济南市河流水体污染源解析及空间分布特征

张欣 徐宗学 况新宇 窦同文 赵长森 王博涵

摘要：基于2014年5月、8月、11月对济南市的4个一级水生态功能区48个采样点的数据，选取电导率（EC）、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMo）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸氮（NO3--N）、亚酸盐氮（NO2--N）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等指标对济南市河流水质进行分析。采用因子分析法提取了影响河流水质的主要因子，探寻污染源，并与综合水质指数法评价结果进行对比。结果表明：所选4个主成分分别代表盐离子水平、氮磷因子、有机污染因子及“三氮”污染因子，其河流水体污染主要受土地利用类型及人类活动影响；各污染因子主要分布在小清河山地一丘陵生态区和徒骇马颊河平原生态区，黄河山地生态区水环境较好。

关键词：水体污染；水质；因子分析法；济南市

中图分类号：TV211.1+1 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.014

地表水水质对水生态系统健康起着决定性作用[1]。随着城市化进程的加快，水资源供需矛盾突出，水污染严重、生态用水不足、水生态退化等问题日益凸现。从成因上看，水体污染和富营养化以及水体环境中化学成分的改变主要受城市化和农业活动影响。遏制水质恶化并逐步改善水质成为管理部门的关键任务。影响河流水质的因素较多，受地理环境、气候因素、土地利用方式、人类活动影响，河流水质在空间分布上呈较大异质性，做好水质监测和管理，识别水质污染源及其分布，对水环境保护和区域经济发展具有重要意义。

近年来，各类数学及统计评价方法被广泛应用于水质评价、时空分异及潜在污染源识别研究中，但以往的水质评价方法，如灰色聚类、综合评价、单因子评价、神经网络等传统方法很难找到影响地表水水质的主要因子，它们中大部分只能对当前水质进行评价和分级，忽略了水体污染的空间特征。因子分析法（FA）不但可将多指标转化为少数综合指标，避免信息的丢失，而且能用其因子得分将研究区各污染因子和综合污染情况分布在图上直观表达出来，因此国内外很多学者采用FA法对水环境进行污染源解析和空间分析。济南市作为闻名遐迩的“泉城”，是全国首家水生态文明建设试点城市，其水环境直接影响经济社会的可持续发展，因此以济南市为研究对象，基于济南市一级水生态分区对水质差异性进行分析，在此基础上，采用因子分析法对水环境污染状况进行空间分析及污染源解析。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

济南市内有三大水系，分别为小清河水系、黄河水系以及徒骇马颊河水系。根据水系的空间异质性划分了4个一级水生态功能区（见图1），即Ⅰ黄河山地生态区、Ⅱ主城区、Ⅲ小清河山地-丘陵生态区和Ⅳ徒骇马颊河平原生态区，由于Ⅱ主城区内水质受人类活动干扰较为严重，因此单独分开，以便分区域统计其水质状况。

黄河水系集水面积2778km2，流经市境长度172.9km，支脉河流均从右岸汇入。小清河水系集水面积2792km2，其中山地、丘陵汇流面积占流域面积的54.7%，主干河道源于济南市西郊，流经淄博等市，全长232km，在济南市境内长度为70.3km。小清河是山东省排涝、灌溉、排污等综合性大型人工河道。徒骇马颊河水系集水面积2400km2，属海河水系，承担着排涝及灌溉任务。济南市地形南高北低，地表水和地下水向城区汇集。市域年均降水量685mm，降水量年际变差大。

1.2 数据来源

2014年5月、8月、11月对济南市4个一级水生态功能区的48个采样点进行了调查采样。把采集到的水样置于低温保温箱中，48h内带回实验室，根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）测定电导率（EC）、溶解氧（DO）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3--N）、亚硝酸盐氮（NO2--N）、化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数（CODMn）、生化需氧量（BOD）、总磷（TP）等指标，研究数据取3次采样均值。

1.3 分析方法

因子分析法是一种既可以降低变量维数，又可以对变量进行分类的方法。在水质分析中，根据因子荷载矩阵和特征根计算主成分综合得分，其主成分分值越大，说明污染越严重。同时，采用综合水质指数法与主成分得分结果进行对比。综合指数法由1位整数和3～4位小数组成，它标识了综合水质类别、水质情况及是否达到水环境功能区类别等信息。由各因子得分系数，得出各因子得分方程：

fk=ak1x1+ak2x2+…+aknxn （1）式中：fk为第k（k=1，2，…，n）个因子的标准化分数；akj为第j（j=1，2，…，k）個因子相对于第k个变量的因子荷载；xn表示第n个公共因子。

综合因子得分计算公式如下：式中：F为综合因子得分；xi为第i个因子的公因子得分；m为提取公因子的个数；wi为第i个因子的权重；λi为第i个公因子对应的特征根。

因子分析要求变量间具有一定相关性，适用性检验方法采用Bartlett球形检验和KMO检验。Bartlett球形检验的理论依据是多元正态总体协方差矩阵的检验理论，差异检验值显著时认为适合进行因子分析；KMO检验统计量是用于比较变量间简单相关系数和偏相关系数的指标，KMO值接近1，则变量适合进行因子分析。

