基于GPCA和CCME-WQI方法的保山市东河水质分析

王学泽,朱长军,2,张普,苗璐,李博勤

(1.河北工程大学 能源与环境工程学院,河北 邯郸 056038;2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210098)

云南省保山市位于长江经济带上游区域,境内的东河是怒江的一级支流,具有重要的经济开发价值.近年来,保山市城镇化建设快速发展,但资源环境承载能力较弱,城镇、乡村污水处理体系不完善,存在大量污水直排现象,东河水质自2018年以来持续恶化为劣Ⅴ类,东河水体的重度污染严重影响保山市居民的生产生活,也对国际河流怒江水质构成潜在威胁[1].因此为了切实消除保山市东河的水体污染问题、实现东河水质达标,基于保山市隆阳区境内东河水质监测数据,即新东河流域水质监测数据,对东河干流水质质量进行精准评价,阐释其时空变化规律,确定污染严重河段,找出关键污染指标.

水质指数是用来反映水质的一种环境质量指数,其以数值方法为基础,用简单清晰的数值反映水体的整体质量[2].1965年Horton首次提出用水质指数对水体水质进行分类的概念,这种概念在全世界得到广泛应用,并有许多研究人员对其进行修改,如1970年Brown等人提出布朗水质指数,选用了9项水质参数并进行赋权[3];1974年Nemerow提出内梅罗水质指数,根据水体用途计算水质指数[4];中国地表水水质评价标准以《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》[5]为依据,采用单因子水质评价法,其中河流型地表水综合评价中总氮不参与评价,该方法能够清晰体现规定指标的污染程度,但其水质评价结果是以最差指标类别为依据,不能反映水质的整体状况[6].20世纪90年代中期,加拿大环境部长理事会将水质指数法引入加拿大[7],加拿大环境部长理事会水质指数(Canadian Conference of Ministers of the Environment Water Quality Index,CCME-WQI)利用超标范围、超标频次、超标幅度3个元素对水体水质的整体状况进行评价,其结果更为全面,评价指标选取更加灵活,现在CCME-WQI方法因其灵活的适用性已被广泛应用于许多国家,用以评价河流、湖泊、水库、地表水和饮用水水质[8-9].

本研究基于2020年6月到9月云南省保山市新东河流域主要干支流的水质监测数据,对东河干流水质状况进行单因子评价,通过主成分分析筛选出新东河流域主要环境因子,分析其时间变化规律,利用CCME-WQI指数法对流域内水体质量进行综合评价,分析并阐释主要污染物的空间变化规律.本研究使用时序全局主成分分析和CCME-WQI结合的方法,通过理论方法提取主要环境因子,排除水质指标选择的人为干扰[10],在规定水质指标要求上细分优秀、良好、一般、边缘和较差五类水质,评价更准确,计算过程无须考虑各指标权重,通过超标范围、频次、幅度3个因素降低单一指标对结果的影响,使评价结果更具有综合性、全面性.本研究首次对保山市新东河流域水质时空变化及水质指标的相关性进行分析,以期为保山市乃至我国河流水质和水环境保护及科学管理调度提供参考.

1 数据来源

1.1 研究区概况

东河又名勐波罗河,是怒江流域下游左岸的最大一级支流,因其位于保山市东部而被称为东河.东河发源于云南省保山市隆阳区王家箐山梁北麓(99°16′23″E,25°10′97″N),主河道自北向南流经保山坝(99°25′51″E,24°59′56″N),隆阳区境内河长95.4 km,流域面积1 431 km2,平均坡降1.21%,河源分水岭海拔约2 920 m,多年平均流量约为12.4 m3/s,最大流量约为83 m3/s,最小流量约为0.02 m3/s.一级干流先由西北流向东南,途经老营、傅家山等地,到小河口后转为由北向南流,途经北庙水库、板桥镇、河图街道、青华街道、汉庄镇、永盛街道、辛街乡的众多村寨,在象山峡谷流出保山坝,然后流向转为由西向东,途经西邑乡清水沟、石龙坪、石花洞、补麻,丙麻乡、桥头寨、落水洞等地后进入昌宁县境内,见图1.

