.01)3 個(gè)時(shí)段的KMO 系數(shù)值均大于0.5,Barlett 球形度檢驗(yàn)小于0.05,可以進(jìn)行主成分分析。

主成分分析結(jié)果見圖4。 枯水期、平水期和豐水期各有2 個(gè)主成分特征值>1,分別解釋了各時(shí)段水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)集總方差的80.39%、70.18%、71.15%。

圖4 倭肯河水質(zhì)指標(biāo)主成分分析

枯水期：PC1(總方差的53.5%)對(duì)TP(荷載系數(shù)：0.51)有較強(qiáng)正載荷;PC2(總方差的26.9%)對(duì)DO、NH3-N 和CODMn(荷載系數(shù)：0.55,0.54,0.44)具有較強(qiáng)正荷載。 枯水期倭肯河冰層較厚,減少了來自外源污染的輸入,因此磷和有機(jī)物的主要污染來源是內(nèi)源釋放,以及工業(yè)排放污水和牲畜養(yǎng)殖等點(diǎn)源污染。

平水期：PC1(總方差的44.3%)對(duì)NH3-N 和電導(dǎo)率(荷載系數(shù)：0.54,0.57)具有較強(qiáng)正荷載,對(duì)TP(荷載系數(shù)：-0.43)有負(fù)荷載;PC2(總方差的26.8%)對(duì)CODMn和COD(荷載系數(shù)：0.57,0.56)具有較強(qiáng)正荷載。 該時(shí)段冰層融化,河流流量逐漸增大,由于水溫較低,水體中溶解氧含濃度低,進(jìn)入倭肯河中的有機(jī)氮在微生物作用下逐漸分解成無機(jī)氮,最后產(chǎn)生氨。 主要污染物來源是生活污水和工業(yè)廢水,以及大氣中的氨隨著降雨進(jìn)入水體。

豐水期：PC1(總方差的51.4%)對(duì)CODMn和COD(荷載系數(shù)：0.52,0.47)具有較強(qiáng)正荷載;PC2(總方差的21. 8%)對(duì)TP 和電導(dǎo)率(荷載系數(shù)：0.47,0.72)具有較強(qiáng)正荷載。 CODMn和COD 都代表水體中有機(jī)污染的嚴(yán)重程度,豐水期伴隨著充沛的降雨,農(nóng)業(yè)種植活動(dòng)中大量化肥農(nóng)藥進(jìn)入±壤,隨著降雨沖刷±壤和農(nóng)田排水進(jìn)入水體,造成嚴(yán)重的有機(jī)物面源污染[24]。 城市和農(nóng)村生活污水排放的點(diǎn)源污染和雨水沖刷路面的面源污染,也是造成含磷營養(yǎng)鹽污染的主要原因。

2.4 不同流域水質(zhì)相關(guān)性分析

為了探究倭肯河不同流域水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)程度,應(yīng)用Spearman 相關(guān)系數(shù)法,對(duì)倭肯河的6 項(xiàng)水質(zhì)數(shù)據(jù)(電導(dǎo)率、DO、CODMn、NH3-N、COD 和TP)進(jìn)行相關(guān)性分析。 見圖5。

圖5 倭肯河各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性熱圖

由圖5(a)可知,在枯水期,電導(dǎo)率與NH3-N有顯著正相關(guān)性(r=0.96,P<0.05),與TP 有顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.73,P<0.05)。 COD 與高錳酸鹽指數(shù)有顯著正相關(guān)性(r=0.63,P<0.05),與DO 有顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.64,P<0.05)。 COD 和高錳酸鹽指數(shù)均表征水體中有機(jī)物和石油類污染物。由圖5 可知,倭肯河上游電導(dǎo)率和NH3-N 濃度均低于下游,而上游TP、COD 和高錳酸鹽指數(shù)較高,可能是枯水期桃山水庫水體交換能力差,七臺(tái)河市生活污水的排放等點(diǎn)源污染以及底部沉積物中可溶性元素或離子的內(nèi)源釋放。 隨著中下游倭肯河流量增大,總磷濃度得到稀釋。 枯水期桃山水庫流速緩慢,水體中細(xì)菌繁殖快,水體中的硝化細(xì)菌經(jīng)過硝化作用,將氨氮轉(zhuǎn)換成亞硝酸鹽和硝酸鹽,氨氮濃度降低。 而倭肯河中下游城鎮(zhèn)較多,工業(yè)廢水排放使水體中金屬離子和無機(jī)鹽積累,電導(dǎo)率和氨氮含量升高。

