武烈河流域水质污染特征及污染源解析

周炼，安达，王月，杨延梅，唐军，安志民，陈晓志

1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074 2.中国环境科学研究院，国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，北京 100012 3.承德市环境保护局，河北 承德 067000



武烈河流域水质污染特征及污染源解析

周炼1,2，安达2*，王月2，杨延梅1，唐军2，安志民3，陈晓志3

1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074 2.中国环境科学研究院，国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，北京 100012 3.承德市环境保护局，河北 承德 067000

以武烈河流域2014年1—12月23项指标的监测数据为基础，采用单因子评价法和水质综合指数评价法，对水质污染特征进行综合评价；运用主成分分析法，确定流域主要污染因子及区域水质空间变化特征，并进一步对流域污染来源进行解析。结果表明：武烈河流域上游支流水质为Ⅱ类，干流段监测断面S1与S3水质为Ⅲ类，S2与S4水质为Ⅳ类，主要污染指标为BOD5与TP；流域水质由2个主成分组成，CODCr、CODMn为第一主成分，NH3-N、DO与BOD5为第二主成分；流域主要污染源包括生活污水、工业废水、农业化肥和农药的投入及畜禽养殖废水等。

武烈河流域；水质评价；污染特征；污染源解析

承德市武烈河流域位于滦河流域上游，地处国家《重点流域水污染防治“十二五”规划》中海河流域于桥水库上游的承德、唐山控制单元，属水质维护型单元，其水质目标完成情况直接关系到海河流域和河北省水污染防治总体目标的实现[1]。武烈河流域范围内涵盖上游多个用水和排污重镇，承接了承德市城区近70%的废水排放，对流域水质、水量影响较大。据2014年承德市水环境状况评价结果[2]，武烈河流域的雹神庙断面水质已降至Ⅳ类，低于区域水质目标，水环境形势不容乐观。针对武烈河流域的水污染防治与水质改善工作势在必行。

为此，笔者采用单因子评价法和水质综合指数评价法，对水质污染特征进行综合评价，运用主成分分析法，确定流域主要污染因子及区域水质空间变化特征，并对流域污染源进行解析，以期为下一步武烈河流域水污染防治与水质改善工作提供参考依据。

1 研究区域与方法

1.1 区域概况与数据来源

武烈河是滦河的一级支流，发源于围场县道至沟，流经双峰寺镇后纵贯承德市双桥区，至雹神庙村汇入滦河，干流全长114 km，流域面积2 580 km2，平均年径流量2.172 4亿m3[3]。流域上游主要有兴隆河、鹦鹉河、茅沟河、玉带河4条支流，呈扇形分布。研究区流域上共设有4个常规监测断面及8个监测点(图1)，其中流域支流设有8个监测点(S5～S12)，武烈河干流设有4个常规监测断面，分别为S1(磷矿上游断面)、S2(上二道河子断面)、S3(旅游桥断面)和S4(雹神庙断面)。研究区降水年内分布不均匀，枯水期为3—5月，以5月为最枯月，丰水期为6—9月，降水主要集中在7、8月，其余5个月为平水期[4]。

S1—磷矿上游；S2—上二道河子；S3—旅游桥；S4—雹神庙；S5—兴隆河上游；S6—兴隆河中游；S7—鹦鹉河上游；S8—鹦鹉河中游；S9—茅沟河上游；S10—茅沟河中游；S11—玉带河上游；S12—玉带河中游。图1 武烈河流域水系及水质监测断面与监测点分布Fig.1 Distribution of water quality monitoring sections and points in Wulie River basin

研究区水质监测断面及监测点均为人工采样，检测GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[5]中的23项常规指标，监测频率为1次月。水样分析方法参照GB 3838—2002和《水和废水监测分析方法》[6]。其中DO、CODCr、BOD5，营养元素N、P，有毒化合物挥发酚、氰化物、砷化物，重金属离子，石油类及细菌等指标受人类日常生活行为、农业及工业、经济行为等直接或间接影响[7]。2014年采集12次水样，其分析检测数据显示：武烈河流域内Cr6+、Hg、Se、Cu、Pb、Cd、As、Zn、氰化物、硫化物、石油类、阴离子表面活性剂等12项指标低于GB 3838—2002的Ⅰ类标准限值，对水质评价及主成分分析结果无影响。根据流域实际情况，选取S1～S12中2014年3月、4月和5月的CODCr、NH3-N、BOD5、TP、DO、氟化物和挥发酚等7项水质指标的平均值作为2014年流域枯水期地表水质数据。根据流域枯水期水质评价结果，进一步选取S1～S4中DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N和TP等6项水质指标，取各水质指标2014年1—12月水质浓度的平均值作为流域干流2014年地表水质数据。

1.2 评价方法

1.2.1 水质评价方法

依据2014年武烈河流域枯水期地表水质数据，采用单因子评价法[8]和水质综合指数评价法[9]评价其水质等级。以单因子评价指数作为各指标的污染指数，采用加权平均法求得其水质综合指数。其中单因子评价指数的评价标准执行《地表水环境质量标准》[5]中的Ⅲ类标准。

