山东某调蓄水库水质评价及污染来源分析

宋宜彤,王庆红,涂楠楠

(临沂市水文中心,山东 临沂 276000)

1 研究背景

某城市的用水总量由2000年的12.3×108m3增至2020年的20.6×108m3,而当地供水严重短缺。因此,调蓄型水库成为该类型城市用水安全的主要保障[1]。调蓄型水库面临着水质污染,确定水质污染的成因并进行量化评价,是制定水质保证政策和措施的基础[2]。

为此,本文选择该城市的某调蓄型水库进行2020年度的综合监测。运用因子分析法、多元回归分析等方法,综合评判影响该调蓄水库的污染因子,并估计各污染源的贡献率,为提高水环境质量、确保饮水安全提供参考,同时为该类型水库水质评价及污染来源分析提供理论依据和技术参考。

2 材料与方法

某调蓄水库是山东某城市主要的饮水水源,水库总库容1.98×107m3。2020年,年平均气温24℃,全年总日照时数1 870 h,年降雨量1 883 mm。其中,3月份降雨量异常偏多,1、11、12月份降雨量异常偏少。选择该水库中和水库流入水厂的出口两个代表性取样点,取样日期为2020年1-12月,根据《水质采样技术指导》(HJ 494-2009),在每月上旬收集(0.5m)地表水体样本。考虑到该水库经过长期的全面封闭式治理,未造成明显的农业非点源和产业环境的影响,选择pH值、CODMn(高锰酸盐指数)、NH3-N(氨氮)、NO3-N(硝酸盐氮)、TN(总氮)、TP(总磷)、Fe(铁)、Mn(锰)等8项代表性的水质参数。各项水质指标的检测方法和标准限值见表1。

表1 各项水质指标检测方法和标准限值

相关性分析可较好地体现各水质指数之间的相关性,故采用相关系数(r)来表示相关性强弱。因子分析法(FA)是当前水质污染的一种常用的分析手段,利用不同水质指标之间的相互关系建立矩阵,然后通过降低维数来减少变量数,进而识别水体污染中的主要因子,从而为制定有效、科学的水资源管理规划提供依据[3]。此外,基于绝对主成分的多元线性回归模型,利用FA确定的主要污染因子,可以定量分析各种污染来源的贡献率[4]。

3 结果分析与讨论

3.1 各水质指标随时间变化规律

图1 该调蓄水库2020年1-12月各水质指标浓度变化

由图1(c)可知,该调蓄水库全年NH3-N的浓度为0.02～0.08 mg/L,属于较低的水平,表明该水库存在自洁能力,其中以硝化作用作为主要的氮循环方式[5]。就NO3-N和TN而言,6-9月份的平均浓度处于一年中的较低水平,主要是由于这一时期的浮游生物的生长需求比较高,需要摄取大量的氮素来满足生长;其它几个月份的浓度没有明显的改变,见图1(d)和图1(e)。与其他水库相类似[6],该调蓄水库TN浓度较高,在0.54～1.73mg/L之间,见图1(e),且一整年都超出地表水II类(0.50 mg/L)标准,有的月份更是超出地表水IV类(1.50mg/L)标准,因此TN浓度较高是该调蓄水库迫切需要解决的问题。水库TP的浓度全年维持在0.01～0.02mg/L,见图1(f),呈现出较低水平,达到地表水II类水质标准的要求。

由图1(g)和图1(h)可知,Fe、Mn的全年浓度为0.01～0.2和0.002～0.015mg/L,且均未超出地表水的限值。Fe、Mn的变动幅度都较大,但变化趋势相同。1-4月份Fe、Mn的浓度均处于较低水平,5月份之后,二者均有显著提高,并持续处于较高水平。这主要与汛期雨水冲蚀河道以及水库表层厌氧量的释放有关[7]。5月份之后,水库Fe、Mn仍维持较高水平,其主要原因是Fe和Mn在水中滞留的速度都较高、滞留时间都较长。因此,在5月份之后,Fe、Mn的增加将会对水质产生一定的影响。

