韩江流域程江水系水质污染特征及污染因子分析

陆一凡

(广东省水文水资源监测中心梅州分中心,广东 梅州 514000)

韩江流域是广东省第二大流域，程江为韩江的一级支流，程江末段在梅县城区穿城而过，该区域人群密度较大，城市化水平高，产业密集，因此研究程江的水质情况对环境保护、城区人民饮水安全、调节城市生态环境、农村农田灌溉以及城市景观等方面有重要意义。

1 研究区域与方法

1.1 区域概况

程江发源于江西省寻乌县天子嶂西部，长约94 km，流域面积为718 km2。其中，广东省境内长约84 km，流域面积为708 km2，河道平均比降为2.68‰。自西北向东南流经丘陵山地，河下切侵蚀，河槽呈“V”字形。植被较差，水土流失严重[1-2]。经平远县进入广东省梅州市境内，流经平远县石正镇、梅西镇，梅县区大坪镇、南口镇、扶大镇、程江镇后在百花洲注入梅江干流。自上而下分别有龙虎圩水、南口水和扎田水汇入，干流分布富石水库和梅西水库，韩江流域程江水系及监测断面如图1所示。

图1 韩江流域程江水系及监测断面示意

1.2 监测项目

1.3 评价方法

1.3.1水质类别法

根据地表水不同的水域功能，《地表水环境质量标准》将地表水质量标准基本项目标准值分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 5类，未达到Ⅴ类标准的定义为劣Ⅴ类。不同功能类别分别执行相应类别的标准值。水域功能类别高的标准值严于类别低的标准值。同一水域兼有多类使用功能的，执行最高功能类别对应的标准值[3]。根据对3个断面监测数据结果，计算出各指标的年平均值，再依据各项目的标准限值对应评价水质类别。

1.3.2综合污染指数法

综合污染指数是指各项指标的单一污染指数的算术平均值(常用的有幂指数法、加权平均法、向量模法和算术平均法，本文采用算术平均法计算)，用某评价指标监测的浓度值与该项目在《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类标准值的比值定义为单项污染指数(其中溶解氧项目污染指数则为Ⅲ类标准值与监测的溶解氧浓度的比值)。综合污染指数法不会因某个单因子浓度过高而导致所有水体评价指标不合格的情况[4]。

1.3.3主成分分析法

主成分分析是研究数据时采用的数据统计方法，其原理是将原有变量重新组合，形成一组新的综合变量，且这些新的综合变量之间相互无关，同时根据实际研究需求，从中选取几个尽可能全面地反映原来变量信息的总和变量进行分析的统计方法，从而达到降维和源识别的目的。本文取样足够度的KMO度量值[5]为0.702(>0.7),累计方差贡献率一般要求大于70%，实际计算结果为81.6%。

2 监测结果分析

2.1 污染指标评价

表1 2020—2021年程江水系水质监测数据统计及评价结果

2.2 主要污染因子变化特征

2.2.1时间变化特征

秋云桥断面超标严重的溶解氧和氨氮月际变化规律如图2所示，在24个月监测中溶解氧达不到Ⅲ类标准的月份有13个，其中有6个月份低于Ⅳ类标准，氨氮低于Ⅲ类标准的月份有13个，其中有5个月为劣Ⅴ类。由于溶解氧浓度越低水质越差，为了直观发现氨氮和溶解氧之间的规律，可以用溶解氧的饱和浓度值取 9 mg/L，减去监测的溶解氧浓度值得到的结果与氨氮浓度分析其变化规律(见图3)，可以明显看出氨氮浓度和9-DO的浓度变化呈正相关，故氨氮和溶解氧在水中的浓度呈负相关性。按照时间变化规律来看，溶解氧浓度在2021年总体呈下降趋势，氨氮浓度在2021年下半年呈升高趋势，均向更低指标和类别方向发展，因此判定秋云桥断面的污染情况愈加严重[7]。

图2 秋云桥溶解氧、氨氮月际变化规律示意

图3 秋云桥氨氮与9-DO变化规律示意

2.2.2空间变化特征

程江上游富石水库超标最严重的因子为总氮，而中游的梅西水库总氮未出现超标，可见总氮在随水流动过程中或发生NH3-N、NO2--N和NO3--N之间的硝化反硝化作用最终转化成N2脱离水环境或随支流汇入的稀释作用导致其浓度降低，并未对下游断面造成污染情况[7]。下游的秋云桥断面中污染最严重的DO和NH3-N在上游两个断面中未出现超标情况。富石水库断面和秋云桥断面出现了共同污染因子锰，但在中游断面梅西水库中未出现超标情况。故根据3个断面出现的污染因子和同种污染因子浓度变化规律来看，并未出现明显的空间变化规律。

