2022, Vol. 43
2. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085;
3. 深圳市北林苑景观及建筑规划设计院有限公司, 深圳 518038;
4. 深圳市环境科学研究院, 深圳 518001
, WANG Hua-cai2 , XIA Bing3 , JIANG Can-can2 , WU Wei-ye4 , LI Zhi-lin4 , LI Shi-min4 , SU Hui1 , BAI Zhi-hui2 , XU Sheng-jun2
, ZHUANG Xu-liang2
2. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
3. Shenzhen Beilinyuan Landscape and Architecture Planning and Design Institute Co., Ltd., Shenzhen 518038, China;
4. Shenzhen Academy of Environmental Sciences, Shenzhen 518001, China
雨源型城市河流具有源短流急、水环境容量小和生态脆弱的特点[1], 易受到人类的强烈干扰, 致使流域水资源短缺和水体污染严重, 河流水生态系统急剧退化, 进而造成诸多环境和社会问题.
龙岗河是重要的雨源型河流, 流域位于人口高度集中的经济发达地区, 其主要用水量为工业用水和城市用水, 受水污染和需水量大影响, 此区域大部分水资源是从其他流域调来(约70%), 只有30%由当地水资源支持[2], 因此水污染和水资源配置一直是龙岗河流域管理的重要内容.此外, 龙岗河位于深圳市饮用水水源地的上游, 汇入东江二级支流, 而东江是珠江三角洲地区及香港特别行政区的主要水源, 因此龙岗河水污染不仅制约本区域可持续发展, 还可能威胁东江干流乃至香港的水质安全[3]. 2000年以来, 随着深圳市龙岗区经济社会的高速发展, 龙岗河受到了较大的污染, 水质长期处于劣Ⅴ类, 甚至发黑发臭, 是广东省跨界污染最严重的流域之一[4].经过十多年的综合整治, 龙岗河水质逐年好转, 摘除了黑臭水体的帽子, 但河道生态环境仍未得到根本性扭转, 选择科学的方法评价龙岗河水质状况, 对明确未来水质目标和拟定治理路径十分必要.
常用的水质评价方法主要有单因子评价法[5, 6]、综合污染指数法[7, 8]、综合水质标识指数法[9, 10]、模糊综合评判法[5, 11]、主成分分析法[12~14]和灰色关联系数法[15]等.以上评价方法各有优缺点, 侧重点也不同, 将多种评价方法有机结合更能科学合理地评价龙岗河的水质状况.因此, 本研究根据评价方法计算的难易程度、评价结果的类型(定性/定量)和是否考虑水质指标权重这3个方面选取单因子评价法、综合污染指数法和主成分分析法对深圳龙岗河的水质状况进行科学评价, 以期为打好龙岗河治水提质攻坚战提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况龙岗河是深圳市境内的第二大河流, 发源于深圳最高峰梧桐山北麓, 流经深圳市龙岗区, 然后流入惠州市惠阳境内, 自南向北在吓陂处汇入东江二级支流淡水河[16], 属于淡水河的上游段.龙岗河流域面积约为364.4 km2, 含一条干流(龙岗河)和43条支流, 属东江流域淡水河水系, 而东江自东向西流, 从珠江口入海(图 1).龙岗河汇入东江后, 在汇入点的下游又有引水工程, 作为引用水源供给深圳和香港居民用水.因此龙岗河水质好坏直接关系到东江中上游水质状况, 进而影响到东江下游和深圳地区几千万人的饮用水安全[17].
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图 1 龙岗河流域区位示意 Fig. 1 Location of Longgang River basin |
于2018年每个月的12~14日采集样品, 共设有12个检测位点(图 2), 包括龙岗河支流梧桐山河(S1)、大康河(S2)、爱联河(S3)、龙西河(S4)、南约河(S5)、丁山河(S6)、黄沙河(S7)、田坑水(S8)、田脚水(S9)及龙岗河干流的上游(S10)、中游(S11)和下游(S12).每个检测位点设左、中和右3条垂线, 采集3条垂线表层0.5 m处混合水样1 L于塑料瓶中.
