崇明岛主要河道水质评价及时空变化特征

孔 若 楠，苏 敬 华，黄 沈 发，

(1.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620； 2.上海市环境科学研究院，上海 200233)

0 引 言

崇明岛是世界上最大的河口冲积岛和中国第三大岛，发挥着重要的生态服务功能。地表水作为崇明岛重要的环境要素之一，是生态岛建设工作的重点。2010年，上海市政府发布《崇明生态岛建设纲要(2010～2020年)》，明确了“骨干河道水质达到Ⅲ类水域比例”这一关键指标。因此，研究近年来崇明岛地表水水质变化特征和趋势，对科学评估崇明生态岛建设进程和成效、保障崇明岛地表水环境质量具有重要意义[1-2]。

目前，较为典型的水质评价方法主要有单因子评价法、污染指数法、主成分分析法、灰色系统评价法、人工神经网络法等[3-4]。叶焰中等[5]通过计算水质综合指数评价亚热带水源型水库的水质状况，并通过多元线性回归优化水质综合指数；Minakshi等[6]采用综合水质标识指数法分析了科隆河的季节性水质状况；杨浩等[7]采用主成分分析法对张家港市河道水质时空分布特征进行了研究，识别了主导河道水质的环境因子；刘彦龙等[8]基于层次聚类分析和主成分分析等多元数据分析方法，结合改进的综合水质标识指数，探究了黄河流域水质的时空变化特征。由于各类方法的局限性和适用性，应根据河流水质的特点选择合适的评价方法，以确保评价结果更加准确[9]。

本文基于崇明岛生态环境预警监测评估体系，选取岛内6个地表水质断面监测数据，采用单因子评价法、均值综合污染指数法进行水质评价，采用主成分分析法、聚类分析法及Spearman秩相关系数法，对崇明岛主要河道地表水环境质量的水质时空特征及变化趋势进行研究，识别关键污染因子及其贡献程度，综合评价崇明岛主要河道各断面水质状况及年际变化特征，为生态岛后续发展和水环境管理提供科学依据。

1 研究区概况

崇明岛位于西太平洋沿岸中国海岸线的中点地区，121°09′30″E～121°54′00″E，31°27′00″N～31°51′15″N，地处中国最大河流长江入海口。全岛面积1 269.1 km2，东西长80 km，南北宽13～18 km。岛上地势平坦，河网密集，共有河道12 000多条，除环岛河(分南横引河和北横引河)贯通崇明岛外，还有众多竖河、横河、泯沟等，构成“1环、2湖、29竖、27闸”“南引北排”“西水东调”的引排格局(见图1)。其地表水功能区目标为Ⅲ类水体。

图1 监测断面分布

2 研究方法

2.1 数据来源

基于崇明岛生态环境预警监测评估体系，选取2010～2020年5个主要评估年份(2010，2012，2015，2018，2020年)6个地表水质断面，分别为南横引河-三沙洪交汇口(Y1)、南横引河-新河港交汇口(Y2)、南横引河-堡镇水厂(Y3)、南横引河-奚家港交汇口(Y4)、北横引河-前卫村桥(Y5)、北横引河-七滧港西桥(Y6)(见图1)。水质分析因子包括：溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(IMn)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)。

2.2 评价方法

2.2.1单因子水质标识指数法

单因子水质指数Pi由一位整数、小数点后2位或3位有效数字组成，可判断崇明岛主要河道水质类别、污染程度及首要污染因子[9-10]，表达式为

Pi=X1.X2X3

(1)

式中：X1表示所监测水体的水质类别；X2表示监测值在X1类水质变化区间所处的位置，水质变化区间由监测值与GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中标准值比较确定。X1.X2代表单项水质指标的类别和污染程度，其意义为：1.0≤X1.X2≤2.0,Ⅰ类水；2.06.0,劣Ⅴ类水，数值越大,水质越差。X3表示所监测水体水质类别与所属功能区划设定类别的比较结果，X3=0表示水质达到功能区类别，X3=1表示水质劣于功能区1个类别，X3=2表示水质劣于功能区2个类别，以此类推[11]。

2.2.2均值型综合污染指数法

综合污染指数法能够较为准确地反映水质综合状况，广泛应用于地表水水质分析中[12]。根据崇明岛地表水环境的污染特点及功能区划，选取具有代表性的污染物，按照Ⅲ类功能区标准计算水质综合污染指数，评价水质的综合状况，评价指标包括DO、IMn、COD、BOD5、NH3-N、TP。表达式为

