于東升 袁宏林 張 穎 李世超 孫中浩

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

太湖西岸水質(zhì)變化趨勢及主要驅(qū)動因子*

于東升 袁宏林#張 穎 李世超 孫中浩

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

基于2009—2015年太湖西岸10個監(jiān)測斷面的8個水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，采用季節(jié)性Kendall檢驗法對其指標(biāo)的濃度變化趨勢進(jìn)行分析，并用主成分分析法結(jié)合相關(guān)分析評價歷年水質(zhì)狀況，分析影響太湖西岸水質(zhì)的主要驅(qū)動因子。結(jié)果表明：(1)2009—2015年太湖西岸COD下降趨勢顯著，DO非顯著上升，電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、氨氮、TP和TN均表現(xiàn)為高度顯著下降趨勢。(2)主成分分析從原始信息中提取出兩個主成分，共解釋了73.645%的結(jié)果，分別代表水質(zhì)氮磷營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染。綜合得分表明，2009—2015年太湖西岸水質(zhì)呈逐年改善趨勢。水質(zhì)污染在空間上表現(xiàn)為北部向南部遞減的趨勢。(3)相關(guān)分析表明，氨氮和COD是影響該區(qū)域水質(zhì)的主要驅(qū)動因子。

太湖西岸 水質(zhì)變化 季節(jié)性Kendall檢驗法 主成分分析 相關(guān)分析

太湖位于長江三角洲南部，是我國第3大淡水湖，現(xiàn)有水面面積2 338.1 km2[1]。近年來，由于太湖周邊工業(yè)、農(nóng)業(yè)及旅游業(yè)的的迅速發(fā)展，太湖出入湖河流水質(zhì)均有不同程度惡化[2]。湖泊與河流間水質(zhì)高度關(guān)聯(lián)，入湖河流不僅補給湖泊水量，也是湖泊污染物的重要來源，大部分點源與面源污染物通過入湖河流進(jìn)入湖泊，與湖水混合并在湖泊水體中擴(kuò)散，導(dǎo)致河口附近一定區(qū)域內(nèi)水質(zhì)惡化[3-4]，尤其是上游河流更能直接體現(xiàn)出湖泊污染的現(xiàn)狀[5]。因此，研究太湖上游主要入湖河流的水質(zhì)變化趨勢及污染的主要驅(qū)動因子是正確進(jìn)行水質(zhì)污染防治的基礎(chǔ)。太湖西岸位于太湖上游，是藍(lán)藻水華發(fā)生最頻繁的水域[6]。國內(nèi)部分學(xué)者對太湖西岸主要河流進(jìn)行相關(guān)研究[7-9]，然而目前對太湖西岸水質(zhì)變化的分析多為定性分析，并沒有定量給出變化趨勢，也缺乏水質(zhì)變化驅(qū)動因子的分析，難以為治理該區(qū)域污染提供科學(xué)依據(jù)。

本研究采用季節(jié)性Kendall檢驗法對太湖西岸主要入湖河流近7年(2009—2015年)的主要水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢進(jìn)行判別，對水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢進(jìn)行定量分析，再利用主成分分析法探討水質(zhì)污染的年際及空間差異，并分析引起差異的可能原因，同時結(jié)合相關(guān)分析法判斷影響水環(huán)境的主要驅(qū)動因子，以期為太湖西岸水質(zhì)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況和研究方法

太湖西岸(31°10′35″N～31°29′13″N，119°55′28″E～120°3′10″E)位于太湖上游宜興區(qū)段，自分水至洑東岸線長60 km，分布有近50條入湖河道，其中通航河道近10條，由于防洪大堤的興建，部分入湖河道被阻斷[10]，其影響太湖水域面積為242.3 km2，約占太湖總面積的10.4%。宜興市地區(qū)年降雨量較大，地面水豐富。該區(qū)域河網(wǎng)密布，主要水系為宜溧河和洮滆水系，地勢西高東低，流域地表水體通過主要入湖河道最終匯入太湖西岸，匯入水量占入湖徑流總量的52.87%。其中，陳東港、大浦港和殷村港年均入湖水量超過5×108m3，該區(qū)域入湖河流水質(zhì)直接關(guān)系到太湖水質(zhì)[11]24-25。由于流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人口的快速增長及水資源保護(hù)工作的相對滯后，流域內(nèi)水污染一直未得到解決[12]，致使匯流至太湖西岸的水質(zhì)污染問題也很嚴(yán)峻，已成為影響地區(qū)周圍經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活健康的嚴(yán)重隱患。