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图 2 龙岗河监测位点 Fig. 2 Sampling locations of Longgang River |
在各采样点处用YSI多参数水质监测仪现场测定水体水温(temperature, T)、pH和溶解氧(dissolved oxygen, DO).采集的水样于4℃保存带回实验室分析其化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)、高锰酸盐指数、5日生化需氧量(5-day biochemical oxygen demand, BOD5)、总氮(total nitrogen, TN)、总磷(total phosphorus, TP)、氨氮(ammonia nitrogen, NH4+-N)、粪大肠菌群、Cu、Zn、Cd、Pb、Se、As、Hg、Cr(Ⅵ)、硫化物、氰化物、氟化物、挥发酚、石油类和阴离子表面活性剂指标的含量.COD采用重铬酸钾法(GB 11914-1989)测定, 高锰酸盐指数采用高锰酸钾法(GB/T 11892-1989)测定, BOD5采用稀释与接种法(HJ 505-2009)测定, TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)测定, TP采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)测定, NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)测定, 粪大肠菌群采用滤膜法(HJ/T 347-2007)测定, Cu、Zn、Cd和Pb采用原子吸收分光光度法(GB 7475-87), Se采用石墨炉吸收分光光度法(GB/T 15505-1995), Cr(Ⅵ)采用二苯碳酰二肼分光光度法(GB 7467-87), As和Hg采用冷原子荧光法(HJ/T 341-2007), 硫化物采用亚甲基蓝分光光度法(GB/T 16489-1996), 氟化物采用氟试剂分光光度法(GB 7483-87), 氰化物采用砒碇-巴比妥酸比色法(GB 7487-87), 挥发酚采用蒸馏后4-氨基安替比林分光光度法(GB 7490-87), 石油类采用红外分光光度法(GB/T 16488-1996), 阴离子表面活性剂采用亚甲基蓝分光光度法(GB 7494-87).
1.4 质量控制和质量保证所有水质化学指标分析测定时, 均同步分析空白样品、质控样品和空白加标样品, 加标回收率在80%~120%之间; 平行双样的覆盖率占10%以上, 且测量分析的相对标准偏差均保持在10%以上.粪大肠菌群分析测定时, 同步进行空白实验、阳性对照和阴性对照.
1.5 数据处理和评价方法采用IBM SPSS 19.0软件对数据进行统计分析.为了体现评价方法的一致性, 本研究中单因子评价法、综合污染指数法和主成分分析法均选取22个评价指标[DO、COD、高锰酸盐指数、BOD5、TN、TP、NH4+-N、粪大肠菌群、Cu、Zn、Cd、Pb、Se、As、Hg、Cr(Ⅵ)、硫化物、氰化物、氟化物、挥发酚、石油类和阴离子表面活性剂]进行分析.
1.5.1 单因子评价法单因子评价法采用一票否决制原则, 即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定该水质类别[18].在所有的参评水质中, 如有某一项指标超标, 则所属位点不符合相应的水质标准[19].
1.5.2 综合污染指数法综合污染指数法有多种方法[8, 20], 本研究选取等权重综合污染指数评价龙岗河各个位点的相对污染程度, 即采用各水质指标的实测值与其评价标准之比, 作为单项污染指数(Pi), 然后通过等权重平均得到一个综合污染指数(Pj), 计算公式[21, 22]为:
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(1) |
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(2) |
式中, Pj为j断面(水体)的综合污染指数; n为参加评价的污染物项数; Pi为第i项污染物的污染分指数; Ci为第i项污染物的年均值; Si为第i项污染物的水质标准值, 具体见《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的Ⅴ类水质标准限值.综合污染指数对应的水质分级如下: P≤0.25, 清洁; 0.25 < P≤0.4, 较清洁; 0.4 < P≤0.5, 轻污染; 0.5 < P≤1, 中污染; 1 < P, 重污染.
1.5.3 主成分分析法主成分分析法是通过原有变量的线性组合以及各个主成分的求解来实现变量降维[23, 24].它的主要目的不是将那些不太重要的指标简单去掉, 而是通过全面分析各项指标所携带的信息, 筛选出比原始指标少, 能解释大部分数据的综合性指标[12].在分析前采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验和Bartlett球形度检验判断指标间的相关性, 以确定原始变量是否适合进行主成分分析, 具体评价方法的建立如下.
(1) 原始数据标准化 将原始数据进行标准化处理, 以消除量纲和数量级的影响, 计算公式如下[25]:
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(3) |
式中, Zij为第i位点第j个指标的标准化值; xij为第 i 位点第j个指标的实测值; 
(2) 相关系数矩阵 利用标准化数据矩阵计算其对应的相关系数矩阵R, 并计算R的特征值与特征向量, 公式如下[26, 27]:
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(4) |
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(5) |
R的特征值λi(i=1, 2, …, p)对应主成分的方差, 且λ1≥λ2≥…≥λp≥0, 特征值越大, 其对应主成分对原始样本的权重越大.通过每个特征根对应的特征向量(lg1, lg2, …, lgp)将标准化的指标转化为主成分, 公式如下:
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(6) |
式中, F1为第1主成分, …, Fp为第p主成分.
