李越,薛浩,孟凡生,張鈴松,梁朱明,張道萍,徐靜
1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院
2.中國環(huán)境科學(xué)研究院
3.河北大墺城市規(guī)劃設(shè)計有限公司
灤河作為海河流域四大水系之一,是津唐地區(qū)的重要水源地[1]。近年環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,灤河春汛期水質(zhì)波動較大,伊遜河是灤河的最大支流[2],部分國控斷面春汛期經(jīng)常出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象,主要超標(biāo)因子為化學(xué)需氧量(CODCr)和總磷(TP)等。一方面,污染物的過量輸入會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、缺氧等一系列環(huán)境污染問題,對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能造成威脅[3-4];另一方面,近年來水環(huán)境質(zhì)量考核不斷收緊,區(qū)域內(nèi)水質(zhì)考核面臨巨大壓力[5]。因此探索和揭示伊遜河春汛期水體污染物來源及組成,對流域水污染控制、水環(huán)境風(fēng)險防范及水質(zhì)目標(biāo)考核均具有重要意義。
水體溶 解性有機(jī)物(dissolved organic matter,DOM)是水生生態(tài)系統(tǒng)中一種活躍的化學(xué)組分,影響著水體的物理、化學(xué)與生物屬性[6-7]。不同水體DOM的三維熒光特征存在顯著的差異,這是由水體DOM的性質(zhì)決定的[8],因此熒光光譜可以用于表征和區(qū)分有機(jī)物的來源以及示蹤不同的水團(tuán)[9-10]。三維熒光激發(fā)-發(fā)射矩陣結(jié)合平行因子分析(EEM-PARAFAC)是采用交替最小二乘算法實現(xiàn)的一種數(shù)學(xué)模型方法[8],可以對DOM 中豐富的熒光組分進(jìn)行半定量分析[11],將熒光信號分解為相對獨立的熒光現(xiàn)象而加以鑒別,提高了準(zhǔn)確性[12],克服了傳統(tǒng)峰檢法不易識別和工作量大等缺點,是目前應(yīng)用較廣的水體DOM分析技術(shù)[13-15]。
以伊遜河及其最大支流伊瑪圖河為研究對象,分析水環(huán)境因子時空特征,使用EEM-PARAFAC 和DOM 來源解析分析水體污染物的熒光特性和來源,探究伊遜河春汛期水質(zhì)波動的主要原因,以期為伊遜河流域水環(huán)境質(zhì)量提升及綜合治理提供技術(shù)支撐。
伊遜河發(fā)源于河北省圍場縣哈里哈鄉(xiāng),流經(jīng)圍場滿族蒙古族自治縣、隆化縣和承德市雙灤區(qū),全長195 km,流域總面積6 750 km2,于灤河鎮(zhèn)匯入灤河干流,是灤河最大支流[2]。共設(shè)置17 個采樣點(圖1),分別于2020 年12 月(冰封期)和2021 年3 月(春汛期)對伊遜河干流及其主要支流伊瑪圖河進(jìn)行采樣。
圖1 伊遜河采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in Yixun River Basin
水溫(T)、電導(dǎo)率(EC)、溶解氧(DO)濃度、氧化還原電位(ORP)和pH 使用便攜式水質(zhì)分析儀(YSI Professional Plus,Yellow Springs,OH,美國)現(xiàn)場測定。各采樣點同步采集河水樣品,預(yù)處理后帶回實驗室,測定CODCr、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)以及氨氮()、總氮(TN)和總磷(TP)濃度,水樣采集、預(yù)處理、保存以及測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[16],使用總有機(jī)碳分析儀(TOC-LCPH,日本島津公司)測定水樣中溶解性有機(jī)碳(DOC)濃度。上述指標(biāo)測定過程中,均設(shè)置2 個平行樣品。為了保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,2 次水期采樣時每項指標(biāo)均采用同一檢測方法和相同的檢測儀器,避免系統(tǒng)誤差。
