平原感潮河网地区河道水体表观污染评价及来源解析

李海云，潘杨，张龙飞，陈旭宇，秦天羽，吕凌霄，李尚珂

1.苏州科技大学环境科学与工程学院

2.佛山市南海区苏科大环境研究院

水体表观污染是指外界污染物进入城市水体后，受到物理、生物、化学等多种迁移转化过程的影响，以及在气象、水动力等外部环境因素的作用下，水体呈现出颜色异常、浑浊、散发刺激性气味等引起人体感官不悦的现象。其对居民的生活环境产生负面影响，有悖于建设生态城市的目标。因此，研究水体表观污染对治理城市水环境和促进城市生态文明具有重要价值。随着平原感潮河网地区城乡一体化进程不断加快，河流的纳污能力和水环境承载力降低，且由于地势低平、洪潮叠加等因素，通常在河道修建水闸等工程措施，导致水体交换不畅，抗污染能力较弱[1]；加之河道坡降近乎为零，形态结构单一，水体自净能力下降[2-3]，平原感潮河网地区的水质污染严重，河道水体表观呈现出浑浊、异色等不良感官现象，甚至出现藻类水华、黑臭等极端现象。故亟须开展河道水体表观污染治理工作，其中准确客观地评价表观污染情况、定量化解析河道水体表观污染的来源和贡献率对于河道的管理具有积极作用。

目前，水环境污染源常用的定量解析方法主要有输出系数法[4-6]、化学质量平衡模型（CMB）[7]、UNMIX 模型[8-9]、绝对主成分-多元线性回归分析模型（APCS-MLR）[10-11]和正定矩阵因子分解模型（PMF）[12-13]。其中，PMF 模型具有不需要详细的源成分谱、分解矩阵中元素非负、能够合理处理遗漏和不精确的数据等优点[14]，在水环境污染源解析中得到广泛应用。基于PMF 模型，涂茜等[15]解析出湖溪河的主要污染源为城区生活污水（39.5%），次源为管内沉积物（28.88%）、工业园区废水（16.24%）及地表径流（15.38%）。Ren 等[16]解析出虎嘴河流域地下水中多环芳烃的主要来源和贡献率为木、煤、汽油源（41.4%），其次为柴油源（39.4%）和天然气燃烧（19.2%）。Sara 等[17]解析出Danube 河支流受农业源影响大于主干河流。然而这些应用主要集中在地表水水质污染、地下水污染及其特定污染物的源解析，关于水体表观污染的来源解析鲜有研究。

佛山市大沥镇受到排水体制、城镇建设、环保基础设施、河涌自身特性及其他因素影响，河道水质污染严重，河道的主要功能转变为景观功能。本文以佛山市大沥镇河道为研究对象，分涨潮、退潮时段对水体进行连续采集和监测，并采用本课题组所建立的水体表观污染指数法以及水体表观污染类型的分类方法对河道的水体表观污染程度以及水体类型进行评价，分析大沥镇河道水体的表观污染情况，同时利用PMF 模型分析研究区内河道水体表观污染的来源及贡献率，以期为城市河道管理与治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

于2022 年2—8 月分涨潮和退潮2 个时段在佛山市大沥镇7 个片区河道采集水样，分别为谢边涌及香基河片区、镇水围片区、盐联围片区、黄岐盐联围片区、白沙片区、泌冲片区及后海片区。其中涨潮和退潮时段由中华人民共和国海事局官网（https://www.msa.gov.cn/）获知，采样点位置见图1。

图1 采样点位置示意Fig.1 Distribution of sampling points

1.2 监测指标与分析方法

测定指标中，温度（T）、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、酸碱度（pH）采用多参数水质仪（HI98196，意大利）测定，浊度采用浊度分析仪（Turb 355IR，德国）测定，总氮（TN）采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定，总磷（TP）采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测定，氨氮（N-N）采用纳什试剂分光光度法测定，高锰酸盐指数（CODMn）采用高锰酸钾酸性法测定，悬浮物（SS）采用重量法测定，叶绿素a（Chl-a）采用分光光度法测定。

水体表观污染的表征采用水体表观污染指数法[18]（SPI），该方法是评价水体表观质量优劣的一种手段，依据式（1）计算出SPI，并将水体分为好（SPI 为0～10）、较好（SPI 为10～25）、尚可（SPI 为25～45）、较差（SPI 为45～70）以及差（SPI>70）5 个等级。

