金堤河不同水期水体污染物时空变化特征分析

张兆海 常琦 张坤 关冬

关键词：有机质指标；富营养化指标；主成分分析；金堤河

水作为重要的自然资源，是人类社会永续发展和长久兴盛的重要支撑［１－３］。如今，伴随着区域经济高速发展和城市化，水体污染问题日趋凸显［４］，而河流水系形成过程受地势地貌、内外营力、流域环境等诸多因素影响［５］，使得造成水污染的因素及污染物的时空分布极其复杂［６］，且随着人口组成类型发生重大转变，水污染引发的区域生态、经济、文化等方面的问题愈发严重［７］。进入２１世纪以来，随着社会发展和人类认知的提升，人们对江河源头、重点水域的研究和保护力度逐年增加［８－９］，对水体污染造成的环境和生存问题愈发重视，然而以往研究主要集中在大江大河等重点水系，对作为江河支流的小流域水体污染的研究相对较少。

大量研究表明，工农业生产及人类日常生活是造成小流域水体污染的主要因素［１０－１２］。作为江河支流的小流域多为季节性河流，具有明显的水期［１３］，流域内分布着城镇、农田、工厂等，导致污染物类型、浓度在不同水期、不同断面差异明显。有研究发现流域水体主要污染物为ＣＯＤＣｒ、ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５等，且有机质污染超Ⅲ类水质标准多倍［１４－１５］。赵婷婷等［１６］对漕桥河小流域水环境研究后发现，不同水期各断面所达水质标准以及各类污染物的主要来源均不同，且总氮对该流域污染负荷最大。吴敬东等［１７］对蛇鱼川小流域水质研究后发现，各污染物受季节和降水变化影响较大。张宇等［１８］对江宁河小流域水质污染状况研究后发现，在污染物来源中城镇生活污染最多，其次是农田种植污染，而主要污染物为化学需氧量和氨氮。污染物随水期变化情况较为复杂，受降雨影响地表径流会挟带大量泥沙、有机质及水体富营养化物质等［１９］。而受水流向下游流动和各断面不同来源污染物影响，污染物浓度和污染类型在各断面间的变化规律不尽相同，但整体表现为下游水质较差［２０］。同时，在不同水期流域入口断面和出口断面受水流汇入和反流等影响，污染物类型及浓度与流域内差异较大［２１］。然而，目前针对重点流域不同水期不同断面单一污染物的研究较多，而对小流域不同水期不同断面各污染物时空变化的研究相对较少。因此，开展小流域不同水期各断面污染物时空变化特征的研究，对探索流域水体污染成因、污染物分布及制定对应防治策略具有重要意义。

金堤河为黄河下游支流，流域呈上宽下窄的菱形，河水流进区坡洼地较多，水系复杂。受黄河泥沙淤积影响，流域中、下游排水不畅，致使干旱、洪涝、盐碱等灾害频发，水体污染较为严重［２２］。金堤河属于典型的季节性河流，水体污染是以流域土壤侵蚀、农业施肥、生活污水等为主的非点源污染，污染物的时空分布受水期的影响极为明显［２３］。近年来，随着金堤河生态保护力度的加大，流域水质得到大幅改善，但仍有部分断面受人类生产生活等因素影响，水质状况较差［２４］。笔者对金堤河不同水期不同断面主要水体污染物进行分析，旨在探讨各指标时空变化特征，为该流域水体污染防治提供理论参考依据。

１研究对象与方法

１．１研究区概况

金堤河发源于濮阳市滑县，为黄河下游地区重要支流之一，河道从濮阳市贯穿而过，是该市主要的集水、排水河道，在该市流域面积为１７５０ｋｍ２，约占该流域总面积的１／３。该流域属温带季风气候区，年日照时数较长，夏季降雨集中且雨量大，农作物生长季所需的光热和水资源充沛，适宜多种作物生长，农业生产潜力较大。年均气温为１３．５℃左右，年均降水量为６０６ｍｍ，蒸发量达１８００ｍｍ，降水少蒸发量大，降水时空分布不均，一年内有２１０ｄ左右为无霜期。

１．２样品采集与测定

１．２．１样品采集

为切实有效地反映金堤河水质变化情况，本文选取该流域６个断面作为观测取样点，分别为濮阳大韩桥、宋海桥、范县金堤桥、子路堤桥、贾垓桥和张秋。２０２０年每月对各断面进行３次采样，通过对多项监测指标筛选，选取溶解氧（ＤＯ）、五日生化需氧量（ＢＯＤ５）、化学需氧量（ＣＯＤＣｒ）、高锰酸盐指数（ＣＯＤＭｎ）、总氮、氨氮和总磷７项水质指标进行分析。文中不同水期分别为平水期（１—２月和１１—１２月）、丰水期（７—１０月）和枯水期（３—６月）；水质类型划分执行《地表水环境质量标准》（ＧＢ３８３８—２００２）。

