大汶河水质状况评价和污染源分析

申洪鑫,牛蓓蓓,李富强,王 英,李新举*

(1.山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018；2.山东省煤田地质局第三勘探队，山东 泰安 250102)

水资源是人类赖以生存和社会发展不可或缺的物质资源。20世纪70年代以来，随着人口的快速增加和经济的高速发展，水资源的需求量短时间内急剧增长，同时城乡污水大量排放污染了地表水及地下水，不可避免地形成了“水质性缺水”等一系列水污染问题。我国70%江河湖泊的水质受到各种污染物的影响，水污染不仅破坏了自然生态景观，而且会影响经济发展和人类健康。因此，适时开展河流水质评价和污染源解析，有助于对河流进行有效管理和污染防治，对于区域社会-经济-生态的可持续发展具有重要的意义。

大汶河为黄河下游在山东境内最大的支流，亦是山东省泰安市地表水资源的主要来源。它流经东平湖注入黄河，作为南水北调东线工程重要的蓄水走廊——东平湖的唯一汇入河流，大汶河水质状况势必会影响南水北调工程的调水水质。随着社会经济发展和城市化进程的加快，大汶河流域内水资源短缺和水污染问题日渐凸显。近年来，左欣等利用模糊数学法对2000年大汶河主要控制断面水质进行了评价，发现大汶河水质污染严重，大部分河段水质都不能够满足功能区的需求；何涛等通过分析大汶河沿线4个监测点的水质资料发现，2007—2014年间受流域各项减排措施的影响，大汶河有机污染得到有效缓解，受拦蓄工程影响，河段内TP含量明显下降，TN含量总体上升，其水质状况整体有所好转；申祺等采用主成分分析和相关分析方法对2017年大汶河的采样分析数据进行了水生态系统健康状况评价，结果表明大汶河水生态系统健康状况评价结果主要以一般和较差为主，分别占总采样点的58.33%和20.83%。目前的已有研究主要偏重于常规水质指标的分析评价，对于大汶河重金属污染状况和污染来源的分析研究较少。为此，本文基于2019年6月份和8月份大汶河21个断面的两次采样分析数据，采用单因子评价法、内梅罗指数法和因子分析法等方法对大汶河水质状况进行了评价和污染源解析，以期为大汶河水体污染防治提供依据。

1 研究区概况

大汶河位于山东省中部泰山南麓，介于116°E～118°E、35.7°N～36.6°N之间，发源于山东沂源县境内，自东向西流经莱芜、新泰、泰安、肥城、东平等县、市，汇注东平湖，出陈山口后入黄河。大汶河全长208 km，流域面积为9 098 km，以大汶口、戴村坝为节点划分为上、中、下游，东平县马口以下称东平湖区。大汶河上游为主要集水区，地形以低山丘陵为主，河岸稳定，土壤肥沃；大汶河中、下游地形以平原为主，且土壤以沙土和沙壤土为主，透水通气，保温保湿性能良好，适合农业发展。大汶河多年平均径流量约为18.2亿m，灌溉面积达290余万亩。大汶河为沿岸居民的生产和生活提供用水保障，是山东省内重要的河流之一。

2 研究方法

2.1 采样点布设

根据大汶河河流特征和污染源分布特征，在大汶河主要干流和支流布设了21个采样断面，编号依次为1～21号，采样点分布如图1所示。其中，1～9号采样断面位于大汶河北支的灜汶河、牟汶河；11、12号采样断面位于大汶河南支(柴汶河)；大汶口以下大汶河干流采样断面5个(编号为10、16、17、19、20)；海子河采样断面1个(编号为13)；漕河采样断面2个(编号为14、15)；汇河采样断面1个(编号为18)；东平湖采样断面1个(编号为21)。

图1 大汶河监测断面分布图Fig.1 Distribution map of monitoring sections in the Dawen River

2.2 水样采集与分析方法

大汶河水质检测仪器见表1，具体检测方法依据《地下水质检验方法》(DZ/T 0064—1993)、《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750—2006)，并遵循《地表水环境质量标准》(GB 3828—2002)的要求。