1.2 数据来源

本研究共收集2020年6月至9月(丰水期)新东河流域16个干流和30个支流共计46个断面的水质监测数据,包括水温(Water Temperature,WT)、pH、溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)、高锰酸盐指数(Permanganate Index,CODMn)、五日生化需氧量(Five-day Biochemical Oxygen Demand,BOD5)、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)、总氮(Total Nitrogen,TN)、总磷(Total Phosphorus,TP)、氨氮(Ammonia Nitrogen,NH3-N)、阴离子表面活性剂(Linear Alkylbenzene Sulfonates,LAS)和粪大肠菌群(Fecal coliform,F.coli)共11个指标.按照东河流向,干流断面分别为:东河源头(DH1)、沙坝(DH2)、侯家庄(DH3)、板桥镇与河图街道交界(DH4)、河图街道与青华街道交界点(DH5)、青华街道与汉庄镇交界点(DH6)、汉庄镇与永盛街道交界点(DH7)、双桥(DH8)、永盛街道与辛街乡交界点(DH9)、辛街乡与永盛街道交界点(DH10)、青华闸(DH11)、永盛街道与西邑乡交界点(DH12)、石龙坪(DH13)、西邑乡与丙麻乡交界点(DH14)、叠水河桥(DH15)、浪坝塘出境断面(DH16),其中沙坝和石龙坪断面为国控断面,其他为常规监测断面,水质数据、污染源普查数据均来自保山市生态环境局.

2 研究方法

2.1 时序全局主成分分析方法

2.2 CCME-WQI方法

3 结果与讨论

3.1 新东河流域基本水质情况

保山市新东河流域水体污染主要有点源和面源污染,其中面源污染受降水影响,在丰水期污染严重[17],本文选择2020年丰水期水质数据,评价结果更能反映水质和污染物浓度变化情况.根据《保山市地表水环境功能区划(2010-2020年)》及《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》,新东河流域内除水库外,“东河源头-入怒江口”段水环境功能为“农业用水、工业用水、一般景观用水”,水环境功能区类别为Ⅳ类.由于河流型地表水综合评价中不考虑水温、总氮和粪大肠菌群,于是选择pH、DO、CODMn、BOD5、COD、TP、NH3-N和阴离子表面活性剂对东河干流丰水期水质进行评价,发现东河干流多段河道水质恶化为Ⅴ类和劣Ⅴ类,占比62.5%,主要超标污染物为BOD5和TP(表1).

表1 2020年丰水期东河干流监测点水质等级和主要超标污染物

3.2 时序全局主成分分析结果

3.2.1新东河流域水质指标相关性分析

为探究新东河流域内各水质指标之间的相互影响,本研究首先对新东河流域46个监测点所检测的11种水质指标WT、pH值、CODMn、DO、TN、TP、NH3-N、BOD5、COD、阴离子表面活性剂和F.coli进行正态分布检验,发现NH3-N和F.coli不符合正态分布,因此采用Spearman相关性分析.

由图2可知,在丰水期(6至9月),BOD5和COD呈现强烈的相关性,相关系数均为0.99(P<0.05),说明BOD5和COD具有同源性,可能与部分城镇生活源和农村生活源污水直排入河以及分散式禽畜养殖污染源有关[18];新东河流域的主要污染指标中TN与TP均有显著正相关性(r=0.67,P<0.05),可能与新东河流域氮肥、磷肥和复合肥的施用有关.TN与NH3-N也具有显著相关性(r=0.78,P<0.05),NH3-N主要来源于禽畜粪便[19],可能与部分监测点的TN主要由于禽畜粪便中产生的NH3-N组成有关,TP还与NH3-N和CODMn具有显著相关性(r=0.64,P<0.05;r=0.63,P<0.05),可能是由于TP含量超标导致水体富营养化,进而导致水体溶解氧降低水生生物死亡加剧,产生大量有机物并在厌氧细菌作用下分解[20].

