江蘇省太湖流域水質(zhì)污染特征分析

江蘇省太湖流域水質(zhì)污染特征分析

近幾十年來，隨著太湖流區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和農(nóng)村城市化進(jìn)程的加快，區(qū)域河網(wǎng)嚴(yán)重污染，水生態(tài)問題日益突出。在“51”期間，通過實(shí)施“流域水污染防治規(guī)劃”和“國家水污染控制和管理科技共同專項(xiàng)”等項(xiàng)目，加強(qiáng)了流域水污染防治投資，積極推動了流域水環(huán)境的防治工作。雖然水質(zhì)總體上有所改善，但由于多種社會發(fā)展因素，很難在短時(shí)間內(nèi)改變水環(huán)境的管理模式。在“25”期間，太湖流區(qū)仍然處于工業(yè)化和城市化快速發(fā)展的階段，經(jīng)濟(jì)增長緩慢，環(huán)境壓力繼續(xù)增加。由于湖泊周邊的恢復(fù)和其他因素，湖區(qū)面積逐漸減少，天然濕地逐漸消失，自然植被的覆蓋面積顯著縮小，水生態(tài)系統(tǒng)日益惡化，流域水環(huán)境日益突出，限制了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，全面了解太湖流區(qū)水質(zhì)和污染的空間特征對水環(huán)境、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。目前,常用的水質(zhì)評價(jià)方法主要包括指數(shù)法［1］、層次分析法［2］、模糊綜合評價(jià)法［3］、灰色評價(jià)法［4］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［5］等.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,使得以上方法在進(jìn)行水質(zhì)分析時(shí)具有一定的局限性.主成分分析法與前述方法有著不同的原理和特性,可以將眾多指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(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,在實(shí)際應(yīng)用中可以獲得很好的效果.本文通過對2012年江蘇省太湖流域的全面水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,從流域水質(zhì)空間變化特征入手,結(jié)合流域污染情況,利用主成分分析法探討水質(zhì)的空間差異以及引起差異的可能原因,找出影響流域水環(huán)境的主要驅(qū)動因子,以期為江蘇省太湖流域水環(huán)境保護(hù)和水污染防治提供科學(xué)參考.1研究領(lǐng)域和方法1.1流域地形及河流水文現(xiàn)狀太湖流域地跨江蘇、浙江、安徽、上海三省一市,是長江三角洲的核心區(qū)域,總面積3.69×104km2.江蘇省太湖流域包括太湖湖體、蘇州市、無錫市、常州市和丹陽市的全部行政區(qū)域,以及句容市、高淳區(qū)、溧水區(qū)行政區(qū)域內(nèi)對太湖水質(zhì)有影響的河流、湖泊、水庫、渠道等水體所在區(qū)域,總面積約1.94×104km2,占太湖全流域的52.6%,其中陸地面積約為1.37×104km2,水面面積為0.57×104km2.全流域地勢平坦低洼,西南高,東北低,地形以平原水網(wǎng)為主,少量低山丘陵分布于流域西部,流域內(nèi)水網(wǎng)交錯,湖泊眾多,水流流速緩慢［6］.從太湖主要出入湖河道近年來水質(zhì)變化狀況分析,太湖流域水質(zhì)已逐年改善并逐步趨于穩(wěn)定,太湖綜合治理的效果正逐步顯現(xiàn),但北部和西部入湖河流的污染問題依然嚴(yán)峻［7-9］.1.2水質(zhì)指標(biāo)的測定為了對江蘇省太湖流域水質(zhì)空間分布變化特征進(jìn)行研究,在研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)87個采樣點(diǎn),基本覆蓋全流域(圖1),其中太湖湖體20個,流域范圍67個,各點(diǎn)位所處河道或湖區(qū)情況具體見表1.于2012年11月519日,對全部點(diǎn)位進(jìn)行采樣,調(diào)查的水環(huán)境指標(biāo)包括五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、硝酸鹽(NO3－)、亞硝酸鹽(NO2－)、磷酸鹽(PO43－)、可溶性有機(jī)碳(DOC)、總有機(jī)碳(TOC)、懸浮物(SS)、總硬度(TH)、總堿度(TA)、碳酸鹽(CO32－)、重碳酸鹽(CO42－)、硫酸鹽(SO42－)、氯化物(Cl－)、鈉(Na+)、鈣(Ca2+)、鉀(K+)、鎂(Mg2+)、鎘(Cd2+)、鉻(Cr6+)、銅(Cu2+)、汞(Hg2+)、鉛(Pb2+)、鋅(Zn2+)和砷(As3+).