表1 大汶河水质检测仪器Table 1 Water quality testing instruments in this study

2.3 水质评价方法

2.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法是通过指数运算出在所有进行水质评价的指标中最差的单项水质指标，随后通过此指标所属的类别来确定水体的综合水质类别，实质上是用水体各评价因子的监测结果对照该项目的分类标准，确定其水质类别。单因子污染指数法是进行水体水质评价过程中应用最为广泛的评价方法之一，它有效地避免了确定指标权重的主观随意性。在此基础上，徐祖信将其改进为单因子水质标识指数法，并且已经在水体水质评价工作中得到了一定的应用。

单因子污染指数法的计算公式为

(1)

式中:

P

为采样点污染物

i

的污染指数;

C

为采样点污染物

i

浓度的实测值(mg/L);

S

为采样点污染物

i

的标准浓度值(mg/L)(取《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类水质标准)。

单因子污染指数法环境质量评价分级标准，见表2。

表2 单因子污染指数法环境质量评价分级标准Table 2 Classification criteria for environmental quality assessment of single-factor pollution index method

2.3.2 内梅罗污染指数法

内梅罗污染指数最早是由美国叙拉古大学内梅罗(N.L.Nemerow)教授在其所著的《河流污染科学分析》一书中提出的一种水污染指数。与单因子污染指数法相比，内梅罗污染指数法在突出污染最严重的评价因子的同时，更兼顾了评价体系中其他因子的贡献度，是一种比较综合的评价方法。

内梅罗污染指数法的计算公式为

(2)

内梅罗污染指数法环境质量评价分级标准，见表3。

表3 内梅罗污染指数法环境质量评价分级标准Table 3 Classification criteria for environmental quality assessment of Nemerow pollution index method

2.4 水质时空变化评价方法

水质随时间和空间的变化程度分别根据其时间变化率

T

和空间变化率

S

来判断，其计算公式如下：

(3)

(4)

上式中：

P

、

P

分别为比较时间内起始时刻和终止时刻采样断面的内梅罗污染指数；

P

、

P

分别为比较空间内起始断面和终止断面采样点的内梅罗污染指数。

2.5 因子分析法

因子分析法是一种变量降维的方法，它假设原有变量的背后存在多个不可观测的隐藏因子，它从研究原始变量的相关矩阵出发，通过降维的方法将众多原始变量归纳为少数几个综合因子，而这些因子能揭示出隐藏在原始变量之间的联系，尤其是成因上的联系，继而解释基于原始变量得到的旋转后的成分矩阵、成分得分系数矩阵。

在进行因子分析之前，需要对原始数据进行Z标准化处理，以消除不同污染物浓度量纲差异所带来的影响。

2.6 数据处理

数据处理采用Excel、IBM SPSS Statistics 23软件，作图采用ArcGIS 10.2软件。

3 结果与分析

3.1 大汶河水质统计特征

大汶河2期水质指标统计结果，见表4。其中，各个水质指标的平均值用于表征水体各水质指标整体的含量水平；变异系数主要用来反映水体化学成分的变异程度，揭示水体水质化学指标在空间上的差异。

由表4可以看出：

表4 大汶河丰、枯水期水质指标统计结果Table 4 Statistical results of water quality indexes of the Dawen River in high flow and low flow period

3.2 大汶河水质评价

3.2.1 单因子污染指数法水质评价

根据公式(1)，对大汶河流域21个监测断面的16个监测指标进行计算，得到大汶河流域各监测断面单因子污染指数见表5，其污染等级分类结果见图2。

表5 大汶河流域各监测断面水体水质污染评价结果(单因子污染指数法)Table 5 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin(Single factor pollution index method)

图2 大汶河流域各监测断面水体水质污染评价结果(单因子污染指数法)Fig.2 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin (single factor pollution index method)

大汶河流域处水质主要污染物为TN、Se和Hg。其中，只有在丰水期水体中发生Se含量超标情况，而含Se废水主要是由颜料染料、硫酸制造和精炼铜等行业排放，经调查发现大汶河沿岸有纺织业工厂的存在。Se中毒是一个缓慢的过程，对生态环境、人体健康都有极大的潜在危害，故有关部门需引起重视。大汶河上游的刘家庙村、前王庄，中游的石家门村和下游的汇河入大清河断面处水体水质污染严重，主要污染物为TN和Se，大部分断面处水体中TN超标，存在较大的富营养化风险。

3.2.2 内梅罗污染指数法水质评价

根据公式(2)，对大汶河流域21个监测断面的16个监测指标进行计算，得到基于内梅罗污染指数法的大汶河流域各监测断面水体水质污染评价结果，见表6。

表6 大汶河流域各监测断面水体水质污染评价结果(内梅罗污染指数法)Table 6 Evaluation results of water quality pollution of monitoring sections in the Dawen River Basin(Nemerow pollution index method)