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用宜興市環(huán)境保護(hù)局提供的轄區(qū)內(nèi)10個監(jiān)測斷面2009—2015年的水質(zhì)數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻率為每月一次，共840個檢測樣本，監(jiān)測斷面由北向南依次為百瀆港、殷村港、沙塘港、社瀆港、官瀆港、洪巷港、陳東港、大浦港、烏溪港、大港，均為太湖西岸主要入湖港口。水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)為電導(dǎo)率、DO、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、COD、TP、氨氮、TN。所有水樣的采集及檢測分析均按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的方法進(jìn)行實驗室分析。

1.2 研究方法

應(yīng)用季節(jié)性Kendall檢驗法、主成分分析法和相關(guān)分析法對太湖西岸的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各類方法由Excel 2007和SPSS 19.0實現(xiàn)。

1.2.1 季節(jié)性Kendall檢驗法

季節(jié)性Kendall檢驗是Mann-Kendall檢驗的一種推廣，可排除影響水質(zhì)的復(fù)雜因素和非正態(tài)分布等原因[13]。用季節(jié)性Kendall檢驗法判斷水質(zhì)趨勢時，序列長度一般選擇5～8年為宜。過短的水質(zhì)序列不能準(zhǔn)確判斷是否存在趨勢，過長的水質(zhì)序列則會出現(xiàn)一種趨勢掩蓋或抵消另一種趨勢的現(xiàn)象[14]。本研究選取7年進(jìn)行季節(jié)性Kendall檢驗，能保證趨勢分析的可靠性。

1.2.2 主成分分析法

由于水質(zhì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，水環(huán)境質(zhì)量受到諸多因素的影響，使得目前常用的指數(shù)法、層次分析法、灰色評價法、模糊綜合評價法等在進(jìn)行水質(zhì)分析時具有一定的局限性。主成分分析法將眾多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合指標(biāo)，最大程度地避免信息的丟失，提高分析結(jié)果的可靠性[15]。在使用主成分分析前對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗以確認(rèn)是否適合做主成分分析，其檢驗方法有巴特萊特球形檢驗和KMO檢驗。若差異檢驗值顯著時認(rèn)為數(shù)據(jù)適合進(jìn)行主成分分析；KMO統(tǒng)計量接近1，則變量適合進(jìn)行主成分分析[16]。

通過主成分的綜合得分可評價年際和斷面水質(zhì)污染情況，本研究利用相關(guān)分析中的斯皮爾曼檢驗來確定導(dǎo)致水質(zhì)污染的主要驅(qū)動因子。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)趨勢分析結(jié)果

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，取監(jiān)測斷面各指標(biāo)歷年各月均值作為當(dāng)月均值進(jìn)行季節(jié)性Kendall趨勢檢驗，結(jié)果見表1。2009—2015年，太湖西岸COD下降趨勢顯著，DO非顯著上升，其余6項水質(zhì)指標(biāo)均表現(xiàn)為高度顯著下降趨勢。電導(dǎo)率和TP下降趨勢最明顯，平均每年分別下降1.438 mS/m和0.011 mg/L，表明生活污水減少；DO無明顯變化，年平均僅上升0.048 mg/L，這與太湖西岸常年的盛行風(fēng)導(dǎo)致水生植物稀少有密切關(guān)系；COD有顯著下降趨勢，年平均下降0.487 mg/L，可能是由于受到太湖西岸農(nóng)業(yè)面源和居民生活污水釋放的有機(jī)污染物的影響。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測資料，2015年太湖西岸年平均入湖TN為4.54 mg/L，嚴(yán)重超標(biāo)，COD和氨氮濃度大于GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，其余指標(biāo)基本在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。說明雖然水質(zhì)指標(biāo)呈下降趨勢，但改善水環(huán)境的任務(wù)依然艱巨。

表1 污染物指標(biāo)季節(jié)性Kendall趨勢檢驗結(jié)果1)

注：1)|Z|≥2.567，表示高度顯著；1.645≤|Z|<2.567，表示顯著；|Z|<1.645，表示非顯著。肯達(dá)爾斜率的正、負(fù)分別表示上升、下降。2)除電導(dǎo)率單位為mS/m外，其余指標(biāo)單位均為mg/L。