(3) 确定主成分个数 根据特征值大于1或主成分方差累计贡献率大于85%的原则, 确定主成分个数m.
(4) 主成分综合得分 每一个样本先求前m个主成分的值, 然后对前m个主成分进行加权求和, 计算公式[28]如下:
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(7) |
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(8) |
式中, 每个主成分的权重系数
本研究测量的理化和营养盐指标包括pH、NH4+-N、TN和TP这4种(图 3), 其中酸碱度(pH值)是评价水质状况的一个综合性指标, 氮和磷污染特征是水体富营养化程度和河流营养状态评价的关键指标[29].龙岗河各监测位点pH范围为7.21~7.93, 呈弱碱性, 适于水体动植物生长.年平均ρ(NH4+-N) 范围为0.35~1.89 mg·L-1, 所有位点ρ(NH4+-N) 均达到地表水Ⅴ类水质标准(2.0 mg·L-1)及以上, 其中位点S4、S9、S10和S11的ρ(NH4+-N) 达到地表水Ⅲ类水质标准(1.0 mg·L-1)(表 1).年平均ρ(TN)范围为0.94~1.77 mg·L-1, 所有位点均达到地表水Ⅴ类水质标准(2.0 mg·L-1)及以上, 其中位点S4达到地表水Ⅲ类水质标准(1.0 mg·L-1).年平均ρ(TP)范围为0.04~0.38 mg·L-1, 所有位点ρ(TP)均达到地表水Ⅴ类水质标准(0.4 mg·L-1)及以上, 其中位点S4和S9达到地表水Ⅲ类水质标准(0.2 mg·L-1).整体来看, 所有站点水体均呈富营养态, 相比其他站点, S4和S9站点(龙西河和田脚水)水体中氮和磷含量较低, 富营养化程度较轻, 其余10个站点水质的富营养程度均较高, 这与支流S4和S9流经区域人口密度和排污强度较低相关.
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图 3 龙岗河各监测位点NH4+-N、TN、TP、DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、粪大肠菌群和石油类的年平均浓度 Fig. 3 Annual mean concentrations of NH4+-N, TN, TP, DO, permanganate index, COD, BOD5, fecal coliform, and petroleum in sampling sites of Longgang River |
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表 1 龙岗河各位点水环境质量分级 Table 1 Type of water quality standard of each sampling location of Longgang River |
2.1.2 有机物污染和粪大肠菌群指标
有机物污染是水体污染的重要方面, 本研究中表征有机物污染的指标有DO、高锰酸盐指数、COD和BOD5(图 3), 其中DO大小反映水体自净能力高低, 并间接反映水体有机污染状况, 而COD和BOD5大小均反映水体中有机物质的多少, 在一定程度上可表征水体受有机物的污染程度.而粪大肠菌群表征水体中的微生物污染状况及其对人类健康的风险[30].在本研究的龙岗河流域水体中, 这些污染物主要来自于生活污染源, 且深圳地区人口密度高, 垃圾产生量大, 大量垃圾中转站和垃圾池存在渗滤液及清洗废水进入雨水系统而排入河道情况, 从而加重有机污染.
龙岗河各位点年平均ρ(DO)范围为3.99~8.24 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅴ类水质标准(2.0 mg·L-1), 83%的位点达到地表水Ⅲ类水质标准(5.0 mg·L-1), 水体自净能力整体较好.年平均高锰酸盐指数范围为1.1~12.6 mg·L-1, 所有位点均达到地表水Ⅴ类水质标准(15 mg·L-1)及以上, 其中75%的位点达到地表水Ⅲ类水质标准(6 mg·L-1).年平均ρ(COD)范围为7.2~36.6 mg·L-1, 所有位点均达到地表水Ⅴ类水质标准(40 mg·L-1)及以上, 其中58%的位点达到地表水Ⅲ类水质标准(20 mg·L-1).年平均ρ(BOD5)范围为1.46~8.79 mg·L-1, 所有位点均达到地表水Ⅴ类水质标准(10 mg·L-1)及以上, 其中58%的位点达到地表水Ⅲ类水质标准(4 mg·L-1).年平均粪大肠菌群数浓度范围为1 368~27 682个·L-1, 所有位点均达到地表水Ⅴ类水质标准(40 000个·L-1)及以上, 其中50%的位点达到地表水Ⅲ类水质标准(10 000个·L-1).因此, 龙岗河流域水质有机物污染和微生物污染水平整体达到地表水Ⅴ类水质标准, 但仍有很大提升空间, 对生活污染源的治理仍需加强.