2 结果与分析

2.1 基本特征

济南市48个采样点指标统计见表1，大部分指标最大值接近或超过Ⅴ类标准，个别指标平均值接近甚至超过Ⅴ类标准，其中以TN最为突出，平均值是Ⅴ类标准的2.3倍，达到4.59mg/L；其次是TP，接近Ⅴ类水标准。从变异系数上看，TP最大，DO最小。综合来看，济南市水体水质指标在各采样点间差异较大，个别点位指标值异常偏高的原因可能是采样点处于工业排污口下游或者人口密度较大区域。济南市是山东省农业重要产区及人口集中区，TP、TN和COD是地表水主要污染物，也是主要控制指标，研究该区域河流污染物变化情况具有重要意义。

2.2 污染源解析

根据KMO检验和Bartlett球形检验，得到KMO值为0.78，Bartlet球形检验值为0.000，表明因子间不相互独立，适合进行因子分析。根据特征值大于1和累计贡献率在80%以上的原则，采用最大方差法对因子进行旋转，共提取出4个主成分F1～F4，累计贡献率为84.883%。各主成分特征值、贡献率、累计贡献率及因子荷载见表2。

由表2可知，主成分F，的贡献率为45.426%，为影响地表水水质的首要因素，其中EC、Cl-、SO42-所占的因子荷载较大，且与F1均成强正相关关系，主要代表水体盐离子水平。主成分F2贡献率为16.932%，其中NH4+-N、TP因子荷载较高，且与F2成正相关关系，代表了氮、磷营养物污染，主要来自城市居民生活及餐饮旅游等第三产业污水的排放。当水体污染含量增大时，水生生物会大量繁殖，导致水体中溶解氧含量降低，从而影响水质，这也是溶解氧与主成分F2成负相关关系的原因。主成分F3贡献率为13.529%，其中BOD、COD因子荷载较大，F3主要与生化需氧量、化学需氧量相关，代表耗氧型有机物污染，主要因自然因素与人为排放的营养物质相互作用而造成富营养化。主成分F4贡献率为8.996%，与F4相关联性较强的指标有TN、NO2--N、NO3--N，总氮含量为0.25～24.84mg/L，含量较高的区域分布在市区工业与生活污水排放区附近、农田耕作区下游等。由此水体“三氮”污染主要原因是农药、化肥长期施用、生活和工业废水排放，市郊、北部平原区农田和农场区农药、含氮肥料的长期施用和流失是济南市地表水氮污染的主要原因。

2.3 污染源分布特征

根据各成分得分系数矩阵和原始数据得到各采样点主成分得分，结合采样点所在位置，得出各污染源在济南市内的分布特征及水体的污染程度。因子得分越高，监测点所在位置污染越严重。

通过图2（a）可以看出，主成分F1污染区域主要集中在济南市北部及东部区域，涉及济阳县、商河县及章丘市大部。这可能与区域内土地利用类型及地形有关。该区域高程和水流坡降较小，造成河道水流长年滞流，水体自净能力差。土地利用类型以耕地为主，农业化肥等污染物易由南向北扩散，在迁移一富集作用下，河流径流末端及徒骇河干流附近因子得分较高。同时春季和夏季的灌溉需水量较大，在人类活动影响下，大部分河道被修整为人工河网，在一定程度上改变了河道原有结构及径流方式，经长时间积累，最终形成了F1值分布规律。

主成分F2在研究区出现高值及污染区较多，其中北部徒骇马颊河平原生态区、东部小清河山地-丘陵生态区及南部黄河山地生态区西北部污染较为严重（F2>1.5）。研究发现，污染区多位于当地重要粮食生产地，农作物以小麦和玉米为主，且存在不少小型化工厂、煤矿等乡镇企业，致使该区域河流水体以氮、磷等污染物为主，同时过量的氮、磷会随着地表径流和地下径流迁移。水体中溶解氧与F2成负相关关系，生活污水中含有大量氨氮，氨氮过多将消耗水体中的溶解氧，抑制水生生物生长，导致细菌大量繁殖，水质恶化，造成F2值偏高。只有黄河山地生态区东南部山区污染程度较低，基本以浅蓝色为主（F2<0），其原因是该区域大多是天然林地和次生林地，对携带营养物质的地表径流具有很强的拦截作用，也可理解为林地降低了水土流失率，营养物质进入河流较少。同时该区域大部分为河流源头，海拔较高，受人类干扰较少，且其支流有地下泉水补给。

主成分F3代表有机污染，与高锰酸盐指数、化学需氧量和生化需氧量成强正相关关系。2015年济南市水功能区水质通报显示，主要污染物为化学需氧量、生化需氧量等有机污染物。由图2（c）可知，研究区有机污染主要发生在徒骇马颊河平原生态区南部及小清河山地一丘陵生态区北部，说明流域水体受到快速城市化引起的市政污水排放的强烈影响。小清河北部区域位于章丘市，化工及化学制品业较为发达，工业废水排放占全市工业废水总量的11.6%，主要污染源为食品制造业、造纸业及冶炼加工业。F3污染范围与F1和F2的基本相同，该区域的污染同样受生活污水及农业施肥造成的面源污染的影响。