１．２．２样品测定

各样品测定方法如下：溶解氧测定采取电化学探头法，五日生化需氧量测定采取稀释与接种法，化学需氧量测定采用重铬酸盐法，高锰酸盐指数的测定采用高锰酸钾－硫酸法，总氮测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法，总磷测定采用钼酸铵分光光度法。

１．３数据处理与分析

采用Ｅｘｃｅｌ和ＳＰＳＳ进行数据统计分析和主成分分析，对同一水期６个断面各水质指标以及同一断面不同水期各指标均进行了对比分析，采用独立样本ｔ检验，显著性水平ｐ＝０．０５。作图采用Ｏｒｉｇｉｎ８．０。

２结果与分析

２．１不同水期各断面水体有机质浓度时空变化特征

图１中不同小写字母表示在同一水期不同斷面指标浓度差异性显著（ｐ＜０．０５），不同大写字母表示在同一断面不同水期指标浓度差异性显著（ｐ＜０．０５），下同。由图１可知，各水期（平水期、丰水期和枯水期）ＤＯ浓度及丰水期ＢＯＤ５浓度在断面间差异性显著，丰水期张秋断面ＣＯＤＭｎ浓度、平水期濮阳大韩桥断面ＢＯＤ５和ＣＯＤＣｒ浓度较其他断面差异性显著，各断面ＤＯ浓度、濮阳大韩桥和张秋断面ＢＯＤ５浓度以及张秋断面ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ浓度受水期变化影响差异性显著。各水期水体有机质指标Ⅳ类及以上水质标准的占比在枯水期最大，以ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ为主，占比５４．１７％，且平水期和丰水期以ＣＯＤＣｒ和ＢＯＤ５污染为主。平水期ＤＯ浓度和ＢＯＤ５浓度分别在贾垓桥和范县金堤桥断面达到最大，较平均值分别高１４．８３％和１９．０９％，丰水期和枯水期分别在贾垓桥和张秋断面达到最大，较平均值分别高４９．２７％、１３．１１％和４１．７９％、３１．１７％。各水期ＣＯＤＣｒ浓度均在张秋断面达到最大，较平均值分别高２３．４３％、１４．０５％和２０．４３％。ＣＯＤＭｎ浓度在平水期和丰水期在张秋断面达到最大，较平均值分别高１９．６４％和８４．１７％，枯水期在范县金堤桥断面达到最大，较平均值高９．８８％。同时，从上游至下游各断面水体有机质指标中Ⅳ类及以上水质标准的占比整体呈现增大趋势。濮阳大韩桥和宋海桥断面ＤＯ浓度以及范县金堤桥、子路堤桥与贾垓桥断面ＢＯＤ５浓度在平水期均高于其他水期，且ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ浓度枯水期均高于其他水期。张秋断面ＤＯ浓度平水期高于其他水期，ＢＯＤ５和ＣＯＤＭｎ浓度丰水期均高于其他水期，ＣＯＤＣｒ浓度枯水期均高于其他水期。

２．２不同水期各断面水体富营养化指标浓度时空变化特征

由图２可知，在平水期和丰水期总氮浓度及氨氮浓度、各水期总磷浓度在各断面间差异性显著，濮阳大韩桥、宋海桥和张秋断面总氮浓度，范县金堤桥和贾垓桥断面氨氮浓度以及宋海桥断面总磷浓度受水期变化影响差异性显著。各水期水体富营养化指标在Ⅳ类及以上水质标准的占比分别为５５．５６％、６１．１１％和５０％，且各水期主要污染物为总氮。各水期劣Ⅴ类水质指标的占比分别为２７．７８％、１６．６７％和２２．２２％，污染物主要为总氮。在平水期和丰水期，总氮和氨氮浓度分别在子路堤桥和范县金堤桥断面达到最大，较平均值分别高５４．７５％、７３．０９％和１１４．０３％、１０２．９４％，枯水期分别在范县金堤桥和宋海桥断面达到最大，较平均值高４５．１４％和８０．３８％。总磷浓度平水期在宋海桥断面达到最大，较平均值高１０５．１３％，丰水期在范县金堤桥断面达到最大，较平均值高５８．２９％，枯水期在子路堤桥断面达到最大，较平均值高３１．４６％。同时，濮阳大韩桥断面总氮浓度平水期均高于其他水期，氨氮和总磷浓度丰水期均高于其他水期。宋海桥断面总氮、氨氮和总磷浓度平水期均高于其他水期。范县金堤桥和子路堤桥断面总氮和氨氮浓度在平水期均高于其他水期，总磷浓度丰水期均高于其他水期。贾垓桥断面氨氮浓度平水期高于其他断面，总氮和总磷浓度丰水期均高于其他断面。张秋断面总氮浓度枯水期高于其他断面，氨氮浓度平水期高于其他断面，总磷浓度丰水期高于其他断面。