通過R 4.0.4 vioplot 程序包繪制小提琴圖以對比分析冰封期、春汛期各水環(huán)境因子濃度變化。
經(jīng)0.45 μm 濾膜過濾后,采用三維熒光分光光度計〔日立(Hitachi)F-7000〕測定水樣的三維熒光光譜,配以1 cm 石英比色皿,激發(fā)光源為150 W 氙燈,PMT 電壓為700 V,激發(fā)波長(Ex)為200~500 nm,發(fā)射波長(Em)為250~600 nm,Ex 和Em 增量均設(shè)置為5 nm,狹縫寬度為10 nm,掃描速率為2 400 nm/min,響應(yīng)時間設(shè)置為自動,樣品測定前保持溫度為25 ℃。濃度較高的水樣經(jīng)過精確稀釋后再進(jìn)行熒光光譜測定,以避免熒光內(nèi)濾效應(yīng)[5]。
PARAFAC 分析是基于三線性分解理論,采用交替最小二乘算法實現(xiàn)的一種數(shù)學(xué)模型,廣泛應(yīng)用于三維和高維數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用。計算公式如下[17]:
式中:xijk為成分?jǐn)?shù);ain、bjn、ckn分別為i×n、j×n和k×n具有清晰物理意義的成分矩陣A、B、C的元素;eijk為殘差立方陣的組成元素。
PARAFAC 分析方法主要通過數(shù)據(jù)的收集及預(yù)處理、異常值分析、模型的確認(rèn)和模型結(jié)果的解譯4 個關(guān)鍵程序來實現(xiàn)[11]。本研究中,以Milli-Q 超純水為空白樣品,所有樣品的三維熒光光譜扣除空白樣品光譜信號后使用Matlab R2017b 中DOMFluor工具箱進(jìn)行PAPAFAC 分析。熒光強(qiáng)度以Raman 單位(R.U.)表示,以Ex 為350 nm 時水的拉曼峰積分強(qiáng)度換算[12],EEM-PARAFAC 分析的參數(shù)條件詳見參考文獻(xiàn)[18]。
采用3 種常見的熒光參數(shù)〔熒光指數(shù)(fluorescence index,F(xiàn)I),自生源指數(shù)(biological index,BIX)和腐殖化指數(shù)(humification index,HIX)〕分析對比不同水期水樣中DOM 的來源[19]。其中FI 是指Ex 為370 nm 時,Em 分別在450 和500 nm 處的熒光強(qiáng)度比值,F(xiàn)I 可用來表征微生物來源有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的比例[20]。當(dāng)FI 小于1.4 時,表明DOM 是陸地或土壤源輸入;當(dāng)FI 為1.4~1.9 時,表明DOM 是陸源和自生源貢獻(xiàn)相結(jié)合;當(dāng)FI 大于1.9 時,表明微生物活動強(qiáng)烈[21]。BIX 是指Ex 為310 nm 時,Em 分別為380 和430 nm 處的熒光強(qiáng)度比值,表示微生物來源有機(jī)質(zhì)和外源有機(jī)質(zhì)的比例,可衡量自生源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)。當(dāng)BIX 為0.6~0.7 時,表明DOM 具有較少的自生組分;當(dāng)BIX 為0.7~0.8 時,表明DOM 具有中度新近自生源特征;當(dāng)BIX 為0.8~1.0 時,表明DOM 具有較強(qiáng)自生源特征;當(dāng)BIX 大于1.0 時,表明DOM 主要為自生源且有機(jī)質(zhì)為新近產(chǎn)生[5]。