Pi=Ci/Si

(2)

(3)

式中：Ci表示污染物监测值；Si表示相应类别的标准值；n表示评价指标数量，Pi表示单项污染指数；P表示综合污染指数。

2.2.3主成分分析法

主成分分析法是利用降维思想把多维因子转换为同一系统中从而实现定量化研究的统计分析方法[13]。基于5个主要评估年份7项指标的月份监测结果，利用SPSS 26.0软件进行Z-Score标准化处理与主成分分析，得到特征值和方差贡献率，提取特征值>1的主成分；采用最大方差法进行因子旋转，根据旋转后的因子载荷矩阵，筛选与各主成分高度相关的主要污染指标，并在此基础上进行量化排序；根据特征值和得分系数矩阵，分别以时间和空间为出发点计算各主成分得分与综合得分。主成分得分值越高，说明水环境中污染物含量越高，水质越差[14]。通过对各断面主成分综合得分值排序，反映水质空间分布特征。

2.2.4Spearman秩相关系数法

秩相关系数法可用于检验水质指标数据序列与其响应时间序列间的相关性，从而判断水质序列在时间序列上是否存在趋势变化[15]。以时间为出发点计算主成分得分及秩相关系数，将秩相关系数rs的绝对值同spearman秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较，从而研究崇明岛主要河道在评价时段的水质变化特征。

3 结果与分析

3.1 水质评价

3.1.1单因子评价结果

2010～2020年5个主要评估年份，主要河道各监测断面水质维持在Ⅱ～Ⅲ类，水质达标率控制在100%。根据单因子水质标识指数，南横引河各监测断面(Y1、Y2、Y3、Y4)，DO、COD、BOD5达到Ⅰ类水标准，IMn、NH3-N达到Ⅱ类水标准；北横引河各监测断面(Y5、Y6)所有指标均符合Ⅲ类水标准，其中DO达到Ⅱ类水标准。此外，TP单因子水质标识指数偏高，最高值出现在2020年北横引河断面Y6，达到3.60，有超出Ⅲ类水标准的趋势(见表1)。

表1 单因子水质标识指数

3.1.2水体污染程度

根据水质均值型指数，南横引河各监测断面历年水质均优于北横引河，其中南横引河2012年水质达到最优，4个断面均处于尚清洁状态；北横引河Y5、Y6在主要年份均处于轻污染状态，2018年水质最差(见表2)。

表2 水质指标均值型指数

3.2 主要影响因子

基于5个主要评估年份的监测结果，对6个监测断面中的7项指标做主成分分析。统计检验得到KMO检验结果为0.617，大于0.6；Bartlett球形检验P值小于0.001，表明差异检验值显著，适合进行主成分分析。依据Kaiser-Harris准则，筛选出特征值大于1的主成分，累计贡献率达到75.486%，第一主成分(F1)方差贡献率为35.959%，在IMn、BOD5、COD上有较大载荷，可作为反映水体中有机污染物含量的指标；第二主成分(F2)方差贡献率为21.978%，在TN、NH3-N上有较大载荷，可作为表征水体氮素污染程度的指标；第三主成分(F3)方差贡献率为17.549%，在TP、DO上有较大载荷，可作为解释水体富营养化水平的指标(见表3～4)。通过主成分筛选及贡献程度计算，确定影响水质关键因子的贡献程度，从大到小依次为IMn、BOD5、COD、TN、NH3-N、TP、DO。崇明岛主要河道水环境中有机污染与氮素污染并存，有机型污染是其面临的最主要水质问题，这与居民生活污水排放及作为崇明岛主要经济产业的农业生产、畜牧养殖等产业造成的面源污染有关。

表3 特征值及主成分贡献率

表4 旋转后的主成分载荷矩阵

3.3 水质空间特征

3.3.1水质空间聚类

对7组水质数据归一化处理后进行系统聚类(见图2)，聚类算法选用组间连接法，距离测量采用平方欧式距离，得到聚类谱系图。6个监测断面在空间区域上按水质综合相似性，分为2个集群，监测断面Y1、Y2、Y3、Y4归为一类，Y5、Y6归为一类，表明南、北横引河水质情况有较大差异。