各項(xiàng)指標(biāo)的測定方法見《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》［10］.采樣期間,天氣晴朗,沒有降雨.水樣采用有機(jī)玻璃采水器在水面下50cm處采集,所有水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后存于4℃冰箱,在48h內(nèi)分析測試完畢.1.3建立水質(zhì)綜合得分本文采用主成分分析方法,在保證數(shù)據(jù)信息損失最小的前提下,經(jīng)線性變換舍棄一小部分信息,以少數(shù)的綜合變量取代原始采用的多維變量［11］.在此基礎(chǔ)上,將提取出的主成分因子的得分與其對應(yīng)的特征值占所提取主成分因子總的特征值之和的權(quán)重相乘,而后求和得到綜合評分,然后取水質(zhì)綜合得分來分析流域的水質(zhì)狀況.具體分析步驟見文獻(xiàn)[12-13].2結(jié)果與討論2.1分區(qū)主要特征指標(biāo)2.1.1水質(zhì)主成分分析根據(jù)太湖流域水生態(tài)功能分區(qū)［14］,太湖流域21個三級水生態(tài)功能區(qū)中,除湖體外江蘇境內(nèi)的有Ⅲ111、Ⅲ112、Ⅲ113、Ⅲ211、Ⅲ212、Ⅲ213、Ⅲ231、Ⅲ232和Ⅲ233,共9個,具體分區(qū)見圖1.將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)化處理后各行數(shù)據(jù)平均值等于0,標(biāo)準(zhǔn)差等于1.利用SPSS20.0軟件分別對28個水環(huán)境指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)和特征值進(jìn)行分析,并根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率確定主成分個數(shù).主成分個數(shù)提取原則有3個:①只取λ>1的特征根對應(yīng)的主成分;②累計(jì)百分比達(dá)到80%~85%以上的λ值對應(yīng)的主成分;③根據(jù)特征根變化的突變點(diǎn)決定主成分的數(shù)量［15］.為了使具有較大因子載荷量的變量個數(shù)減到最低限度,采用方差最大的正交旋轉(zhuǎn),經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的因子重新分配各個因子的原始變量的方差,使得因子的方差更接近,也更易于解釋.分析結(jié)果見圖2和表2,圖2反映了所有因子特征值信息,按照主成分分析因子選取原則,選取前5個因子作為主成分因子,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到88.908%(表2),能夠代表整體因子的情況.選取前三個主成分的分值來進(jìn)行計(jì)算分析,經(jīng)最大方差旋轉(zhuǎn)后,第一主成分(F1)的方差貢獻(xiàn)率為26.249%,其中TH、Ca2+、NH3-N、Mg2+、TP、TN、As3+和PO43－所占的因子載荷較大,可以代表水體的富營養(yǎng)化狀況;第二主成分(F2)的方差貢獻(xiàn)率為19.222%,其中Hg2+、Cr6+、NO3－、SS和Cd2+所占的載荷較大,說明第二主成分主要反映水體重金屬水平;第三主成分(F3)的方差貢獻(xiàn)率為15.582%,與第三主成分有關(guān)聯(lián)的主要是K+、DOC、TOC、SO42－和Na+,主要代表水體有機(jī)污染狀況及農(nóng)業(yè)面源污染情況,各分區(qū)主成分得分及綜合得分具體見表3.由表3可以看出,2012年江蘇省太湖流域各三級分區(qū)的水質(zhì)污染程度排序?yàn)?Ⅲ213>Ⅲ233>Ⅲ211>Ⅲ112>Ⅲ212>Ⅲ111>Ⅲ232>Ⅲ231>Ⅲ113,各分區(qū)綜合得分分布見圖3.從第一主成分F1得分的排名來看,排在前三位的是Ⅲ111、Ⅲ112和Ⅲ233,說明這3個分區(qū)水質(zhì)因子NH3-N、TP和TN等營養(yǎng)鹽含量相對較高;第二主成分F2得分列前三位的分別是Ⅲ213、Ⅲ211和Ⅲ232,說明Hg2+等重金屬污染是這些分區(qū)的主要問題;Ⅲ233、Ⅲ231和Ⅲ213在第三主成分F3上的得分較高,反映這3個區(qū)域受有機(jī)污染影響相對較大.2.1.2水質(zhì)污染空間分布特征從水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,主成分分析結(jié)果較真實(shí)地反映了實(shí)際情況.