2.1.3 重金属污染指标由于重金属的毒性、持久性和生物累积性, 重金属污染会对生物产生极大的影响, 其含量过高会对人类健康产生巨大的潜在风险, 因此水体中重金属污染水平检测成为水污染治理的基础[31].本研究共检测了Cu、Zn、Se、Cd、Cr(Ⅵ)、Pb、As和Hg等8种重金属含量(图 4), 以此表征龙岗河流域重金属污染水平.
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图 4 龙岗河各监测位点Cu、Zn、Se、Cd、Cr(Ⅵ)、Pb、As、Hg和阴离子表面活性剂的年平均浓度 Fig. 4 Annual mean concentrations of Cu, Zn, Se, Cd, Cr(Ⅵ), Pb, As, Hg, and anionic surfactants in sampling sites of Longgang River |
龙岗河各位点年平均ρ(Cu)范围为0.006~0.03 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅱ类水质标准(1.0 mg·L-1)及以上, 其中42%的位点达到地表水I类水质标准(0.01 mg·L-1); 年平均ρ(Zn)范围为0.01~0.295 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅱ类水质标准(1.0 mg·L-1)及以上, 其中58%的位点达到地表水Ⅰ类水质标准(0.05 mg·L-1); 年平均ρ(Se)范围为0.000 4~0.001 0 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅰ类水质标准(0.01 mg·L-1); 年平均ρ(Cd)范围为0.000 05~0.001 02 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅰ类水质标准(0.001 mg·L-1); 年平均ρ[Cr(Ⅵ)]范围为0.004~0.005 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅰ类水质标准(0.01 mg·L-1); 年平均ρ(Pb)范围为0.000 17~0.002 17 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅰ类水质标准(0.01 mg·L-1); 年平均ρ(As)范围为0.000 9~0.003 2 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅰ类水质标准(0.05 mg·L-1); 年平均ρ(Hg)范围为0.000 01~0.000 15 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅳ类水质标准(0.001 mg·L-1)及以上, 其中67%的位点达到地表水Ⅰ类水质标准(0.000 05 mg·L-1).龙岗河流域整体水质重金属浓度较低, 归因于重金属主要来自于工业, 而深圳市产业转型, 关闭了大量线路板、蚀刻和酸洗等企业, 其余产业也均已设置标准排放口纳入在线监管, 处理达标后纳入市政污水系统进厂再处理.因此, 人类活动对此流域水体的重金属含量干扰较小, 对人类影响的健康风险较小.
2.1.4 其他污染指标除了以上的营养盐、有机物污染、微生物污染和重金属污染指标, 本研究还测定了水体中硫化物、氟化物、氰化物、挥发酚、石油类和阴离子表面活性剂等化学污染物指标(图 5).这些化学污染物主要来自于工业废水排放, 对水中生物和人体健康具有毒害作用, 是评价水质的重要指标[32].
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图 5 龙岗河各监测位点硫化物、氟化物、氰化物和挥发酚的年平均浓度 Fig. 5 Annual mean concentrations of sulphide, fluoride, cyanide, and volatile phenolin in sampling sites of Longgang River |
龙岗河各位点年平均ρ(硫化物)范围为0.005~0.073 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅱ类水质标准(0.1 mg·L-1)及以上, 其中92%的位点达到地表水Ⅰ类水质标准(0.05 mg·L-1), 仅位点3(爱联河)为Ⅱ类水质(图 5); 年平均ρ(氟化物)范围为0.13~1.38 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅳ类水质标准(1.5 mg·L-1)及以上, 其中83%的位点达到地表水Ⅰ类水质标准(1.0 mg·L-1), 仅位点6(丁山河)和位点7(黄沙河)为Ⅳ类水质(图 5); 年平均ρ(氰化物)范围为0.002~0.009 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅱ类水质标准(0.05 mg·L-1)及以上, 其中75%的位点达到地表水Ⅰ类水质标准(0.005 mg·L-1), 仅位点1、3和6(梧桐山河、爱联河和丁山河)为Ⅱ类水质(图 5); 年平均ρ(挥发酚)范围为0.001 2~0.075 4 mg·L-1, 全部位点均达到地表水Ⅴ类水质标准(0.1 mg·L-1)及以上, 其中58%的位点达到地表水Ⅰ类水质标准(0.002 mg·L-1), 站点1、3、6和7(梧桐山河、爱联河、丁山河和黄沙河)为Ⅴ类水质(图 5).此外, 年平均ρ(石油类)范围为0.02~0.07 mg·L-1, 所有位点均达到地表水Ⅳ类水质标准(0.5 mg·L-1)及以上, 其中92%的位点达到地表水Ⅰ类水质标准(0.05 mg·L-1), 仅位点3(爱联河)为Ⅳ类水质(图 3); 年平均ρ(阴离子表面活性剂)范围为0.05~0.26 mg·L-1, 全部位点均达地表水Ⅳ类水质标准(0.3 mg·L-1)及以上, 其中67%的位点达到地表水Ⅰ类水质标准(0.2 mg·L-1), 位点1、3、6和7(梧桐山河、爱联河、丁山河和黄沙河)为Ⅳ类水质(图 4).因此, 整体来看, 龙岗河流域的梧桐山河、爱联河、丁山河和黄沙河水体化学污染物水平较高, 水质受人类干扰较大, 水体中的这些化学污染物可能来自周围工业废水的排放, 且部分区域存在“散乱污”小作坊, 如非正规布草清洗店, 此外深圳汽车保有辆较大, 存在众多洗车店, 洗涤污水通过雨水篦子排放至河道, 造成污染.