2.2 主成分分析評價結(jié)果

取各監(jiān)測斷面指標(biāo)的歷年年均值進(jìn)行主成分分析，本研究中KMO統(tǒng)計量為0.786，巴特萊特球形檢驗值小于0.001，說明變量間存在相互關(guān)系，符合主成分分析的要求。特征值選取原則為大于1，共篩選出的前兩個主成分解釋了73.645%的結(jié)果(見表2)。采用方差最大的正交旋轉(zhuǎn)使數(shù)據(jù)具有更好的解釋性。太湖西岸各指標(biāo)旋轉(zhuǎn)因子荷載表示各水質(zhì)指標(biāo)在主成分旋轉(zhuǎn)空間上的投影，指標(biāo)離中心越遠(yuǎn)，說明水質(zhì)指標(biāo)與主成分間的相關(guān)系數(shù)越大[17]。主成分1的方差貢獻(xiàn)率為58.704%，其中TN和TP距離主成分1的距離最大，代表水體的氮磷營養(yǎng)鹽污染狀況；主成分2的方差貢獻(xiàn)率為14.941%，高錳酸鹽指數(shù)和COD的距離最大，反映了水體的有機(jī)污染水平?？傮w表明，太湖西岸2009—2015年水體污染主要以氮磷營養(yǎng)鹽污染為主，其次是有機(jī)污染。

表2 相關(guān)矩陣的特征值、方差及累計方差貢獻(xiàn)率

2.3 水質(zhì)污染空間分布特征

2009—2015年監(jiān)測斷面綜合得分平均值逐年下降(見圖1)，表明水質(zhì)呈改善趨勢。百瀆港、殷村港、沙塘港、社瀆港和官瀆港5個監(jiān)測斷面位于太湖西岸北部，綜合得分總體高于平均值，表明該區(qū)域?qū)μ靼端|(zhì)污染貢獻(xiàn)較大。2009年后綜合得分變小，呈穩(wěn)定改善的趨勢。百瀆港、殷村港、沙塘港和社瀆港屬于洮滆水系，起源于滆湖；官瀆港西起錢墅蕩，東入太湖，河流均為宜興本地徑流。以上5個監(jiān)測斷面均受武宜運河與橫塘河水質(zhì)影響。2009年以來，該區(qū)域重點污染企業(yè)被強制關(guān)閉，鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水管網(wǎng)基本實現(xiàn)覆蓋，河流水質(zhì)狀況變好。以武宜運河為例，其水質(zhì)呈逐漸變好趨勢，以其TP和TN為例，年均值分別由2009年的0.38、4.23 mg/L降低到2015年的0.18、3.45 mg/L(見圖2)。說明太湖西岸北部5個監(jiān)測斷面水質(zhì)受上游河流水質(zhì)影響呈改善趨勢。

圖1 2009—2015年監(jiān)測斷面綜合得分Fig.1 The comprehensive scores of monitoring sections during 2009-2015

圖2 太湖西岸上游河流中TP和TN年均值變化Fig.2 The annual variation of TP and TN in the upstream rivers of the west bank of Taihu Lake

洪巷港、陳東港和大浦港3個監(jiān)測斷面位于宜興城區(qū)下游，水質(zhì)改善趨勢不明顯，除洪巷港外，陳東港和大浦港綜合得分總體低于平均值。3者均屬于宜溧河水系，西起東氿，水質(zhì)污染主要來自于上游宜興城區(qū)。以東氿為例，TP和TN總體均有改善趨勢，表明近年來宜興城區(qū)對企業(yè)污水排放水平控制和生活污水處理設(shè)施建設(shè)起到重要作用。但由于城市雨水徑流和港口附近較大面積的圍塘養(yǎng)魚等影響，致使入湖港口水質(zhì)改善趨勢并不明顯。

烏溪港和大港位于太湖西岸南部丁蜀鎮(zhèn)，綜合得分總體低于平均值，烏溪港水質(zhì)改善趨勢不明顯，大港水質(zhì)有惡化趨勢。這兩個監(jiān)測斷面入湖水量全部為宜興本地徑流，區(qū)域林地覆蓋面積大，工業(yè)污染較輕，污染源主要是生活污水。2013年，大港綜合得分上升，水質(zhì)突然變差，水質(zhì)單項指標(biāo)表明，TP、TN和COD等污染指標(biāo)均突然增大。分析大港入湖流量得知，2013年流量為2.33 m3/s，是歷年的2.06倍，降雨量增加是流量變大的主因，并帶入大量的農(nóng)業(yè)面源污染；同時，流量變大造成河流底泥擾動，使底泥中豐富的氮、磷等污染物進(jìn)水水體，從而導(dǎo)致大港水質(zhì)明顯惡化。近幾年，大港采取了不同的控制和削減方案，村莊生活污水的處理率達(dá)到70%[11]12-13，農(nóng)田用地規(guī)范化，降低了農(nóng)業(yè)面源的影響。因此，2015年大港綜合得分又下降。