HIX 是指Ex 為255 nm 時,Em 分別為434~480 nm區(qū)域積分與300~346 nm 區(qū)域積分的比值,HIX 表征有機(jī)質(zhì)腐殖化程度或成熟度,DOM 的腐殖化程度越高,穩(wěn)定性越好,在環(huán)境中的存在時間相對越長。當(dāng)HIX 小于1.5 時,屬于生物或水生細(xì)菌來源;當(dāng)HIX 為1.5~3.0 時,屬于弱腐殖質(zhì)特征和重要的新近自生源;當(dāng)HIX 為3.0~6.0 時,屬于強(qiáng)腐殖質(zhì)特征和微弱的新近自生源;當(dāng)HIX 大于6.0 時,屬于強(qiáng)腐殖質(zhì)特征和重要的陸源貢獻(xiàn)[22]。
使用Spearman 秩相關(guān)分析,計算各環(huán)境因子及上述3 種熒光參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)及顯著性,進(jìn)行相關(guān)分析時,除pH 以外的所有水環(huán)境因子數(shù)據(jù)均通過標(biāo)準(zhǔn)化〔lg(x+1)〕[23]轉(zhuǎn)換為無量綱指標(biāo),使各指標(biāo)值處于同一數(shù)量級別,相關(guān)分析均通過R 4.0.4 軟件中corrplot 程序包實現(xiàn)。
冰封期、春汛期伊遜河各點位水環(huán)境因子變化見圖2。從圖2 可以看出,冰封期和春汛期水環(huán)境因子波動較大,其中9 項水環(huán)境因子均值變化范圍高于20%。與冰封期相比,春汛期6 項水環(huán)境因子顯著增高,分別為CODCr、CODMn、BOD5以及DOC、TP 濃度。冰封期、春汛期伊遜河各點位DOC 濃度分別為3.67~6.51、5.55~76.63 mg/L,平均值分別為5.36、31.81 mg/L,升高了4.94 倍;CODCr分別為6.00~18.00、16.00~140.00 mg/L,平均值分別為9.50、51.88 mg/L,升高了4.46 倍;濃度分別為0.01~1.68、0.03~5.05 mg/L,平均值分別為0.37、1.04 mg/L,升高了1.84 倍;TP 濃度分別為0.01~0.37、0.02~2.34 mg/L,平均值分別為0.10、0.55 mg/L,升高4.35 倍;CODMn分別為1.30~5.90、1.70~58.80 mg/L,平均值分別為2.83、16.71 mg/L,升高4.91 倍;BOD5分別為0.80~6.00、2.20~45.40 mg/L,平均值分別為2.41、7.57 mg/L,升高2.14 倍。
圖2 冰封期、春汛期水環(huán)境因子對比Fig.2 Comparison of water environmental factors in freezing season and spring flood season
根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,單獨以CODCr、、TP、CODMn和BOD5為判定因子進(jìn)行單因子評價時,冰封期Ⅴ類及劣Ⅴ水質(zhì)點位占比分別為0.00%、7.14%、7.14%、0.00%和0.00%,春汛期分別為70.59%、17.65%、58.82%、58.82%和29.41%。綜合考慮上述5 項環(huán)境因子的評價結(jié)果,與冰封期相比,春汛期Ⅴ類及劣Ⅴ水質(zhì)點位占比由14.29%升至88.24%,水環(huán)境質(zhì)量明顯惡化,主要超標(biāo)因子為CODCr、TP 和CODMn。張道萍等[5]在黑龍江流域研究結(jié)果也表明,以CODMn為判定因子進(jìn)行單因子評價時,黑龍江流域典型斷面在平水期和豐水期屬于劣Ⅴ類水質(zhì),在冰封期屬于Ⅲ類水質(zhì)。