总体而言, 本研究中龙岗河流域所有位点的所有水质指标(22个)均达到地表水Ⅴ类水质标准, 与2000年前后此流域的劣Ⅴ类甚至黑臭水质相比, 龙岗河整体水质已得到较大提升, 可用于农业灌溉和一般景观用水.
2.2 龙岗河水质评价 2.2.1 单因子评价结果采用单因子评价法对龙岗河各个位点的年平均水质进行评价, 在龙岗河监测的12个位点中, 所有位点均达到地表水Ⅴ类水质标准及以上(表 1), 其中S4位点(龙西河)处于地表水Ⅲ类水质标准, S9位点(田脚水)处于地表水Ⅳ类水质标准, 这表明目前龙岗河整体水质良好, 相比2000年左右的劣Ⅴ类水质有了较大改善.每个位点处于地表水Ⅴ类水质标准的水质指标数目从多到少依次为: 8(S7)>7(S3和S6)>4(S2和S12)>3(S1)>2(S10)>1(S5、S8和S11)>0(S4和S9)(表 1), 则在所有位点中, S5、S8、S11、S4和S9的水质相对更好, S7、S3和S6位点的水质相对较差, 这可能与龙岗河流域相关产业布局和综合治理工程有关.
对于每个水质指标, 处于地表水Ⅴ类水的位点数从多到少依次为: 9(TN)>7(TP)>6(NH4+-N)>5(粪大肠菌群)>3(高锰酸盐指数、COD和BOD5)>1(挥发酚)(表 1), 表明影响水质类别的主要水质指标为营养盐(TN、TP和NH4+-N), 其次是粪大肠菌群、有机质(高锰酸盐指数、COD和BOD5)和挥发酚.对于每个水质指标, 处于地表水Ⅰ类水的位点数从多到少依次为: 12[Se、Cr(Ⅵ)、Pb和As]>11(石油类、Cd和硫化物)>10(氟化物)>9(氰化物)>8(阴离子表面活性剂和Hg)>7(挥发酚和Zn)>5(Cu)>4(DO)>3(COD)>2(高锰酸盐指数), 表明龙岗河流域的Se、Cr(Ⅵ)、Pb、As、石油类、Cd、硫化物、氟化物和氰化物等指标很少受到人为干扰, 对水质影响不大.
2.2.2 综合污染指数评价结果龙岗河各位点的全年综合污染指数为0.11~0.39(表 2), 各位点的年综合污染指数从大到小依次为0.4>S7>S6>S3>S1>S2>S12>0.25>S8=S10>S11=S5>S9=S4, 则根据前述水质分级标准, S7、S6、S3、S1、S2和S12为较清洁, S4、S5、S8、S9、S10和S11为清洁, 这表明龙岗河水质整体良好.
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表 2 龙岗河各采样断面综合污染指数 Table 2 Comprehensive pollution index in sampling locations of Longgang River |
图 6显示了综合污染指数法中龙岗河各位点各类污染物的贡献率, 在各位点的所有水质指标中, TN、TP、NH4+-N、COD、氟化物、阴离子表面活性剂、BOD5、DO、粪大肠菌群、高锰酸盐指数和挥发酚的平均贡献率依次为16.32%、13.09%、11.14%、9.73%、8.95%、8.09%、7.56%、6.50%、6.14%、5.80%和1.22%, 其他水质指标的平均贡献率均 < 1%, 且贡献率之和 < 7%, 说明TN、TP和NH4+-N对龙岗河水质影响最大, 其次是COD、氟化物、阴离子表面活性剂、BOD5、DO、粪大肠菌群、高锰酸盐指数和挥发酚, 而其他水质指标的贡献率很低, 对水质影响很小.