图2 水质空间聚类分析结果

3.3.2水质空间分布

以空间为出发点计算主成分得分(见表5)，各监测断面主成分综合得分值排序为：Y5>Y6>Y3>Y4>Y1>Y2，说明崇明岛主要河道水质南部优于北部。这主要是由于崇明岛北部的部分河道淤浅严重，部分水闸失去“南引北排”的功能[16]，造成北部地区排引不畅，河道稀释自净能力降低。南横引河水质中上游总体优于下游河段，而北横引河中上游水质劣于下游。Y1地处崇明岛主城区，人类活动对水质影响较大，因此Y1虽位于上游但水质略差。从各项主成分得分上看，北横引河F1得分值均大于1，明显高于南横引河，特别是位于崇明岛重要农业生产区的Y5，达到1.817 0，表明该区域农业面源造成的有机型污染对水质状况影响显著。

表5 各监测断面主成分分值及排序

3.4 水质时间变化

从图3的各指标年际变化趋势看，IMn、TP年均值相对较稳定，BOD5、TD、NH3-N呈下降趋势，崇明岛主要河道氮素污染有所改善，而COD年均值有较明显升高，意味着水环境中还原性污染物大量增加，其中主要是有机污染物，这些有机物污染的来源可能是农药、化工厂、有机肥料等，下一步需重点关注。

图3 主要水质参数年际变化

以时间为出发点计算主成分得分，采用 Spearman 秩相关系数法，对各监测断面主成分得分值与时间序列进行相关性分析，结果如表6所列。结果表明，崇明岛主要河道总体上水质稳定，且水质随时间变化趋势无显著意义。由于自然演变、地区开发等原因，崇明河道存在较多断头河浜，水系连通性较差，水动力严重不足，水体自净能力较弱[17]，因此其水环境易受外界环境及人为扰动影响。在崇明生态岛建设发展的背景下，污水处理能力不断提升，治水管水成效初步显现。

表6 各监测断面主成分得分值与时间变化相关性分析

4 讨 论

从空间变化上看，南、北横引河水质情况有较大差异。北横引河监测断面Y5、Y6在主要年份均处于轻污染状态，且F1得分值均大于1，即两断面主控因素为IMn、BOD5、COD。根据遥感影像解译分析，Y5、Y6河段存在大面积农用耕地[18]，说明该河段农业面源造成的有机型污染对水质状况有显著影响。根据均值综合污染指数与主成分综合得分值，南横引河各监测断面水质均优于北横引河，南横引河水质中上游总体优于下游河段，表明“南引北排”“西水东调”的引排格局促使污染物随河流向下游运移，水体自净能力不足以消除污染。

从时间变化上看，各监测断面水质维持在Ⅱ～Ⅲ类，总体上水质稳定；氮素污染在2015年后有显著改善。十年来，按照《崇明生态岛建设纲要(2010-2020)》《上海市水污染防治行动计划实施方案》及《崇明世界级生态岛发展“十三五”规划》要求，崇明岛大力开展河道专项整治，推进污染源污水截污纳管、提标改造等[19]，在水环境治理上，取得了一定成果。

针对TP潜在超标性强、COD年均值有较明显升高的问题，建议进一步采取农药化肥施用管控措施，加强农业面源污染治理；研究相关污染物排放溯源清单，为精准实施污染物总量控制提供支撑。针对北部地区水动力不足导致污染累积的问题，建议进一步加强河道清理疏浚，保障水系畅通，提高水体稀释自净能力。此外，根据崇明岛主要河道水质评价结果与时空变化特征，建议实施分区管理，重点针对主城区、重要农业生产区等区域，拓展现有生态环境预警监测体系覆盖面及监测指标，提高预警监测评估能力；并基于区域土地利用和产业分布特征，进行专项溯源监测及调查，制定分区水质提升综合方案，有效改善水环境现状。

5 结 论

(1)2010～2020年5个主要评估年份，崇明岛主要河道水质达标率维持在100%，TP单因子水质标识指数偏高，最高值出现在北横引河Y6，有超出Ⅲ类水标准的趋势；南横引河2012年水质最优，4个断面均处于尚清洁状态，北横引河Y5、Y6历年均处于轻污染状态。

(2)影响水质关键因子的贡献程度从大到小依次为IMn、BOD5、COD、TN、NH3-N、TP、DO，水环境中有机污染与氮素污染并存，有机型污染是崇明岛河道面临的最主要水质问题。

(3)南横引河水质优于北横引河，南横引河水质中上游总体优于下游河段，北横引河中上游水质劣于下游；崇明岛主要河道总体水质稳定，且水质随时间变化趋势无显著意义，氮素污染有所改善，但水环境中有机污染物有所增加。