今年11月1日,習(xí)近平總書記在民營企業(yè)座談會上發(fā)表重要講話,專門提出了要“解決民營企業(yè)融資難融資貴問題”。習(xí)近平總書記的重要講話為新時代民營經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了根本遵循,傳遞出黨中央對民營企業(yè)的信任、關(guān)懷、愛護(hù)與期待。省委書記婁勤儉就貫徹落實習(xí)近平總書記重要講話精神進(jìn)行專題調(diào)研,強(qiáng)調(diào)要堅決落實好習(xí)近平總書記講話要求,不斷為民營經(jīng)濟(jì)營造更好的發(fā)展環(huán)境。
林田野[24]研究表明,灤河流域內(nèi)存在較為明顯的面源污染,嚴(yán)重影響河庫水質(zhì)。王子為等[25]研究表明,伊遜河流域主要為農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域,畜禽養(yǎng)殖污染突出,流域的選礦企業(yè)整改后,畜禽養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)生活污染來源占比達(dá)到了59.91%。伊遜河春汛期TP 和濃度的顯著升高可能是由于融冰、融雪形成的地表徑流攜帶大量面源污染及畜禽養(yǎng)殖污染入河所導(dǎo)致的。
伊遜河是典型的北方山區(qū)性河流,陳慶鋒等[26]研究表明,北方山區(qū)性河流在汛期和融雪期具有徑流污染產(chǎn)生時間短、發(fā)生面積廣等特點。春汛期DOC 濃度顯著上升,可能是因為伊遜河中上游地區(qū)侵蝕強(qiáng)度較高,水土流失較為嚴(yán)重[24],春汛期大量的融冰、融雪形成地表徑流,泥沙俱下,土壤中的有機(jī)物更容易進(jìn)入河流[6],造成河流中CODCr、CODMn和BOD5升高。
基于平行因子分析法,冰封期和春汛期伊遜河水體DOM 的熒光組成一致(圖3),均識別出3 種熒光組分(表1),包括2 種類腐殖質(zhì)組分〔UVC 類腐殖質(zhì)(C1)和UVA 類腐殖質(zhì)(C2)〕以及1 種類蛋白組分〔類色氨酸(C3)〕。
表1 伊遜河水體DOM 熒光組分特征Table 1 Characteristics of DOM fluorescent components in Yixun River
圖3 基于平行因子分析法的伊遜河冰封期和春汛期熒光組分Fig.3 Fluorescence components identified by PARAFAC model in Yixun River in freezing season and spring flood season
C1 分別于Ex 為240/245 nm 和315/310 nm 處顯示出2 個激發(fā)峰,于Em 為410/420 nm 處對應(yīng)單個發(fā)射峰,對應(yīng)傳統(tǒng)意義上的A 峰〔Ex(230~260 nm)/Em(380~460 nm)〕和M 峰〔Ex(290~310 nm)/Em(370~420 nm)〕[22,29]。C1 代表陸源類腐殖質(zhì)成分,在森林溪流、濕地和受農(nóng)業(yè)影響的溪流中濃度較高[27],主要來源為天然源和農(nóng)業(yè)源,在廢水中較少出現(xiàn),但在一段時間的大雨后,廢水中也可以檢測到低水平的C1 組分,表明C1 組分很可能是被雨水沖進(jìn)城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)的土壤有機(jī)物[28]。
C2 分別于Ex 為270 和365 nm 處顯示出2 個激發(fā)峰,于Em 為480 nm 處對應(yīng)單個發(fā)射峰,對應(yīng)傳統(tǒng)意義上的A 峰〔Ex(230~260 nm)/Em(380~460 nm)〕和C 峰〔Ex(320~360 nm)/Em(420~480 nm)〕,這種激發(fā)和發(fā)射特征與由高分子量芳香族化合物組成的陸源有機(jī)質(zhì)有關(guān),代表DOM 主要來源于外源物質(zhì)的輸入[30-31]。Stedmon 等[29]研究表明,C2 很可能代表陸源腐殖質(zhì)的一個高分子量組分。Zhang 等[22]研究表明,C2 代表廣泛存在的陸源腐殖質(zhì)成分,其含量會隨著陸源營養(yǎng)物質(zhì)的輸入而增加。