3.2 各水质指标的相关性分析

CODMn与pH具有较强的相关关系(r=0.75**),表明影响二者的主要因子高度同源,即都是由浮游植物引起的。NO3-N与TN存在较强的相关性(r=0.74**),表明二者的变化是相似的。对于Fe、Mn而言,两者具有很强的关联度(r=0.82**),即变化的趋势是相同的。pH值与Mn的浓度之间存在强烈的负相关关系(r=-0.75**),但与Fe含量之间没有显著的相关关系。这主要是由于库区长期维持着一个弱碱性环境,Mn的溶解率比Fe低得多,Fe被快速的氧化并在水中保持稳定的状态,而Mn的氧化速率相对缓慢,故pH值对Mn的影响较大。

3.3 污染来源及贡献率分析

通过8项水质指标的因子分析,将各指标对每个因子的方差用特征值表达出来,就能够代表各因子在整体水质解释贡献度上所起的作用。有效因子一般为特征值大于1。该调蓄水库的前3个因子均为有效因子。对前3个因子进行分析,其累积解释率为84.7%,表明这3个因子可以较好地反映出原水质信息。

第1个因子(VF1)的解释率为38.7%,且与TN、NO3-N和TP之间存在较大的相关性。该因子可概括为与引水汇入这一因素有关。该调蓄水库主要水源为河水,而地表水的环境质量标准比水库要低,导致水库的水源品质较差,使水库的养分含量偏高,从而导致水质的供需矛盾。

第2个因子(VF2)的解释率为33.6%,且与pH值、CODMn、TP之间有较强的相关性。上文表明,该调蓄型水库中的浮游植物对pH值和CODMn有强烈影响,浮游植物会导致磷的进一步释放,从而导致磷负荷增大[8],这一因素反映出浮游植物对水库的水质产生了一定的影响。

第3项因子(VF3)的解释率为12.4%,且与Fe、Mn之间存在较强的相关性,表明这一因素与水库的内源释放效应密切相关。该调蓄水库的平均水位在15m以上,符合水体的热分层条件,在夏季库内的水温会发生显著的分层,水库的底层水体中溶解氧含量较低,进一步导致底层水体沉积物Fe和Mn的释放[9]。见表2。

表2 各项水质指标的因子分析

因子分析表明,第一因子引水汇入、第二因子浮游植物、第三因子内源释放是3个主要的污染来源,基于绝对主成分的多元线性回归模型,得到不同污染来源对该调蓄水库各项水质指标的贡献率,见表3。

表3 主要污染源对各水质指标贡献率

第一因子引水汇入对NO3-N和TN的贡献率为59.0%,TN占44.0%,表明该流域氮素的过半来源于引水汇入。第二因子浮游植物对CODMn的贡献高达40.0%,因此还需要注意浮游植物对水质的影响。第三因子内源释放对Fe和Mn的贡献率最高,为53.0%和46.0%。此外,由于该研究中的水质样品为库区表层0.5m处收集,因此该调蓄型库区在夏季分层时,其分析结论并不能充分反映库区的实际情况。要想从根本上提高水库水质,必须通过工程手段来去除地下水的分层,从而遏制地下水的内源性排放。

4 结 论

该调蓄水库8项水质指标基本达到地表水的Ⅱ类标准,并且波动范围较小。某些月份 pH、CODMn指数超过标准,主要是由于浮游植物的大量增殖所致。TN是一种重要的污染来源,应该通过降低引水来降低其对环境的影响。此外,Fe、Mn的浓度虽然较低,但有增加的倾向,值得重视。利用因子分析及绝对主成分的多元回归方法得出,该调蓄水库的水体质量受到诸多因素的制约,而主要的影响因素是引水汇入、浮游植物的大量繁殖以及由于水体热分层带来的内源释放。