1.2.2 主成分分析

主成分分析是将多个指标化为少数几个不相关的综合指标(主成分)的统计分析方法，综合指标能反映出原指标所提供的绝大部分信息，达到降维和源识别的目的[10-13]。依据武烈河流域干流2014年地表水质数据，借助SPSS22软件，进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 流域干支流水质评价

根据《河北省水环境功能区划》，武烈河划分为武烈河河北承德保留区、武烈河承德饮用水源区和武烈河承德工业用水区3个水功能区。武烈河河北承德保留区(监测点S5～S12)水质目标为Ⅱ类，饮用水源区和工业用水区(监测断面S1～S4)水质目标为Ⅲ类。

根据2014年武烈河流域枯水期水质监测及评价结果(表1)：流域支流中，监测点S5水质为Ⅲ类，监测点S6～S12水质为Ⅱ类；武烈河干流监测断面中，监测断面S1、S3水质为Ⅲ类，监测断面S2与S4水质为Ⅳ类；主要污染指标为BOD5与TP。水质为Ⅳ类的监测断面中，监测断面S4综合污染指数为0.57，污染最严重。

表1 2014年武烈河流域枯水期水质监测数据统计及评价结果

2.2 水质主成分分析

2.2.1 主成分确定

依据流域干流2014年地表水质数据，对监测断面S1～S4中DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N、TP6项指标进行主成分分析。表2为主成分分析中各指标的相关系数矩阵；表3为特征值、主成分贡献率及累积贡献率；表4为主成分载荷矩阵。

特征值表示主成分对指标变量影响力度的大小，若特征值小于1，则说明该主成分的解释力度不够[14]。根据表3的结果，第一主成分的特征值为3.389，第二主成分的特征值为2.045，均大于1，而从第三主成分开始，特征值均小于1，这说明前2个主成分对解释原有变量的贡献最大，符合主成分挑选条件，第三主成分己经不满足要求。由于第一和第二主成分己经包含了6个指标的全部信息，且这二者的累积贡献率已达90.565%，其对水质变化的影响最大。因此，确定主成分个数为2个：第一主成分(PC1)在CODCr、CODMn上有较大载荷，其载荷值分别为0.979、0.992，可以表征有机物污染的程度；第二主成分(PC2)主要在NH3-N、DO与BOD5上有较大载荷，其载荷值分别为0.889、0.766、0.731，表征污染类型为营养物以及耗氧型有机物污染。

表2 相关系数矩阵

表3 特征值、主成分贡献率及累积贡献率

表4 主成分荷载矩阵

图2 2014年武烈河水质监测断面主成分分值变化Fig.2 Variation of principal component scores of monitoring sections in 2014

2.2.2 不同水质指标的空间变化

根据各主成分在单因子上的载荷，确定各主成分综合函数，计算监测断面S1～S4的水质污染综合分值(表5)。从水质空间变化分析，监测断面S1～S4水质污染程度呈恶化趋势：S1水质污染程度较低，PC1造成的污染略高于PC2；S2水质污染以PC2为主，PC2污染分值达2.488，为4个监测断面中最高；S3～S4的PC1污染呈上升趋势并于S4达到最大，PC2污染逐步趋于稳定(图2)。

表5 主成分和综合主成分分值

3 流域污染来源分析

武烈河流域主要以CODCr、TN和TP污染为主，污染主要来自生活、农业活动和工业等方面，主要污染源包括生活污水、工业废水、农业化肥和农药的投入以及畜禽养殖等。流域上游兴隆河、鹦鹉河、茅沟河、玉带河4条支流主要接纳流域农村污染，包含农田排水产生的面源污染、畜禽养殖产生的污染与农村生活污水污染。武烈河干流流经双峰寺镇后纵贯承德市城区，主要接纳城镇生活污水和工业废水。

流域内现有城镇污水处理厂1座，位于武烈河城区段下游，经污水管网收集接纳了近80%的城镇生活污水[1]。2014年，污水处理厂实际日处理量为7.33万t，负荷率为91%，CODCr去除率基本在90%以上，TN、TP去除率为60%～70%[2]。监测断面S2～S4，耗氧型有机物与营养物呈下降并趋于稳定的现象与该污水厂的正常运行有直接关系。但目前城区污水管网仍存在覆盖不全面、部分管网老化等问题，造成城区生活污水未能全部收集。其中双峰寺镇至承德医学院和环城北路狮子沟桥以西区域污水管网尚未建设，污水直排入附近的河道，导致监测断面S1～S2耗氧型有机物与营养物污染严重。根据武烈河流域污染源调查结果(图3)，流域城镇生活污水所排放的CODCr、TN及TP为1 337.9、336.4及25.8 ta，分别占总排放量的67.9%、87.2%及70.9%。流域农村污水处理设施不够完善，农村居民生活污水绝大部分就地排放到户外。考虑蒸发及地下渗入等损失，农村生活污水所排放的CODCr、TN及TP达221.9、28.4及5.8 ta。