C3 為類色氨酸組分,對應(yīng)傳統(tǒng)T 峰〔Ex(225~230、275 nm)/Em(340~350 nm)〕[22],反映的是生物降解來源形成的熒光峰值,主要由微生物和浮游植物作用產(chǎn)生[5],該類物質(zhì)常被作為生活污水、畜禽糞便等人為排放源的重要標(biāo)志[32-33]。Yang 等[18]研究表明,該組分與陸源污染物表現(xiàn)出了良好的相關(guān)性,說明除污水外,該組分與使用家禽糞便的農(nóng)田滲濾液也有關(guān)。
冰封期,伊遜河各點位C1、C2 和C3 的熒光強(qiáng)度平均占比分別為47%、27%和26%,春汛期分別為47%、31%和22%,2 個水期UVC 類腐殖質(zhì)貢獻(xiàn)率均接近50%,類腐殖質(zhì)總貢獻(xiàn)率均接近80%,說明伊遜河流域水體DOM 屬于類腐殖質(zhì)主導(dǎo)型。與冰封期相比,春汛期C1、C2 熒光強(qiáng)度均增加了1 倍左右,可能是受春季凍融過程的影響,林下枯枝落葉和土壤中腐殖質(zhì)等隨融冰融雪進(jìn)入水體,使水體DOM 的類腐殖質(zhì)濃度升高。與冰封期相比,春汛期C3 熒光強(qiáng)度占比有所下降,但熒光強(qiáng)度也增加了近1 倍,這是受春季水溫升高的影響,生物活動和降解過程加快。
冰封期和春汛期伊遜河各采樣點位水體DOM的FI 分別為1.65~1.88 和1.49~1.75,均介于1.4~1.9,說明2 個水期水體DOM 均是陸源和自生源貢獻(xiàn)相結(jié)合[21]。與冰封期相比,春汛期FI 略有下降,但降幅不明顯。冰封期和春汛期伊遜河各采樣點位水體DOM 的BIX 分別為0.76~1.31 和0.65~0.99,HIX分別為0.10~7.00 和0.40~6.00(圖4),與FI 相比,BIX 和HIX 波動范圍更大。
圖4 冰封期、春汛期DOM 的BIX-HIX 分布Fig.4 BIX-HIX distribution of DOM in freezing season and spring flood season
由圖4 可知,與冰封期相比,春汛期各點位BIX 明顯偏低。春汛期約65%的采樣點BIX 小于0.80,冰封期僅1 個采樣點BIX 小于0.80,說明與冰封期相比春汛期伊遜河各點位水體DOM 中自生源組分明顯降低,僅具有較少的自生組分或中度新近自生源特征[34]。與冰封期相比,春汛期各點位HIX 明顯偏高。春汛期約65%的采樣點HIX 大于3.00,冰封期僅5 個采樣點HIX 大于3.00,說明春汛期伊遜河各點位水體DOM 表現(xiàn)出更強(qiáng)的腐殖性和較弱的近期自生源特性,陸源貢獻(xiàn)占比顯著提高[22],這與BIX 表征結(jié)果一致。河水腐殖酸濃度高低是懸浮物、沉積物及土壤等多因素直接作用的結(jié)果,伊遜河春汛期陸源腐殖酸濃度的增加,是由融冰融雪過程對土壤的淋溶作用以及徑流攜帶的泥沙、枯枝落葉等河流懸浮物中腐殖酸的釋放所導(dǎo)致[35]。
春汛期伊遜河上游S1 和S2 采樣點以及伊瑪圖河上游S11~S13 采樣點BIX 明顯較低,HIX 較高,這可能是因為上游區(qū)域以林地和草地為主,沿岸植被茂密,春汛期徑流攜帶大量腐殖質(zhì)進(jìn)入水體,使水體中陸源輸入的DOM 占比較高。中下游BIX 逐漸升高,HIX 逐漸降低,可能是因為中下游主要為城鎮(zhèn)段,沿途生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水匯入,導(dǎo)致水體中微生物活動強(qiáng)度增加,自生源組分占比升高。值得注意的是,冰封期S1 和S2 采樣點HIX 均大于6.00,明顯高于其他點位,高HIX 說明高分子量芳烴等復(fù)雜分子組分占比較高[34]。這可能是因為冰封期源頭區(qū)域徑流主要靠泉水(地下水)補(bǔ)給,水量較小且攜帶山林中腐殖質(zhì)進(jìn)入水體,同時受季節(jié)溫度的影響,生物活動和降解過程緩慢。