主成分F4得分的高低代表该区地表水中“三氮”含量的多少，主要分布在济南市中部主城区周边及小清河山地-丘陵生态区大部。该范围内人类活动密集，产生的大量城市污水和工业污水排入河道中，并且河道底部和两岸人工固化，难以保持自然河道状态下的自我恢复能力。市内TN的污染负荷较大，济南市生活污水氮排放量占全市排放总量的96.4%，全市施用化肥强度为401kg/hm2，除部分被农作物吸收外，其余残留部分随地表径流排人河道。

综合得分在一定程定上反映各采样点水质污染程度，对各采样点的污染程度进行排序和分级。综合得分越高，水质状况越差。将48个采样点各因子得分代入式（2），得出综合污染得分F，具体综合因子得分插值分布见图2（e）。可以看出，徒骇马颊河平原生态区及小清河山地一丘陵生态区北部、黄河山地生态区西南部污染较为严重，只有黄河山地生态区东南部水质较好。从水质污染分布状态进一步证明水质与人类活动（土地利用、化肥农药施用等）和自然因素（地形地貌）有着密不可分的关系。海拔较高、林地覆盖率高、人类干扰少的地区水质较好。而水质较差区域土地利用类型大多为城建用地和农业用地，地势较为平坦。总的来看，济南市水质状况由南至北逐渐变差，这与境内水流走向較为一致。人类活动和自然因素导致了济南市水质污染因子的空间差异性。

2.4 河流污染原因

从水环境污染物浓度空间分布来看，F1、F2、F3、F4值较高区域集中在同一区域，即Ⅱ主城区、Ⅲ小清河山地-丘陵生态区及Ⅳ徒骇马颊河平原生态区，而Ⅰ黄河山地生态区污染程度低。主要原因：一是主城区、小清河山地一丘陵生态区及徒骇马颊河平原生态区所处河段不能得到自然水体的补给，污水无法得到有效稀释，并且所在地区污水处理设施不健全，很多污水未经处理直接排人河道，使得所在地区水体污染较为严重。二是城市河流不同范围内的土地利用结构和格局对水质的影响。马小雪等研究表明土地利用中绿化用地与溶解氧含量成正相关关系，与电导率成负相关关系；城建用地与氨氮、电导率成正相关关系。结合本次研究，污染区域多集中在城建用地和农业用地两种土地利用类型。可见，城建用地是土地利用结构中最主要的污染源输出类型，其中商业、工矿用地及居民住宅用地对水质影响最为严重。三是人口密度对水环境的影响。济南市经济发展对劳动力的需求使得人口不断向主城区及北部农业平原带集中，造成环境质量恶化。利用所获取采样点水质参数与相应人口密度进行相关分析，结果显示人口密度与溶解氧成负相关关系，相关系数为-0.359，与总氮、电导率、总磷成正相关关系，相关系数分别为0.337、0.440、0.355。

2.5 合理性检验

为了验证本次水质评价的合理性，将《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）作为评价标准，结合采样数据，运用综合水质指数法对济南市水体水质进行评价，并将评价结果与上述主成分综合得分进行对比，见图3。

由图3可以看出，综合水质指数评价结果与主成分综合评价结果相似。水质状态较差点位于徒骇马颊河平原生态区的J33和小清河山地-丘陵生态区J47采样点。根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）对各采样点位水质进行分级评价，发现J20、J29、J33、J37、J47为Ⅴ类或劣Ⅴ类水质。南部黄河山地生态区水质较好，大多为Ⅲ类或优于Ⅲ类水质，这与现场调查情况较为一致。

解决城市水体污染问题，最重要的是控制点源排放，加强排污管理，同时保证受污染河段得到一定量的生态用水补给，使污染物得到物理稀释。加强城市管理部门之间的协调管理，另外还需要重视管理，减少非点源污染影响，减少生活垃圾排放和人类活动干扰，以维持河道生态系统健康。

3 结论

从原始数据提取出4个反映济南市河流水体污染状况的主成分因子：第1主成分影响因子主要为水体盐离子水平，第2主成分影响因子以氮、磷元素为主，第3主成分影响因子为以化学需氧量、生化需氧量为主的有机污染指标，第4主成分影响因子为氨氮、硝酸氮和亚硝酸氮。第1、2、3、4主成分的方差贡献率分别为45.426%、16.932%、13.529%、8.996%。济南市地表水污染主要原因为生活污水、工业废水等含有有机质的污水直接排人河流，及城市周边农业生产中化肥、农药不当或过量施用。F1～F3各污染因子得分空间分布大致相同，主要原因可能是各污染源存在相同的空间分布，尤其是黄河山地生态区南部区域水环境较好，而北部徒骇马颊河平原生态区及东部小清河山地一丘陵生态区污染较为严重，大致呈现自南向北、自西向东污染程度加重的趋势，这与济南市境内水流走向较为一致。通过主成分综合得分与综合水质指数得分对比可知，其结果较为接近，表明该研究结果是合理的。