２．３不同水期水质评价

对不同水期各断面的７个指标进行主成分分析，各水期所提取的第１、第２主成分累计贡献率分别达８３．２１％、８５．２２％和８０．４０％，能够较好地代表数据所反映的信息（见表１），并对各水期７个变量指标信息运用第一和第二主成分进行充分提取（见表２）。将各水期２个主成分的得分值分别代入综合评价函数中，利用相关公式（平水期Ｆ＝Ｆ１×５８．３６％＋Ｆ２×２４．８５％，丰水期Ｆ＝Ｆ１×４８．６１％＋Ｆ２×３６．６１％，枯水期Ｆ＝Ｆ１×５７．０７％＋Ｆ２×２３．３３％）可得出各断面２个公因子的综合得分，并依据此得分对各断面进行排序（见表３）。由表３可知，在平水期，宋海桥断面的综合得分（０．５７）最高，范县金堤桥断面（０．５６）次之，濮阳大韩桥断面（－１．１２）最低；在丰水期，范县金堤桥断面（０．５５）最高，子路堤桥断面（０．３９）次之，濮阳大韩桥断面（－１．１１）最低；在枯水期，范县金堤桥断面（０．５３）最高，宋海桥断面（０．４０）次之，濮阳大韩桥断面（－１．３５）最低。由以上分析可知，平水期宋海桥断面ＤＯ、ＢＯＤ５、ＣＯＤＣｒ、ＣＯＤＭｎ、总氮、氨氮和总磷对金堤河污染物的贡献高于其他断面，丰水期和枯水期范县金堤桥断面对金堤河污染物的贡献均高于其他断面。

３讨论

溶解氧（ＤＯ）、五日生化需氧量（ＢＯＤ５）、化学需氧量（ＣＯＤＣｒ）和高锰酸盐指数（ＣＯＤＭｎ）是水体有机质研究中的主要指标，作为衡量水体自净能力和污染程度的重要参考依据，其值大小反映了水体中污染物含量的多少［２５］。研究发现，金堤河Ⅳ类及以上水质标准的占比枯水期＞平水期＞丰水期，且在各水期均会出现ＣＯＤＣｒ污染，这与樊庆锌等［２６］对松花江哈尔滨段城市水污染研究结果相似，说明水体污染程度和污染物类型与水期密切相关，本研究区属于农业活动区，在枯水期降水少风沙大、农村污水排放、土壤扰动及农业施肥增加，导致水体有机物污染加重，而在丰水期降水增多、农业施肥减少，流域水量增加会减少污染物积累，加快水体更新。同时，本研究发现，在同一断面不同水期，从上游至下游各断面水体有机质指标Ⅳ类及以上水质标准的占比呈现增大趋势。各断面在平水期、丰水期和枯水期各指标浓度会呈现不同的变化趋势，ＤＯ、ＢＯＤ５、ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ浓度平水期分别在贾垓桥、范县金堤桥和张秋断面达到最大，丰水期在贾垓桥和张秋断面达到最大，枯水期在子路堤桥、张秋和范县金堤桥断面达到最大，这与周炼等［２７］对武烈河流域水体污染情况相似。以上研究结果说明，各水期有机质污染的时空分布受多重因子影响，在金堤河各水期有机质污染物会出现不同程度的累积现象，在流域中、下游地区水体有机质污染较为严重，其中张秋断面在各水期水体有机质浓度都较高，主要原因是该断面处于流域末端，承载了大量来自中上游地区的水体污染物。因此，对该流域农村生活污水应集中处理达标后再排放，对生活垃圾应集中收集、统一填埋。