结合表5和表6的数据可以看出，由于Se和Hg含量超标，大汶河流域大部分断面水体中最大污染因子为Se和Hg，致使大汶河流域不同区域水体污染状况以重度污染为主。

大汶河流域水体污染程度由高到低可划分为：大汶河上游>大汶河中游>大汶河下游。其中，大汶河上游区域，由于赵庄桥断面、北店子桥断面和北望泉林坝上游断面位于中心城区河流下游，居民生产的生活用水量大，污水排放较多，且附近工厂较多，工业废水集中排放，最终导致这3个断面处水体水质指标严重超标；大汶河中游区域，宁阳海子河断面处水体水质指标超标原因与大汶河上游区域相同，漕河肖家店桥断面处水体水质在此次监测过程中超标最为严重，主要超标项为Hg。Hg在自然界中以三种形式存在，其中有机Hg对生态环境的危害最大，其具有稳定性强、毒性高、生物积累性强等特点。水体中Hg的来源有很多，自然来源包括地表径流、大气降水等，其中地表径流中的Hg大部分来源于可溶解土壤中的Hg；人为来源主要包括化工、冶金、轻工等多种行业排放的工业废水。经调查，漕河上游有化工、冶金等工厂的存在，大量工业废水的排放导致水体中Hg的含量严重超标。

采用单因子污染指数法和内梅罗污染指数法对大汶河流域各监测断面水体水质污染状况进行评价的结果，见图3。

图3 大汶河流域各监测断面水体水质污染评价结果Fig.3 Water pollution assessment results of monitoring sections in the Dawen River Basin

由图3可见，两种方法的评价结果基本一致，但内梅罗污染指数法的评价更全面、更可靠。根据内梅罗污染指数法水质评价结果，流域内枯水期Ⅴ类水质断面为14个，占比为66.7%；丰水期Ⅴ类水质断面为17个，占比为81%。整体来说，大汶河流域枯水期水体水质明显优于丰水期，且从河流上游至下游污染程度逐渐加重。

3.3 大汶河水质时空变化分析

根据公式(3)和(4)，计算大汶河流域各监测断面水体水质的时间变化率

T

和空间变化率

S

，其结果见表7。

表7 大汶河流域各监测断面水体水质的时空变化Table 7 Spatiotemporal changes of water quality at monitoring sections in the Dawen River Basin

由表7可知：大汶河丰水期与枯水期相比，监测断面2、8、10、16、18、20处的水质明显恶化(时间变化率平均值为-32.59%)，监测断面1、5、6、17、19、21处的水质轻微恶化(时间变化率平均值为-7.09%)，监测断面3、4、7、9、11、12、13、14、15处的水质改善(时间变化率平均值为18.44%)。其中，监测断面6、8、16、17均位于水坝上游，枯水期无补充水源，夏季用水高峰水库水被调用，造成水量持续减少，水质污染几率降低。受2019年第9号台风“利奇马”的影响，全省降水量较2018年同期偏多50%，雨水带来的面源性污染是造成2019年大汶河丰水期水质恶化的主要原因之一。

本文选择大汶河具有代表性的9处干流监测断面分析其水质空间变化，并根据支流汇入的上、下游两个断面水质的变化情况对支流水质对干流水质的影响进行了分析。

3.4 因子分析

为了消除不同变量单位差异而造成因子分析的误差，在SPSS 23软件中先对各采样点的原始数据进行Z标准化处理，再进行因子分析。在进行因子分析前，须进行KMO检验和Bartlett球形度检验，以判断数据是否适合进行因子分析。本研究中，KMO统计量显示为0.57，一般认为KMO值大于0.5即说明适合做因子分析，因此本文数据适合做因子分析；Bartlett球形度检验的近似卡方值为259.724，自由度为105，概率值为0，即使球形假设被拒绝，即可以认为相关系数矩阵与单位矩阵有显著差异，说明本文数据适合进行因子分析。