在第一主成分F1上得分較高的Ⅲ111、Ⅲ112和Ⅲ233區(qū)域里所設(shè)的4、5和11個監(jiān)測點(diǎn)中,分別有3、4和8個監(jiān)測點(diǎn)的TN超標(biāo)都很嚴(yán)重,超標(biāo)1.13~8.80倍,位于Ⅲ233區(qū)的測點(diǎn)81,其TP超標(biāo)達(dá)9.00倍;主要受第二主成分F2影響的各分區(qū)中的Ⅲ213和Ⅲ232區(qū)域,監(jiān)測點(diǎn)53的Hg2+超標(biāo)3.40倍,監(jiān)測點(diǎn)54的Cd2+、Hg2+分別超標(biāo)0.20倍和1.80倍,監(jiān)測點(diǎn)42和72的Hg2+分別超標(biāo)1.00倍和0.40倍.由此看出,江蘇省太湖流域9個三級水生態(tài)功能區(qū)中,常規(guī)化學(xué)污染物主要為TN,重金屬污染物則主要是Hg2+,這也與主成分分析得出的富營養(yǎng)化指標(biāo)占優(yōu),其次為重金屬指標(biāo)的結(jié)論較吻合.徐前榮［16］統(tǒng)計(jì)得知,太湖流域TN自濃度最高的1996年開始到2001年,基本處于下降狀態(tài),2001年濃度最低,且接近Ⅴ類地表水標(biāo)準(zhǔn),而2001年以后,太湖湖體TN濃度逐年上升.監(jiān)測發(fā)現(xiàn)［17］河流TN濃度均值遠(yuǎn)高于湖泊Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),可見氮污染是環(huán)太湖河流的主要污染特征,環(huán)太湖河流總氮年均入湖量為3.70×104t［18］,控制入湖河流中氮負(fù)荷的輸入仍然是太湖治理的重點(diǎn).流域受農(nóng)業(yè)與工業(yè)污染的雙重影響,從污染源類型分布來看,北部工業(yè)污染突出,排污量居流域之首,西部化工業(yè)污染貢獻(xiàn)較大,小化工、印染、造紙業(yè)是污染貢獻(xiàn)最大的三大產(chǎn)業(yè);流域種植業(yè)發(fā)達(dá),面源污染負(fù)荷重,據(jù)統(tǒng)計(jì)太湖流域各類化肥中氮肥所占比例最大［19］,且每畝耕地平均化肥施用量約為40kg,遠(yuǎn)高于全國平均水平0.0277kg/m2［16］,而作物吸收的氮不到40%［20］,雖然截止到2011年江蘇省太湖地區(qū)氮肥的施用量比2005年降低了18%左右［21］,但仍有很大削減空間.環(huán)太湖河道水質(zhì)差異的一般規(guī)律為:除望虞河水質(zhì)好于或接近于出湖河道太浦河水質(zhì)外,其它入湖河道的水質(zhì)較差,而出湖河道的水質(zhì)較好.太湖下游水質(zhì)優(yōu)于上游水質(zhì),太湖的稀釋擴(kuò)散作用極為明顯.大城市河道的水質(zhì)要好于鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村的一些小河道.河網(wǎng)污染與鄉(xiāng)鎮(zhèn)治污控制力度有直接關(guān)系,鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)較發(fā)達(dá)的錫西、武東地區(qū)目前處于嚴(yán)重污染時(shí)期［19］,導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量空間特征大體表現(xiàn)為北高南低、西高東低的趨勢,這與流域內(nèi)水流走向一致,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)以湖體為中心,水環(huán)境質(zhì)量基本上由流域周界向湖體逐漸變好,說明以湖體輻射流域的環(huán)太湖水體保護(hù)及污染治理工作取得了一定的成效,但改善水環(huán)境的任務(wù)依然艱巨.2.2岸區(qū)水質(zhì)污染空間分布特征2.2.1水質(zhì)主成分分析對太湖湖體用同樣的方法進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明,前5個主成分因子的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了94.410%(表4).