太湖西岸水質(zhì)污染在空間上總體表現(xiàn)為自北部向南部遞減的趨勢，與邊博等[18]研究結(jié)果一致。其中控制太湖西岸入湖河流中氮負(fù)荷的輸入仍然是太湖治理的重點。根據(jù)胡開明等[19]研究，2015年太湖西岸氨氮和TN現(xiàn)狀入河總量分別為1 294.6、2 018.8 t，削減潛力為638.3、641.9 t，其中生活源特別是農(nóng)村生活源的削減潛力較大，削減率在30%～70%。說明氮污染現(xiàn)狀較嚴(yán)峻。

2.4 水質(zhì)污染的驅(qū)動因子

為從較多的指標(biāo)中提取與水體污染狀況有關(guān)的控制因素，分析太湖西岸水體污染的驅(qū)動因子，根據(jù)LUNDBERG等[20]的研究方法，分析了各指標(biāo)與主成分間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。氨氮與主成分1、COD與主成分2相關(guān)性最顯著(P<0.01)，且均為正相關(guān)。因此，氨氮和COD是太湖西岸水質(zhì)污染的主要驅(qū)動因子。

表3 各指標(biāo)與主成分間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)1)

注：1)*和**分別表示顯著性P<0.05和P<0.01。

氨氮是水體中的富營養(yǎng)化物質(zhì)和主要耗氧污染物，2009—2015年平均占TN的30%左右，對氮污染貢獻(xiàn)較大。其主要來源城鎮(zhèn)生活污水，其次是工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)面源。由于宜興城鎮(zhèn)人口增加、污水處理不當(dāng)和農(nóng)業(yè)氮肥超量施肥，使得氨氮污染水平較高，促進(jìn)水域富營養(yǎng)化，加重水質(zhì)惡化狀況。COD作為衡量水體有機(jī)污染的參數(shù)，其主要來源于工業(yè)和生活污水等點源輸入。由于近幾年氮磷污染呈下降趨勢，有機(jī)污染物成為了影響水質(zhì)的重要因素。

3 結(jié) 論

(1) 2009—2015年太湖西岸COD下降趨勢顯著，DO非顯著上升，電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、氨氮、TP和TN均表現(xiàn)為高度顯著下降趨勢；電導(dǎo)率和TP下降趨勢最明顯。

(2) 運用主成分分析方法將8個水質(zhì)指標(biāo)綜合為兩個主成分，共解釋了73.645%的結(jié)果，分別代表水體的氮磷營養(yǎng)鹽污染和有機(jī)污染，能基本上反映原指標(biāo)信息。應(yīng)用綜合得分評價歷年太湖西岸水質(zhì)污染狀況，2009—2015年太湖西岸水質(zhì)呈逐年改善趨勢。水質(zhì)污染在空間上表現(xiàn)為北部向南部遞減的趨勢。

(3) 太湖西岸水質(zhì)污染的主要驅(qū)動因子為氨氮和COD。

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TrendanddominatingfactorsofwaterqualitychangeinthewestbankofTaihuLake

YUDongsheng，YUANHonglin，ZHANGYing，LIShichao，SUNZhonghao.

(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’anShaanxi710055)

Based on 8 parameters monitored at 10 control sections of the west bank of Taihu Lake during 2009-2015，seasonal Kendall test was used to analyze the changing trend of index concentration. Combined with related analyses of water quality in calendar year，principal component analysis was used to analyses the dominating factors influencing the water quality in the west bank of Taihu Lake. The results showed that：(1) COD was significantly decreased. DO was non-significantly risen. Electrical conductivity，permanganate index，BOD5，ammonia nitrogen，TP and TN were highly significantly decreased in the west bank of Taihu Lake during 2009-2015. (2) 2 principal components were extracted from the original monitoring data by principal component analysis，which explained 73.645% of the results and represented of nitrogen and phosphorus nutrient salt and organic pollution of water quality. Comprehensive score showed that water pollution improved year by year in the west bank of Taihu Lake during 2009-2015. The water pollution was showed a downtrend from the north to the south in space. (3) Correlation analysis showed that ammonia nitrogen and COD were the dominating factors influencing the water quality in this area.

the west bank of Lake Taihu; water quality change; seasonal Kendall test; principle component analysis; correlation analysis

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.004

于東升，男，1989年生，碩士研究生，研究方向為水體污染控制技術(shù)與理論。#

。

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2014ZX07305-002)。

2016-05-11)