由圖5(b)可知,在平水期,倭肯河的水質(zhì)指標(biāo)中,CODMn與COD、TP 有顯著正相關(guān)性(r=0.70,P<0.05;r=0.85,P<0.05),與DO、NH3-N 有顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.96,P<0.05;r=-0.87,P<0.05)。平水期降雨增多,流量增加,有機(jī)物和含磷營養(yǎng)鹽作為主要污染物,大量消耗水體中溶解的氧氣。

由圖5(c)可知,在豐水期,倭肯河的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中,TP 與電導(dǎo)率、NH3-N 有顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.75,P<0.05;r=-0.49,P<0.05),與DO、CODMn、COD 有顯著正相關(guān)性(r=0.75,P<0.05;r=0.86,P<0.05;r=0.46,P<0.05),表明TP 與耗氧有機(jī)物具有同源性。 這可能是由于豐水期降雨量充沛,上游流量和地表徑流增加,使流域沿岸農(nóng)田種植施用的化肥農(nóng)藥和周邊畜牧養(yǎng)殖等人類活動(dòng)產(chǎn)生的糞便污水,隨著地表徑流匯入倭肯河,水體受到面源污染的負(fù)荷增大。 由CCME-WQI 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果可知,倭肯河中下游水質(zhì)在豐水期劣于枯水期,由此證明在豐水期上游來水和地表徑流等面源的匯入,導(dǎo)致中下游水質(zhì)受到較嚴(yán)重污染。

2.5 CCME-WQI 水質(zhì)評(píng)價(jià)

以DO、CODMn、NH3-N、COD 和TP 五項(xiàng)指標(biāo)作為CCME-WQI 模型的水質(zhì)變量,以Ⅱ類水作為評(píng)價(jià)模型的水質(zhì)目標(biāo),對(duì)倭肯河4 個(gè)監(jiān)測斷面3 個(gè)時(shí)段的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果見圖6。

圖6 倭肯河各監(jiān)測斷面不同時(shí)段CCME-WQI 值

CCME-WQI 水質(zhì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,從時(shí)間尺度上來看,枯水期有50%斷面達(dá)到優(yōu)秀,其余為良好;平水期和豐水期均有25%斷面達(dá)到優(yōu)秀,其余為良好;3 個(gè)時(shí)段水質(zhì)質(zhì)量優(yōu)劣排序?yàn)榭菟?90.20)>豐水期(88.91)>平水期(87.61)。從空間尺度上可以看出,倭肯河上中游兩個(gè)斷面,桃山水庫和搶肯全年均保持良好;二十二連枯水期和平水期均達(dá)到優(yōu)秀,豐水期為良好,且枯水期CCME-WQI 平均值最大,達(dá)到97.19;下游的倭肯河入河口平水期為良好,豐水期和枯水期均達(dá)到優(yōu)秀。 4 個(gè)監(jiān)測斷面水質(zhì)質(zhì)量優(yōu)劣排序?yàn)槎B(92.81)>倭肯河口內(nèi)(89.84)>搶肯(87.37)>桃山水庫(85.59)。 相比之下,桃山水庫水質(zhì)較差的原因是多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的較高值出現(xiàn)在該監(jiān)測斷面,如CODMn、NH3-N 和COD,其原因可能是水庫蓄水,水體交換能力差,藻類大量繁殖引起的。 綜合來看,倭肯河整體水質(zhì)質(zhì)量較好,且相較于郭紫光(2017)的研究結(jié)果來看,倭肯河水環(huán)境質(zhì)量得到顯著改善。

3 結(jié) 論

倭肯河水質(zhì)指標(biāo)在時(shí)間尺度上聚類為3 個(gè)時(shí)期：枯水期(11-1 月份)、平水期(2-6 月份)、豐水期(7-10 月份)。 倭肯河水質(zhì)質(zhì)量有顯著的時(shí)空分布差異,主要受到降雨、地表徑流和點(diǎn)源污染的影響;枯水期的主要污染來源是內(nèi)源釋放和工業(yè)、牲畜養(yǎng)殖廢水排放等點(diǎn)源污染,平水期主要污染來源是生活污水和工業(yè)廢水,豐水期主要污染來源是農(nóng)業(yè)面源污染。 通過不同時(shí)段水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析可知,由于上游桃山水庫蓄水,倭肯河入河口水質(zhì)主要受到中下游降雨匯流和工業(yè)排污的影響。 CCME-WQI 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,倭肯河整體水質(zhì)質(zhì)量較好,時(shí)間上水質(zhì)質(zhì)量優(yōu)劣為枯水期>豐水期>平水期,空間上水質(zhì)質(zhì)量優(yōu)劣為二十二連>倭肯河口內(nèi)>搶肯>桃山水庫。