經(jīng)最大方差旋轉(zhuǎn)后,第一主成分(F1)的方差貢獻(xiàn)率占到了39.671%,遠(yuǎn)大于其他主成分,其中TN所占的因子載荷最大,第二主成分(F2)的方差貢獻(xiàn)率為17.467%,其中Hg2+所占的載荷超過其他因子,呼應(yīng)流域水質(zhì)分析的結(jié)果,反映了流域外源輸入是導(dǎo)致湖體水質(zhì)污染的主要原因之一.2012年太湖湖體各湖區(qū)的水質(zhì)污染程度排序?yàn)?竺山灣>梅梁灣>貢湖灣>西部沿岸區(qū)>五里湖>東部沿岸區(qū)>湖心區(qū)>東太湖>南部沿岸區(qū).其中竺山灣、梅梁灣、五里湖以及西部沿岸區(qū)仍然是湖體中氮、磷污染較嚴(yán)重的區(qū)域(表5).2.2.2水質(zhì)污染空間分布特征從水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,竺山灣TN超標(biāo)最顯著,平均超標(biāo)3.14倍,TP平均超標(biāo)1.60倍,TP超標(biāo)居首的是西部沿岸區(qū),平均超標(biāo)2.60倍.值得注意的是,苕溪和太浦河兩條太湖主要出湖河流與太湖交界河口附近的湖區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo).對于重金屬指標(biāo)而言,湖體中竺山灣、梅梁灣以及貢湖灣3個灣口與湖心區(qū)交匯處重金屬Hg2+超標(biāo)非常嚴(yán)重,超標(biāo)倍數(shù)在5.40~29.80之間.太湖流域氮、磷污染占的比重大,方差貢獻(xiàn)率最大,總體上屬于面源污染類型,來源主要是流域陸上農(nóng)村生活污染和農(nóng)業(yè)面源污染排放［22］.湖體營養(yǎng)鹽指標(biāo)最高的是西北部湖灣,東太湖的營養(yǎng)鹽指標(biāo)較小,為全湖最低水平,呈現(xiàn)自北向南、自西向東以高營養(yǎng)程度向低營養(yǎng)程度擴(kuò)散的趨勢,這與已有的文獻(xiàn)報(bào)道［23-24］一致.營養(yǎng)鹽含量的增加是水體營養(yǎng)程度提高的前提,一方面,竺山灣、梅梁灣及西部沿岸區(qū)一帶受入湖污染源影響較大,其上游有多條太湖主要入湖河道,是太湖沿岸污染源最為集中的區(qū)域,故營養(yǎng)鹽指標(biāo)高,東太湖水生植被覆蓋面積大,對營養(yǎng)鹽吸收較好,說明F1的高值與主要河流入湖口排污量以及水生植被等生物凈化作用密切相關(guān)［11，25］;另一方面,太湖北部區(qū)域,由于工業(yè)、旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口集中,以及竺山灣、梅梁灣的地形不利于水中污染物擴(kuò)散,同時(shí)該地區(qū)夏季盛行東南風(fēng)等不利的氣候水文條件,致使夏季在太湖西北湖區(qū)經(jīng)常形成嚴(yán)重水華現(xiàn)象,加重了太湖北部的污染,太湖調(diào)水引流工程也只能增強(qiáng)局部地區(qū)的水體流動.湖體營養(yǎng)鹽含量還可能與內(nèi)源釋放有關(guān),太湖除梅梁灣、五里湖、竺山灣、貢湖灣和東太湖幾個湖灣淤積較重之外,還存在3個明顯的底泥蓄積帶:①自大浦口、茭瀆港向東北至金墅港底泥蓄積帶;②自新瀆港西部沿岸向南至長興分港底泥蓄積帶;③自沉瀆港向東北至漫山湖底泥蓄積帶.這3條底泥蓄積帶底泥深一般超過1m,泥量占總底泥量的2/3［26］.水體重金屬Hg2+的污染主要來自氯堿、塑料、電池、電子等工業(yè)排放的廢水,燃煤、火電等行業(yè)排向大氣和土壤的Hg2+也將隨著水循環(huán)回歸水體,因此在太湖流域需加強(qiáng)對這些行業(yè)污染的重視.3流域外源輸入1)采用主成分分析法研究江蘇省太湖流域水質(zhì)特征,從原始水質(zhì)數(shù)據(jù)中提取占總方差的比例較大的5個因子來反映水體的污染程度,經(jīng)過分析識別得到江蘇省太湖流域的主成分因子:以氮、磷等為主的營養(yǎng)鹽指標(biāo)和以Hg2+為主的重金屬指標(biāo).2)江蘇省太湖流域水環(huán)境質(zhì)量空間特征大體表現(xiàn)為北高南低、西高東低的走向,這與流域內(nèi)水流走向一致,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)以湖體為中心,水環(huán)境質(zhì)量基本上由流域周界向湖體逐漸變好,對應(yīng)流域水質(zhì)分析的結(jié)果,太湖湖體也呈現(xiàn)自北向南、自西向東以高營養(yǎng)程度向低營養(yǎng)程度擴(kuò)散的趨勢,反映了流域外源輸入是導(dǎo)致