运用主成分分析方法提取因子，采用最大方差法进行正交旋转，按照累计贡献率80%以上和初始特征值大于1的原则抽取因子。由于本研究参与分析的样本数量多达42个，因子数量为15个，样本数与因子数都较大，故提取代表性的公因子的难度也较大，因此本次分析结果76.48%接近80%，可视为可以接受的范围。本研究获得6个公因子，旋转前和旋转后的累计方差贡献率没有发生变化，说明这6个公因子可以用来解释大汶河流域15个原始变量的基本信息。旋转后的因子载荷矩阵和各公因子的水质主要控制指标，见表8和表9。

表8 旋转后的因子载荷矩阵Table 8 Factor loading matrix after rotation

表9 2019年枯水期与丰水期提取的公因子Table 9 Common factors extracted from both low and high flow periods in 2019

4 讨 论

4.1 大汶河水体污染来源分析

大汶河流域水体污染主要分为两个方面：一方面为水体富营养化(以TN污染为主)；另一方面为水体重金属污染(以Hg和Se污染为主)。

大汶河沿岸土地利用类型以耕地为主，河流中TN与耕地呈正相关。这是由于耕地氮肥施加过多加重了水体中TN污染的程度，从而对流域水体形成面源性污染。大汶河水体中重金属的主要来源是工业废水排放，主要来自冶金、化工、纺织等行业。这是由于近年来该流域内工业化进程的加快使得工业废水排放量增加，从而对大汶河流域水体形成重金属污染。迄今大汶河流域泰安市域内仍有省控以上重点污水排放企业82家，涉及纺织、食品、造纸、化工、冶金、矿业等行业。此外，化工、冶炼及燃煤动力等也会产生含有Hg、Se等重金属的废气，通过沉降在土壤和水体中富集。李瑞平等的研究证明泰安市6个县市区农田土壤Hg含量平均值是山东省土壤元素背景值的17.8倍，土壤中累积的重金属会随雨水进入水体，进一步对河流产生污染。

4.2 大汶河流域管理对策

水污染已严重威胁着我国的水资源安全，水污染的防治不仅仅是环境问题，更是关系到国家安全的战略性问题，水污染的治理以及河道生态修复是我国可持续性发展的必要课题。

大汶河流域上游以农业面源污染为主，对于农业面源污染的治理，可参考《重点流域农业面源污染综合治理示范工程建设规划(2016—2020年)》，根据大汶河流域农业面源污染组成的特征，因地制宜地建设农田面源污染综合防控工程，加强农药化肥的减量增效、农业废弃物的循环利用以及畜禽、水产养殖的污染治理；同时，要坚持生产生态的协调发展，坚持统筹推进，以地方政府为主体，以县为基本单元，开展农业面源污染的综合治理。

大汶河流域中、下游以水体重金属污染为主，且在丰水期污染更为严重，表明存在某些企业在雨季增加不合格污水排放的情况。因此，管理部门应加大监管力度，提高监管信息化水平，设计多个关键性指标，通过对这些指标的监测来判断工厂的污水处理是否合格，并责令不达标的企业停业整顿，同时将污染重的企业迁离重要水源地；同时，应制定激励政策，鼓励企业开展污水治理技术创新，既保证了生态效益又保证了经济效益。此外，工业企业应响应国家号召，按照污染物总量控制的原则，扩建污水处理设施，增强污水处理的能力，提高水资源的利用率；与政府共同协商，大力推动清洁生产，优化工业园区废水排放管理。

除此之外，河长制是现阶段水环境治理中的一种新型的行政管理体制，即由各级党政主要负责人担任“河长”，各自负责辖区内河流的污染治理职责,并明确其责任、刚性化考核，在水环境治理中发挥其“领头羊”的作用，同时还要加强监督，构建科学、有效的监督管理体系。

水体污染的治理需要多方力量的共同参与，政府有关部门要扮演好“服务者”的角色，企业是主体，个人是“监督者”，要做到“共同治理，全民参与”。

5 结 论

大汶河流域水体整体水质以Ⅴ类水为主，流域内枯水期Ⅴ类水质断面占比为66.7%，丰水期Ⅴ类水质断面占比为81%。流域内水体中主要污染物以TN、Hg和Se等为主。

从时间变化来看，大汶河枯水期水质明显优于丰水期；从空间变化来看，大汶河上游至下游水质污染程度逐渐加重。

大汶河流域水体整体以面源性污染为主，水体污染主要分为两个方面：一方面为水体富营养化(以TN污染为主)，主要与农药、化肥的使用有关；另一方面为水体重金属污染(以Hg和Se污染为主)，主要与工业废水排放有关。