金堤河作为濮阳市主要的集、排水河道，长期受到来自人类生活、畜禽养殖及农业活动的污染，这些污染物随降雨、地下水入渗进入河流，造成河水富营养化指标浓度增加。总氮、氨氮和总磷是衡量地表水环境质量是否合格和水体治理规划的重要参考依据［２８］，其在特定时间段内的浓度变化不仅反映了该时段水体质量，同时也间接映射了研究区土地利用空间分布格局和迁移廊道性质［２９］。陆海明等［３０］对蓟县城东农业小流域氮素浓度研究后发现，村庄排污是造成曹各庄流域地表径流污染物浓度高的主要原因，而季节性河流中的“汇”可以有效降低地表径流中的氮污染。张彦等［３１］通过对卫河流域河南段水体污染物时空差异性分析，在各监测断面非汛期氨氮处于Ⅳ类及以上水质标准的占比大于汛期，而总磷与之相反。本研究发现，同一水期不同断面间总氮、氨氮和总磷，在Ⅳ类及以上水质标准的占比表现为丰水期＞平水期＞枯水期，且平水期为总氮＞氨氮＞总磷，丰水期和枯水期为总氮＞总磷＞氨氮，而劣Ⅴ类水质污染主要在平水期和枯水期，污染物主要为总氮，这与庆旭瑶等［３２］和李国锋等［３３］对河流污染及水质评价的研究结果相似。说明丰水期降雨增多，大量污染物随地表径流汇入河流，造成河水水体污染物浓度大幅上升，而平水期正处于农耕时节，施肥、畜禽活动以及伴随人类生产的其他活动都向环境中释放了大量污染物，这些污染物部分积累在地表，部分直接进入河流，造成河水污染加重，同时受温度变化、反硝化作用强弱等因素的影响，总氮在各水期的含量均较高，且各水期总氮、氨氮和总磷浓度的变化幅度均较大。平水期子路堤桥、范县金堤桥和宋海桥断面，丰水期子路堤桥和范县金堤桥断面以及枯水期范县金堤桥、宋海桥和子路堤桥断面的总氮、氨氮和总磷浓度高于其他断面。以上情况表明，金堤河中游地区人类生产生活更加频繁，水体富营养化较为严重。同时发现，在同一断面不同水期，水体富营养化指标中Ⅳ类及以上水质标准的占比表现为范县金堤桥和子路堤桥断面最大，濮阳大韩桥断面最小，且在流域中上游各断面总氮浓度以及中下游氨氮和总磷浓度表现为平水期最高，这与杜霞等［３４］对河水富营养化的研究结果一致。说明平水期降水量减小、气温相对较低，加之该时段植物枯死以及微生物活动下降，水中的氮、磷元素不能被及时吸收和分解，造成水体中总氮、氨氮和总磷含量较高。因此，农业生产活动应尽量减少使用农药和化学肥料，多使用有机肥和秸秆还田沤肥，同时在日常生活中应减少使用含磷和氮较高的生活用品。

水環境污染是由不同类型和含量的污染物造成的，各指标都能从某一方面反映水体污染状况，而主成分分析法是将多重污染因子归入特定系统进行量化处理，整体分析水体污染因子的一种水环境评价方法，与传统研究方法相比具有一定的优越性［３５－３６］。本文选择了７项主要水质指标，对金堤河流域不同水期６个断面进行研究分析，各因子既独立又相关。研究发现，平水期ＰＣ１的主要影响因子为ＤＯ、ＢＯＤ５、总氮、氨氮和总磷，ＰＣ２的主要影响因子为ＣＯＤＣｒ和ＣＯＤＭｎ；丰水期ＰＣ１的主要影响因子为ＤＯ、ＢＯＤ５、ＣＯＤＣｒ和总磷，ＰＣ２的主要影响因子为ＣＯＤＭｎ、总氮和氨氮；枯水期ＰＣ１的主要影响因子为ＢＯＤ５、ＣＯＤＣｒ、ＣＯＤＭｎ、总氮、氨氮和总磷，ＰＣ２的主要影响因子为ＤＯ，说明在各水期水环境均会出现不同程度的污染，水期不同主要污染物的类型也不尽相同，但ＢＯＤ５和总磷在各水期均为影响水环境的主要因子，这与卜红梅等［３７］对金水河流域污染的研究结果一致。原因可能是监测断面均位于农业活动区，土地耕作和农药化肥的施用产生大量的污染物随地表径流汇入河水，造成污染物浓度升高，采用主成分分析法对流域断面污染状况进行评价发现，平水期宋海桥断面、丰水期和枯水期范县金堤桥断面水体污染最为严重，以上断面在不同水期为流域提供了大量的污染物。因此，加强宋海桥和范县金堤桥断面污染物排放管理极为重要，对以上区域人类生活形成的生活垃圾和污水应集中统一处理，在农业生产过程中应减少化肥和农药的施用。

４结论

１）黄河流域主要支流金堤河水体有机质指标Ⅳ类及以上水质标准的占比呈现枯水期＞平水期＞丰水期，从上游至下游占比呈现增大趋势，各水期都会出现ＣＯＤＣｒ污染，且在张秋断面各有机质浓度均高于其他断面。

２）水体富营养化指标在Ⅳ类及以上水质标准的占比呈现丰水期＞平水期＞枯水期，断面间范县金堤桥和子路堤桥占比较大，流域中上游各断面总氮浓度以及中下游氨氮和总磷浓度在平水期最高，而劣Ⅴ类水质污染主要在平水期和枯水期，污染物主要为总氮。

３）各指标综合分析发现，ＢＯＤ５和总磷为影响该流域水环境的主要因子，平水期宋海桥断面、丰水期和枯水期范县金堤桥断面水体污染较为严重。