3.2.2主成分得分情况和主要污染物时间分布差异

从图2可知,水温、pH、DO和粪大肠菌群与其他水质指标相关性较低,因此选取CODMn、BOD5、COD、TP、TN、NH3-N、阴离子表面活性剂7项水质指标进行时序全局主成分分析,满足KMO检验和Bartlett检验,并提取出3个主成分FAC1、FAC2、FAC3;第一、第二、第三主成分的特征值分别为3.156、1.430和10.520,3个主成分的方差贡献率分别为45.079%、20.432%和15.027%.第一主成分的主要载荷为TN、TP、BOD5和COD,反映了原始变量45.079%的信息,是关键的污染因子;第二主成分的主要载荷为CODMn和NH3-N;阴离子表面活性剂是第三主成分的主要载荷.

根据主成分综合得分结果和DH3～DH13段干支流监测点的污染物质量浓度变化情况,制作东河干流水质得分情况时间序列图(图3)和污染物质量浓度分布图(图4).主成分得分越高水质越差,东河源头处水质较好(DH1和DH2),水质受人为活动影响小,水质波动小.东河干流DH3～DH5和DH7区域(图3(b)),主成分综合得分随时间呈现先上升后下降再上升的趋势,水质质量变化趋势则相反,该区域主要污染物为TN、TP和BOD5(图4(a,b,c)),其中TN、TP污染最严重,TN污染水平在6、7月高,ρ(TN)范围为1.72～20.20 mg/L,平均值为8.29 mg/L,在8和9月ρ(TN)范围为0.98～12.90 mg/L,平均值为3.63 mg/L;TP质量浓度在6月最高,平均值为0.54 mg/L,在8月最低,平均值为0.19 mg/L.在6至8月监测点DH8(图3(c))和DH9(图3(d))水质明显改善,在8至9月,DH8监测点水质出现恶化情况,DH6水质则继续提高.在DH3～DH8段,影响水质趋势的主要指标在6至7月为TP,在7至9月为TN和TP(图4(a,b,c)).与DH3～DH8段相比,DH9～DH13段主成分综合得分更高,水质更差,主要污染物为TN、BOD5和TP(图4(d,e,f)),其中TN和TP质量浓度较DH3～DH8河段明显降低,BOD5质量浓度显著上升.TN和TP质量浓度随时间变化情况与前段相同,TN质量浓度呈现6、7月高,8、9月低的水平,在6月和7月,ρ(TN)范围为2.95～8.37 mg/L,平均值为6.92 mg/L,在8和9月ρ(TN)范围为2.29～4.61 mg/L,平均值为3.35 mg/L,TP质量浓度在6月最高,平均值为0.43 mg/L,在8月最低,平均值为0.22 mg/L.BOD5呈现6、7月污染加重之后降低的趋势,在7月污染质量浓度最高,ρ(BOD5)范围为7.4～24.6 mg/L,平均值为14.7 mg/L.在DH14～DH16段,主成分综合得分随时间整体呈下降趋势(图3(d)),水质逐渐改善.TN质量浓度在6月最高,平均值为6.91 mg/L,在8月最低,平均值为2.08 mg/L,TP质量浓度在6月最高,为0.76 mg/L,到7月降低为0.24 mg/L,在8、9月质量浓度基本不变.BOD5污染情况在7月略有上升,之后下降,在7月平均质量浓度最高,为10.00 mg/L,到9月降低为4.40 mg/L.根据主成分分析结果,主要污染物为TN、BOD5和TP,整体污染情况呈现6、7月污染程度高于8月和9月.

3.3 CCME水质分析结果与主要污染物空间分布差异

根据3.1部分,新东河流域水质应达到GB 3838-2002规定的IV类水标准.CCME-WQI方法选择主成分分析得到的7项水质指标,以GB 3838-2002规定的IV类水质为标准,对新东河流域46个干支流监测点进行超标范围、超标频率和超标幅度的计算,得到新东河流域CCME-WQI水质评价空间分布图(图5)和水质得分图(图6).