伊遜河各采樣點3 項熒光參數(shù)與9 項水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系見表2。從表2 可以看出,F(xiàn)I 與EC、DOC 濃度、TP 濃度和CODMn4 項水質(zhì)參數(shù)呈顯著相關(guān)(R>0.6,P<0.01),BIX 與EC、DOC 濃度、CODCr、TP 濃度和CODMn5 項水質(zhì)參數(shù)顯著相關(guān),說明水體中污染物濃度升高是陸源腐殖質(zhì)濃度增加所導(dǎo)致。HIX 與各項水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性較弱,可能與冰封期上游點位HIX 過高有關(guān)。
表2 水體熒光參數(shù)與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性分析Table 2 Correlation between water quality parameters and fluorescence parameters of DOM samples
DOC 濃度與CODCr、TP 濃度、CODMn和BOD5均呈顯著正相關(guān),TP 濃度、濃度與CODMn3 個水質(zhì)參數(shù)之間呈顯著正相關(guān)。其中DOC 濃度與CODCr、CODMn的相關(guān)系數(shù)均大于0.8,說明春汛伊遜河水體CODCr和CODMn異常升高,主要是DOC 濃度升高所導(dǎo)致。春汛期伊遜河干流城市區(qū)域(S4~S6)DOC 平均濃度僅7.45 mg/L,較上游山林區(qū)域(S1~S3,36.86 mg/L)和下游農(nóng)田區(qū)域(S7~S10,28.34 mg/L)明顯偏低,結(jié)合水體DOM 熒光特性分析與熒光參數(shù)分析結(jié)果推測,春汛期水體DOC 濃度升高主要受2 方面因素影響:1)伊遜河流域以草原和林地為主[36],表層枯落物含量較高,在微生物作用下,有機(jī)質(zhì)分解主要聚集于表層土壤中[37],春汛期融冰融雪形成地表徑流攜帶大量陸源腐殖質(zhì)入河;2)伊遜河流域水土流失嚴(yán)重、面源污染突出[25],春汛期大量土壤有機(jī)質(zhì)及畜禽養(yǎng)殖糞便入河。TN 濃度與TP 濃度呈負(fù)相關(guān),可能是因為伊遜河流域表層土壤TN 總體較為缺乏,而TP 相對豐富[37]。
(1)與冰封期相比,春汛期CODCr、CODMn、BOD5以及DOC、、TP 濃度顯著增高,分別升高4.94、4.46、1.84、4.35、4.91 和2.14 倍;Ⅴ類及劣Ⅴ水體占比由14.29%升高至88.24%,水質(zhì)明顯惡化,主要超標(biāo)因子為CODCr、TP 濃度和CODMn。
(2)基于平行因子分析法,冰封期和春汛期伊遜河水體DOM 識別出3 種熒光組分,包括2 種類腐殖質(zhì)組分〔UVC 類腐殖質(zhì)(C1)和UVA 類腐殖質(zhì)(C2)〕以及1 種類蛋白組分〔類色氨酸(C3)〕。2 個水期C1 貢獻(xiàn)率均接近50%,類腐殖質(zhì)總貢獻(xiàn)率均接近80%,伊遜河流域水體DOM 屬于類腐殖質(zhì)主導(dǎo)型。
(3)冰封期和春汛期伊遜河各采樣點位水體DOM 的FI 分別為1.65~1.88 和1.49~1.75,BIX 分別為0.76~1.31 和0.65~0.99,HIX 分別為0.10~7.00和0.40~6.00。與冰封期相比,春汛期伊遜河各點位水體DOM 表現(xiàn)出更強(qiáng)的腐殖性和較弱的近期自生源特性,陸源貢獻(xiàn)占比較高。FI、BIX 與DOC 濃度、TP 濃度、CODCr和CODMn等水質(zhì)參數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(R>0.6,P<0.01),水體中污染物濃度升高是由陸源腐殖質(zhì)濃度增加所導(dǎo)致。初步推測,春汛期水體DOC濃度升高主要受高腐殖質(zhì)濃度背景、水土流失及農(nóng)業(yè)面源污染的影響。