式中：x为水样过滤前后吸收光谱扫描曲线的围合面积；β为颜色修正系数，取值如表1 所示。

表1 水体颜色修正系数(β)取值Table 1 Color correction factors (β) of watercourse

片区水体表观质量对比的评价指标采用P45[18]，该值越大，表明区域水体表观质量的整体状况越好，计算公式如下：

式中：P45为SPI<45 的监测断面的累积频率，%；m为区域内SPI<45 的监测断面数，个；n为区域内监测断面总数，个。

1.3 景观水体表观污染类型分类方法

本课题组经过前期研究，依据水体表观污染成因，将水体表观污染类型分为4 类：有机主导型、无机主导型、营养主导型和混合型。有机主导型水体污染物主要为有机物，水体污染严重，包括水体黑臭和藻类过度繁殖引起的水华；无机主导型水体主要含泥沙等无机颗粒，浊度偏高；营养主导型水体表观污染主要由无机营养盐引起，水体清澈，无明显悬浮颗粒物；混合主导型水体的表观状态由无机物和有机物共同引起[19]。具体分类方法见表2[20]，判别优先级为有机>无机>营养>混合。

表2 表观污染类型分类方法Table 2 Classification methods for apparent pollution types

1.4 正定矩阵因子分解模型

正定矩阵因子分解模型（PMF）是由Paatero 等[21]于1993 年提出的一种数据分析方法，其原理是将污染物含量（原始实测数据）矩阵因子化，分解为2 个因子矩阵（源贡献矩阵和源成分谱矩阵），以及1 个残差矩阵，公式如下：

式中：Xij为原始实测数据；gik为源贡献矩阵；fk j为源成分谱矩阵；eij为残差矩阵；i为样品数；j为污染物种类；h为污染源数量。

污染源的解析及其贡献率主要使用 EPA PMF 5.0软件进行计算，需要输入样品的物种浓度和样品的物种不确定度(Unc)2 个文件。

当水质指标实测浓度小于或等于方法检出限(MDL)时，Unc 的计算公式为：

当水质指标实测浓度大于MDL 时，Unc 的计算公式为：

式中Urel 为污染物浓度的相对标准偏差，%。

1.5 数据分析

使用Origin 9.0 和Excel 2007 软件进行作图及数据处理，采用SPSS 软件对数据进行相关性分析，采用EPA PMF 5.0 软件进行不同表观污染类型源解析。

2 结果与讨论

2.1 大沥镇河道水体表观污染评价

2.1.1 整体表观污染评价

水体SPI 及表观质量等级分布随时间变化如图2 所示，其中86%的时段SPI 均值大于45，表明大沥镇河道水体整体表观质量较差。从图3 可以看出，除个别时段外，混合主导型河道占比大于50%，表明大沥镇河道水体表观污染类型以混合主导型为主。进一步由图2 和图3 可知，水体整体表观污染程度季节性变化较明显，早春SPI 均值在37.84～38.33波动，“较差”及以下等级的河道占比在58%以下，同时，营养主导型河道占比在38%以上；晚春SPI 均值在46.71～52.21 范围波动上升，表观质量处于“较差”及以下等级的河道占比逐渐增加至92%；同时，营养主导型河道占比降至8%；夏季，SPI 均值在64.54～53.46 范围波动下降，“较差”及以下等级的河道占比在83%以上，最高达100%，同时营养主导型河道占比降为0%。表明夏季和晚春的水体表观污染程度重于早春。

图2 SPI 及水体表观质量等级分布随时间的变化Fig.2 SPI value and apparent quality grade distribution over time

图3 表观污染类型占比随时间的变化Fig.3 Proportion of apparent pollution types over time

2.1.2 片区表观污染对比评价

大沥镇不同片区P45的对比如图4 所示，各片区水体表观状况从优至劣依次为镇水围片区>白沙片区>盐联围片区>黄岐盐联围片区>谢边涌及香基河片区>泌冲片区>后海片区。在所有片区中，镇水围片区表观污染最轻。由图5 可知，该片区河道水体表观类型由混合主导型和营养主导型组成，且多呈营养主导型，所占比例为57%。后海片区河道水体表观污染最重，其河道水体表观污染类型包含营养主导型、有机主导型、无机主导型和混合主导型4 种类型，其中无机主导型所占比例为11%，在所有片区中占比最高，而营养主导型仅占7%，在所有片区中相对较低。

图4 不同片区P45 的对比Fig.4 Comparison of P45 in different areas

图5 不同片区表观污染类型占比Fig.5 Proportion of apparent pollution types in different areas

2.1.3 不同时段表观污染评价

大沥镇河道2022 年2—8 月不同时段SPI 的空间插值如图6 所示，插值分析结果共分为蓝、淡蓝、黄、橙、红5 个档次，河道水体表观质量依次变差。总的来看，退潮时段蓝色和淡蓝色面积明显少于涨潮时段，而黄色和橙色区域面积多于涨潮时段，表明退潮时段表观质量比涨潮时段差，可能是因为涨潮时段由外江进水，水容量增加，对污染物起稀释作用；而退潮时段水位下降，河涌的自然流动造成了较严重的底泥泥泛现象，释放大量污染物[22]，从而影响水体表观。其中，北部颜色变化较南部小，这可能与潮汐动力向内传播过程的衰减有关；而镇东部及西部区域在这2 个时段颜色相差不大，表明涨退潮对其河道水体表观质量影响较小，可能与河道闸门多处于关闭状态有关。