2.3 主成分分析

针对秋云桥断面污染程度较重的主要污染因子(DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP、铁、锰)进行主成分分析。表2为主成分分析中各指标的相关关系矩阵，表3为主成分特征值、主成分贡献率及累计贡献率，表4为初始因子载荷矩阵。由表2～表4可知，前3个主成分累计贡献率达到81.6%,在对水质影响的7个因子中提供了超80%的信息。其中TP、NH3-N、CODMn在第一主成分上载荷较大，其载荷值分别为0.852、0.845、0.712，方差贡献率为48.8%，主要反映秋云桥断面主要污染物来源是城市生活废水的排放以及农业生产污染引起的耗氧有机污染物，营养盐等；BOD5在第二主成分上载荷最大，其载荷值为0.740，方差贡献率为19.1%，主要反映了水体被有机物污染程度大；第三主成分中，铁的载荷最大，其载荷值为13.8%,说明断面泥沙质河道本底较大和工业废水的排放，亦或上游雨水对矿山的冲刷作用而引起的面源污染[8]。

表3 主成分特征值、主成分贡献率及累计贡献率

表4 主成分载荷矩阵

2.4 水期变化特征

根据广东省降雨量时间特征，全年划分为汛期和非汛期，汛期一般从3月中旬到10中旬，非汛期从10月中旬到次年3月中旬[9]。本文在秋云桥断面的24次监测成果按照水期特点选取2020年5—8月、2021年5—8月监测数据作为汛期代表监测成果和两年的1月、2月、11月、12月作为代表非汛期监测成果两组数据进行分析，结果显示，溶解氧和氨氮明显非汛期值大于汛期监测值，其中溶解氧汛期均值比非汛期降低17%，氨氮汛期均值比非汛期降低45%，CODMn汛期均值比非汛期升高20%，BOD5汛期与非汛期变化不明显(如图4所示)。

a 溶解氧水期变化特征

3 污染原因分析

污染源分大体为点源污染和面源污染两类，点源污染主要指工业废水和城镇生活污水造成的污染，一般有固定的排污口排放；面源污染是指溶解或固态污染物从四面八方，经降水的冲刷作用，通过径流而汇入受纳水体(包括河流、湖泊、水库和海湾等)从而引起水体的富营养化或其它形式的污染[10]。程江水系秋云桥断面周边分布有大量圩镇、工厂、学校以及大型医院，河道直接或间接接纳了大量工业废水和生活污水，是造成河道富营养化，持续污染的最主要原因。秋云桥上游分布有黄塘医院电排站、黄塘附近居民自排涵以及大量的圩镇排污口，排污口或直接排放程江和或经长期黑臭水体的黄塘河排放后注入程江，主要污染属点源污染。铁、锰超标主要原因是泥沙河道本底影响和工业废水的排放[11-12]。

造成该断面溶解氧、氨氮超标的另一大原因是2020年和2021年恰逢特殊干旱年景。韩江流域降雨量普遍大幅减少，造成江河径流量严重下降，水位持续走低，河流水动力不足，进而导致水中污染物浓度过高。根据2020年和2021年韩江流域重要水文控制站—横山(二)站水情数据显示，2020年总径流量较多年平均分别减少50.1%、76.5%。年平均径流量分别减少76.5%、54.6%，详细年平均径流及总径流量情况见表5。

表5 2020—2021年韩江流域主要江河控制站水情情况

4 结语

1) 2 a的监测结果显示，富石水库水质类别均为Ⅳ类，综合污染指数为0.52；梅西水库水质类别均为Ⅲ类，达到《地表水环境质量标准》中的标准值；秋云桥水质类别均为Ⅴ类，综合污染指数为0.92，超标因子为NH3-N、DO、铁、锰。

2) 根据对秋云桥断面污染物主成分分析，TP、NH3-N、CODMn为第一主成分,说明该断面主要污染物来源是生活污染的排放以及农业污染引起的耗氧有机物，营养盐等；第二主成分是BOD5，说明水体被有机物污染程度大；第三主成分是铁，说明河道本底值大或雨水冲刷矿山等引起的面源污染。

3) 根据汛期和非汛期监测数据分析，溶解氧和氨氮浓度明显非汛期大于汛期，且二者浓度随时间变化呈现负相关性，而CODMn汛期浓度均值比非汛期高，BOD5浓度汛期与非汛期变化不明显。

4) 秋云桥断面周边分布大量圩镇、工厂、学校以及大型医院，上游存在众多排污口，河道接纳了大量工业废水和生活污水，是造成该断面水质超标的最主要因素，建议梅县区政府加强市政污水管网的收集处理工作；另外，2020年和2021年恰逢特殊干旱年景，江河径流量明显偏少，导致水动力不足,水中污染物浓度偏高，建议水库电站在调节水量和发电的基础上兼顾水质污染情况。