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图 6 综合污染指数法中龙岗河各位点污染物的贡献率 Fig. 6 Contribution percentages of pollutants in each sampling location of Longgang River |
为了使每个主成分的意义更加明确, 采用最大方差法进行因子旋转[26], 再进行主成分分析, 且各主成分下各指标旋转后的因子载荷量的绝对值越接近于1, 该因子与此主成分的关联性越大.本研究按照特征值(λ)大于1的原则提取前5个成分进行分析, 且PC1、PC2、PC3、PC4和PC5的累积贡献率达到87.412%, 也满足累积贡献率大于85%的提取原则, 因此通过计算前5个主成分就能反映龙岗河的水质状况, 从而减少评价指标.表 3为旋转后提取出的前5个主成分的因子载荷量, 其中PC1携带的信息最多, 占48.406%, 与其相关联的因子主要有DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、NH4+-N、TP、TN、粪大肠菌群、Cu、Zn、氟化物、氰化物、石油类和阴离子表面活性剂, 载荷绝对值范围为0.530~0.974, 反映水体的理化性质及受到的营养盐、有机物、微生物和化学物质污染; 与PC2相关联的主要因子是Se、As、Cd和Cr(Ⅵ), 载荷范围为0.610~0.769, 该主成分是在PC1的基础上进一步反映水体受到重金属污染的影响; 与PC3、PC4和PC5相关联的主要因子有Cd、Pb和硫化物, 载荷范围为0.631~0.673, 该主成分是在PC1和PC2的基础上进一步反映水体受到的重金属和硫化物污染影响.
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表 3 旋转后的因子载荷量 Table 3 Rotated component matrix |
根据主成分得分系数矩阵等相关方程和公式得出12个监测位点的主成分综合得分, 用于定量描述各断面的水质好坏程度, 综合得分越高, 水质越差[31].结果显示, 不同位点综合得分从高到低(水质状况从差到好)依次为: S6(0.676)>S7(0.475)≈S3(0.474)≈S1(0.473)>S2(0.372)>S12(0.348)>S8(0.316)>S10(0.222)>S11(0.201)>S5(0.151)>S4(0.035)>S9(0.013), 则S4和S9位点的水质相对较好, 而S6、S7、S3和S1位点的水质较差, 需重点治理和监测.
2.3 3种评价方法的对比本文所用到的3种评价方法各有优劣, 评价结果虽不完全相同, 但总体趋势一致.单因子评价法简单直观, 能够对龙岗河水质进行定性评价, 判断各断面的水质等级, 但不能对同一等级水质类别的位点进行定量的优劣排序[33, 34].综合污染指数法计算相对复杂, 不仅能对各断面的水质等级进行判定, 且能对水质进行定量分析和优劣排序.主成分分析法的计算比综合污染指数法更复杂, 不能对各断面水质等级进行定性判定, 但能对各断面水质优劣进行定量分析和排序[35].采用的评价方法不同, 各位点水质优劣排序并不完全一致.例如, 根据综合污染指数法, 各位点的水质优劣从坏到好依次为: S7>S6>S3>S1>S2>S12>0.25>S8=S10>S11=S5>S9=S4(表 2); 根据主成分分析法, 各位点的污染程度从大到小依次为S6>S7≈S3≈S1>S2>S12>S8>S10>S11>S5>S4>S9.两种评价方法在龙岗河污染因子的筛选中也有差别, 综合污染指数法得出TN、TP、NH4+-N、COD、氟化物、阴离子表面活性剂、BOD5、DO、粪大肠菌群和高锰酸盐指数对龙岗河水质影响较大, 而主成分分析法根据方差累积贡献率大小筛选出DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、NH4+-N、TP、TN、粪大肠菌群、Cu、Zn、氟化物、氰化物、石油类和阴离子表面活性剂等因子.这主要与因子的权重有关, 综合污染指数法没有考虑因子的权重, 采取均权处理的方式, 而主成分分析法则是根据累积方差贡献率作为因子权重进行分析, 因此评价结果不完全一致[34].虽然两种评价方法存在差异, 但综合因子评价法和主成分分析法均显示: 在所有位点中, S11、S4、S5和S9的水质较好; S1、S3、S6和S7位点的水质相对较差, 还有待进一步提升; 其余位点水质状况居中.这表明虽然评价方法各有不同, 但评价结果的总体趋势是一致的, 综合采用多种方法能更好地反映水体的水质状况与污染特征.