结果显示(图5),东河源头来水水质较好,在保山市主城区段水体污染严重,之后水质有所改善,在46个干支流监测点中,水质质量为良的监测点占总监测点的17.39%,19.56%监测点水质质量为一般,54.35%监测点水质质量处于边缘和8.70%监测点水质质量较差,没有水质质量达到优秀的监测点,表明新东河流域内干支流水质质量较差,未达到《保山市地表水环境功能区划(2010-2020年)》要求的水质.根据CCME-WQI和主成分综合得分情况(图6)看,由两种方法得到的水质空间分布情况基本一致,而与单因子评价结果(表1)相比,主成分分析和CCME-WQI方法得到的水质得分减少了水质突变点,清楚反映了水质变化的趋势.靠近东河源头的水体质量更好(DH1和DH2),其CCME-WQI得分更高,分别为90.57和88.25,各水质参数达标情况较好,可能与此处污水收集管道完善(图7(a)),水体受人为活动的影响小有关,水质较为健康.从DH3到DH4监测点处,水质得分迅速降低,DH3监测点处为85.43,DH4为69.64,主要污染物为TN,两个监测点的TN质量浓度平均值分别为3.37 mg/L和4.82 mg/L,可能与此处干流附近排污企业和禽畜养殖户聚集(图7(b)),存在大量的点源污染有关.

从DH4到DH9监测点,水质得分先有升高,又迅速降低,主要污染物为TN、BOD5和TP,TN、TP和BOD5质量浓度整体呈上升趋势,其中TN和TP在DH8监测点质量浓度达到最高,平均质量浓度分别为6.70 mg/L和0.42 mg/L,BOD5在DH9监测点质量浓度最高,平均质量浓度为8.25 mg/L.污染情况可能与此处排污企业减少,主要点源污染从农村生活源和排污企业变成城镇生活源,化肥施用强度高(图7(c)),导致面源污染增加有关,保山市新东河流域2020年施用化肥主要为氮肥、磷肥和复合肥,与分析结果一致.

在DH9监测点之后,河流离开保山市主城区,城镇生活源污染减少,化肥施用强度降低,从DH10到DH14监测点化肥施用强度为中,之后化肥施用强度为低,从水质得分看,除DH9监测点水质为较差外,其他监测点水质均为边缘,水质得分持续回升,TN和BOD5质量浓度整体呈下降趋势,TP质量浓度在0.29和0.41 mg/L之间波动,在DH14监测点质量浓度最高,可能与磷肥施用增加、污水收集管道不健全禽畜养殖户和农村生活源直排入河有关.浪坝塘出境断面(DH16)监测点CCME-WQI水质得分最高为61.37,处于边缘和一般水质的临界区域,主要污染物为TN.

整体来看,主要超标污染物来源于城镇生活源、农村生活源、化肥、工业源和分散式禽畜养殖污染源.在DH4监测点前,主要污染来源为农村生活源、分散式禽畜养殖污染源和工业源,在DH5～DH9监测点,主要受施肥强度和城镇污染源影响,在DH9监测点之后,施肥强度影响降低,主要与分散式禽畜养殖污染源和农村生活源直排有关.

4 结 论

(1)云南省保山市东河污染严重,单因子评价结果显示,存在62.5%的干流监测点,其水质不满足GB 3838-2002中要求的Ⅳ类水质.

(2)时序全局主成分和CCME-WQI分析结果与单因子评价结果基本一致,但与单因子评价相比,GPCA和CCME-WQI分析结果能更清楚反映水质变化趋势,降低了单个指标对结果的影响,评价结果更全面,同时CCME-WQI可以更好地判断新东河流域水体对Ⅳ类水质的符合情况.

(3)根据时序全局主成分和CCME-WQI分析结果,新东河流域主要污染物为TN、BOD5和TP,且其质量浓度具有显著的时空分布差异.时间上,6、7月污染程度高,8、9月污染程度低;空间上,污染程度总体分布由重到轻为中部、东南部、北部,东河源头处来水水质较好.