图6 不同时段大沥镇河道水体SPI 变化Fig.6 Changes in SPI of river channels in Dali Town during different periods

2.2 表观污染类型溯源分析

特征指标或特征值是用来判定水体表观污染类型的指标或数值，用以区分不同的表观污染现象，能够有效预示水体表观污染类型的变化趋势，且会随着水体表观污染类型的变化而变化，表明表观污染类型与特征指标或特征值之间具有共通之处[23]，因此可借助于特征指标或特征值来对不同的表观污染类型进行溯源。首先通过特征指标或特征值的相关性分析，确定影响水体表观污染的重点指标；再结合其他因子通过PMF 模型分析，确定每一项重点指标的污染源；最后通过定量计算，得出相应污染源的贡献率，实现对不同表观污染类型污染源的定量解析。

2.2.1 不同表观污染类型重点指标确定

分析各表观污染类型特征指标或特征值与其他环境因子的相关性，如表3 所示。DO、TN、N-N、TP 浓度和CODMn与ORP 显著相关，因此选取TN、N-N、TP、CODMn作为有机主导型（黑臭）的重点指标；DO、N-N、TP 浓度与DO/DOs 浓度显著相关，CODMn与Chl-a 浓度显著相关，因此选取N-N、TP、CODMn作为有机主导型（水华）的重点指标；pH、T、N-N 浓度与Chl-a 浓度显著相关，因此选取T、N-N 作为营养主导型的重点指标。CODMn、SS 浓度与CODMn/浊度显著相关，但由无机主导型水体类型特点可知，CODMn较低，仅为4.0～6.6 mg/L，远低于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水标准限值（10 mg/L），因此选取SS 浓度作为无机主导型的重点指标。

表3 不同表观污染类型特征指标或特征值与各环境因子的相关系数Table 3 Correlation coefficients between characteristic indicators or characteristic values of different apparent pollution types and environmental factors

2.2.2 不同表观污染类型重点指标的污染源及其贡献率

由于特征指标和特征值表征表观污染类型，因而将除了特征指标和特征值的其余指标带入PMF 模型[24]，结果如图7 所示。有机主导型（黑臭）、有机主导型（水华）、营养主导型、无机主导型4 种表观污染类型水体水质分别解析出5、5、3、5 种污染因子成分谱，分别记为H、S、Y、W。

确定所有的水质污染来源后，与水体表观污染相关的重点指标污染源也相应被确定，如图8 所示。引起有机主导型（黑臭）的重点指标主要来源于点源污染，其次为内源污染；引起有机主导型（水华）的重点指标主要来源于农业面源，特别是55%以上的N-N 和TP 来源于农业面源；引起营养主导型的重点指标主要来源于种植业污染，地表径流、气象因素分别对N-N、T也有一定的贡献；引起无机主导型的重点指标主要来源于地表径流。

图8 不同表观污染类型重点指标的污染源及其贡献率Fig.8 Pollution sources and contribution rates of key indicators of different apparent pollution types

2.2.3 不同表观污染类型的污染源及其贡献率

通过对PMF 模型中各表观污染类型重点指标的污染源提供的物质浓度占所有物质浓度比例的计算，最后得出各表观污染类型污染源的贡献率，如表4 所示。点源污染是有机主导型（黑臭）的主要污染源，贡献率为52.61%；农业面源是有机主导型（水华）的主要污染源，贡献率为35.98%；种植业污染是营养主导型的主要污染源，贡献率为51.43%；地表径流是无机主导型的主要污染源，贡献率为41.50%。

表4 大沥镇河道不同表观污染类型污染来源贡献率Table 4 Contribution rate of pollution sources of different apparent pollution types in Dali Town's rivers

应用PMF 模型对水体不同表观污染类型进行溯源是借助于判定各表观污染类型的特征指标或特征值，由于在表观污染类型分类方法中混合主导型没有特征指标或特征值来判定，所以目前应用PMF 模型对混合主导型无法进行溯源，未来可对混合主导型的判定条件进一步优化，从而完善水体表观污染的溯源。

3 结论

（1）2022 年2—8 月，佛山市大沥镇景观河道水体表观整体质量不佳，水体表观污染类型以混合主导型为主。表观污染程度季节性变化较明显，夏季和晚春的表观污染程度重于早春。

（2）不同片区表观污染具有差异性，表观状况从优至劣排序为镇水围片区>白沙片区>盐联围片区>黄岐盐联围片区>谢边涌及香基河片区>泌冲片区>后海片区。

（3）大沥镇河道退潮时段水体表观质量较差，涨退潮对镇南部河道水体表观质量影响较大。

（4）河道水体不同表观污染类型的污染源及贡献率不同，有机主导型（黑臭）的主要污染源为点源污染（52.61%）；有机主导型（水华）的主要污染源为农业面源（35.98%）；营养主导型的主要污染源为种植业污染（51.43%）；无机主导型的主要污染源为地表径流（41.50%）。