2.4 龙岗河水质年内变化特征龙岗河是雨源型城市河流, 流域受亚热带季风气候影响, 全年径流量波动较大, 6~9月为丰水期, 12月~翌年2月为枯水期.表 4显示了2018年1~12月龙岗河干流各污染指标变化情况, 龙岗河流域丰水期水质劣于枯水期, 主要表现为污染物ρ(NH4+-N) 和粪大肠菌群数浓度显著升高, 最高值均出现在9月, 分别为2.28 mg·L-1和50 000个·L-1, 丰水期呈现劣Ⅴ类水质, 而枯水期达Ⅳ类水质标准.这主要是由于丰水期雨水冲刷携带大量面源污染物进入河道, 雨污合流以及沿河截污管存在雨季溢流, 加重了水体污染.有研究表明2012年之前龙岗河枯水期水质劣于丰水期, 自2012年前后污水处理工程建成并开始运行后, 点源污染的截污纳管率及处理率升高, 各类污染物浓度明显降低, 总体污染负荷降低, 丰水期面源污染物在总污染负荷中比例升高[36], 由此呈现枯水期水质优于丰水期现象.
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表 4 龙岗河干流各月份水质质量分级 Table 4 Monthly water quality classification of the main stream of Longgang River |
东江干流水质优于上游支流, 而支流淡水河的下游惠州段比上游龙岗段好, 虽然龙岗河水质不足以大幅影响东江干流, 但二者水质变化趋势基本一致, 且相比枯水期, 龙岗河流域丰水期径流量更大, 水质更差, 汇入东江流域后, 对东江水质的影响增大.如2018年5~9月龙岗河水质较差时, 东江惠州段的惠州与东莞交界断面也没有达到Ⅲ类水考核标准, 但东江下游珠江口入海处水质达标(Ⅲ类水).龙岗河流域对珠江入海口影响较轻微, 可能是东江流域有较多清洁基流注入, 稀释污染物, 且流域较长, 横跨多个地市, 水体自净能力发挥一定作用.此外, 东江右岸深圳市的污染物除了通过龙岗河和石马河汇入东江外, 还有大部分通过本地入海口排出, 并未全部进入东江.从水资源保护利用角度看, 东江惠州段是深圳和香港饮用水水源地, 龙岗河水质的好转会降低饮用水源地超标风险, 保障饮水安全.
初期雨水面源污染是雨季河道水质达标的重要影响因素[37], 而龙岗河流域下垫面复杂, 高密度建成区集中, 城中村和工厂区分布较多, 人口数量大, 面源污染形成机制复杂; 河道暗涵数量众多, 地下管线存在错节混接, 雨天溢流严重, 初雨面源污染与河道水质关系极为复杂; 河流众多, 但多为雨源型河流, 河道短, 水环境容量低, 河道水质极易受到点源及面源污染影响.针对此流域复杂的水环境特征, 提出以下4点防治措施: 一是要加强跨界河流联防联治, 解决丁山河(S6)流域跨界污染问题; 二是鉴于该流域地势坡降大、地表硬化度高以及面源污染负荷重问题, 要加快实施雨污分流措施, 剥离清洁基流, 实现基流和雨水入河而污水入厂; 三是构建初期雨水调蓄系统, 将沿河截污管功能转为初期雨水传输通道, 避免雨水混入污水系统后形成溢流; 四是构建非供水山塘水库联合调度系统, 适时进行生态补水.因此, 要将初期雨水面源污染防治作为未来治水提质的重点, 加强丰水期雨污分流管网的构建与维护, 削减面源污染负荷, 完善截流与调蓄基础设施, 以提升水质.
2.5 环境意义与建议龙岗河支流S1、S2、S3、S6和S7(梧桐山河、大康河、爱联河、丁山河和黄沙河)曾为重度黑臭水体, 经过整治, 均已消除了黑臭现状[38].本研究结果显示, 这5条支流均达到地表水Ⅴ类水质标准, 但其综合污染指数(表 2)和主成分综合得分均为最高, 相对其余位点水质仍相对较差, 需进一步治理提升.单因子评价法显示这5条支流水质限制指标主要为营养盐(TN、TP和NH4+-N)、有机物(COD和BOD5)和粪大肠菌群(表 1), 综合污染指数法显示其水质主要贡献因子为营养盐(TN、TP和NH4+-N)、有机物(COD和BOD5)和阴离子表面活性剂(图 6), 表明下一步治理需要着重考虑降低营养盐、有机物、粪大肠菌群和阴离子表面活性剂浓度.龙岗河的其它支流S4、S5、S8和S9(龙西河、南约河、田坑水和田脚水)的水质状况均为清洁, 结果显示这4个位点的所有指标中TN的贡献率最高(图 6), 其余水质指标达到的水质标准均高于TN(表 1), 表明这4条支流整体水质相对较好, TN为水质限制指标, 后续水质提升的关键主要在于脱氮.龙岗河各支流水质差异除受合流制污染影响外, 还有底泥淤积问题, 常年未清淤, 造成底泥释放从而影响水质.