图3 武烈河流域主要污染源污染物排放量Fig.3 Pollutant emission of Wulie River basin

流域内工业污染源也影响了各监测点水质质量。据调查，流域内有各类企业116家，涉及食品加工业、制药、采选冶炼、建材材料制造、装备制造、其他制造业、供热等其他服务行业等多种行业。涉及污水排放企业共有7家，其中制药厂2家，食品加工厂3家，酿酒厂和采选冶炼厂各1家，其CODCr、TN和TP排放量分别达9.88、4.88和2.74 ta[2]。这些企业主要位于旅游桥—雹神庙段的武烈河承德工业用水区，其排放的工业废水直接影响武烈河S3～S4断面间的水质质量。农业化肥和农药的投入是流域面源污染的主要来源[15]。由于农田用地对投入的化肥农药利用率很低，其余的化肥农药通过分解、挥发、渗漏、淋溶等途径将部分氮、磷和有毒有害物质汇入河流形成污染[16]。通过研究区各乡镇2014年统计年鉴数据分析，2014年武烈河流域内总耕地面积1.974万hm2，共施用氮肥0.365万t(以N计)，磷肥0.357万t(以P2O5计)，农药55 t。根据《承德市第一次全国污染源普查技术报告》对种植业污染情况的普查结果：流域内TN随农田排水流失系数为0.005；TP随农田排水流失系数为0.002。农田施用农药有效成分有机磷以40%计算，随农田排水流失系数取0.002。据此推算，化肥和农药施入污染物排放量：CODCr为181.87 ta；TN为18.27 ta；TP为0.76 ta。

农村畜禽养殖也是流域内TN和TP等污染的重要来源。流域内畜禽养殖主要以蛋鸡、肉鸡、猪、牛、羊为主。据统计，2014年流域内共有规模化养殖场(小区)27家，养殖专业户166家，蛋鸡18.75万只、肉鸡59.84万只、牛5 283头、猪1.74万头和羊0.074万只。畜禽污染物排放量：CODCr为70.17 ta；TN为8.58 ta；TP为1.09 ta[2]。流域内养殖业规模化程度不高，以专业户分散养殖为主，分散养殖虽然排污强度较小，但污染治理水平低，畜禽粪尿大部分未经无害化处理而直接随意排放。

4 结论

(1)武烈河流域上游支流水质情况较好，为Ⅱ类水，污染主要集中在武烈河干流段。其中上二道河子断面(S2)与雹神庙断面(S4)水质为Ⅳ类，低于Ⅲ类水的水质目标，主要污染指标为BOD5与TP。

(2)CODCr、CODMn为第一主成分，主要反映有机物的污染，贡献率占56.47%；NH3-N、DO与BOD5为第二主成分，主要反映营养物以及耗氧型有机物污染，贡献率占34.09%。

(3)流域污染主要来自生活、农业活动和工业等方面，主要污染源包括生活污水、工业废水、农业化肥和农药的投入及畜禽养殖等。建议流域完善城市污水管网系统，以控制生活污水污染；加强对工业废水排放监管；加快建设农村污水处理设施，控制农村生活污染以及畜禽养殖污染。

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Water Quality Pollution Characteristics and Pollution Source Analysis of Wulie River Basin

ZHOU Lian1,2, AN Da2, WANG Yue2, YANG Yanmei1, TANG Jun2, AN Zhimin3, CHEN Xiaozhi3

1.College of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.Chengde Environmental Protection Agency, Chengde 067000, China

Based on the monthly monitoring data of 23 water quality indexes of Wulie River basin in 2014, a comprehensive water quality evaluation was performed using single-factor assessment and comprehensive evaluation index method. Utilizing principle component analysis (PCA), the main pollution indicators in the river basin and the regional spatial variation characteristics of the water quality were determined. Furthermore, the pollution sources in the basin were analyzed. According to the results, the water quality of upper tributaries was in Class Ⅱ, the water quality of monitoring sections S1 and S3 in main stream was in Class Ⅲ, and that of monitoring sections S2 and S4 in main stream was in Class Ⅳ. The main pollution indicators were BOD5and TP. The PCA results showed that PC1 included CODCrand CODMn, the PC2 included NH3-N, DO and BOD5. There were four main pollution sources including domestic sewage, industrial wastewater, agricultural fertilizer and pesticide inputs, and livestock and poultry raising waste.

Wulie River basin; water quality evaluation; pollution characteristics; pollution source analysis

2016-03-25

河北省承德武烈河流域水污染控制与水质改善技术研究(15273606D)

周炼(1992—)，男，硕士研究生，主要从事地下水污染风险评估，zhoulian.work@outlook.com

*责任作者：安达(1979—)，女，副研究员，博士，主要从事地下水污染风险评估，anda@craes.org.cn

X52

1674-991X(2016)06-0579-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.083

周炼，安达，王月,等.武烈河流域水质污染特征及污染源解析[J].环境工程技术学报,2016,6(6):579-584.

ZHOU L, AN D, WANG Y, et al.Water quality pollution characteristics and pollution source analysis of Wulie River basin[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(6):579-584.