根据综合污染指数和主成分综合得分, 龙岗河流域干流水质优于除S4、S5、S8和S9(龙西河、南约河、田坑水和田脚水)4条支流外的其余支流水质, 这主要得益于各支流入口处的污染物截污措施[36].单因子评价法显示干流水质限制指标主要为营养盐(TN、TP和NH4+-N)和粪大肠菌群(表 1); 综合污染指数法显示, 营养盐(TN、TP和NH4+-N)、COD和氟化物为主要贡献因子(图 6), 表明下一步干流治理需要着重考虑降低营养盐(TN、TP和NH4+-N)、有机物(COD)、粪大肠菌群和氟化物的浓度.龙岗河干流上游、中游和下游的综合水质状态分别为清洁、清洁和较清洁, 下游水质相对较差可能是受支流S6和S7(丁山河和黄沙河)较差水质的影响, 而这两支流水质与惠州市河道管理密切相关, 惠州市河道考核标准低于深圳, 基础设施建设滞后, 污水处理标准低.因此, 在治理龙岗河干流时, 需同时关注支流污染状况.此外, 在干流和支流中营养盐指标均是主要限制指标, 这与此流域生活污水污染是主要污染源有关, 则在进一步治理提升时要把控好生活污水的治理和排放标准.
龙岗河的水质历史变化分为3个阶段: 2000~2005年, 经济社会快速发展, 污水直接排入河道, 水质逐步恶化, 主要污染指标均为劣Ⅴ类, 尤以BOD5、NH4+-N和TP超标最为严重; 2006~2013年, 随着沿河截污工程的实施, 原来的直排管道全部统一截入箱涵或沿河截污管, 然后输送至污水处理厂, 水质恶化趋势得以遏制, 高锰酸盐指数、BOD5、NH4+-N和TP浓度呈现逐年下降的趋势[39]; 2013~2017年, 干流水质处于巩固保持阶段, 各支流水质呈改善趋势.通过2018年12个月的监测分析, 笔者发现, 龙岗河各位点水质均达到地表水Ⅴ类水质标准及以上, 可用作农业灌溉和一般景观用水, 表明污染治理工程[40](主要是沿河截污工程)已取得一定治理效果, 但仍需要严格把控污染源, 在水质巩固保持的基础上进一步治理提升.
龙岗河的污染源主要包括生活污水、工业废水和城市面源, 面源污染影响较大, 初期雨水污染尚未控制, 存在截流系统不完善、溢流风险相对较大以及部分已实施正本清源小区发生返潮现象等问题, 且龙岗河上游和下游的污水处理厂的尾水会补充进入河道, 但其出水标准仍有待提高, 如横岗水质净化厂, 2018年出水标准仍然在一级, 对于无基流补水的龙岗河流域是水环境质量提升的重要约束条件, 应尽快实施提标改造.因此要充分考虑不同季节, 不同位点水质的差异性, 系统布局, 统筹考虑全流域治水, 构建五大系统, 包括封闭的污水系统, 实现主次干管贯通; 开放的雨水系统, 雨污分流改造, 以水量控制向水质控制的截污模式转变, 打造海绵城市; 高效的截污系统, 精准截流, 收浓弃淡, 形成贯通独立系统, 实现近期溢流污染控制、中期面源污染控制和远期雨水资源利用的目标; 全域的补水系统, 将再生水补水延伸至消黑考核河道及支流, 打通水库补水通道, 利用好东江水补水配额; 全要素的管理系统, 引入“水系统工程全网络”管理理念, 借助监控平台, 构建新型追踪管理模式, 由此实现龙岗河流域水资源的综合管理与调度, 最大限度保障河道水质达标.
3 结论(1) 龙岗河所有位点均达到地表水Ⅴ类水质标准及以上, 其中龙西河和田脚水的水质最好, 龙西河为地表水Ⅲ类水质标准, 田脚水为地表水Ⅳ类水质标准, 与原来的劣Ⅴ类水质相比, 龙岗河水质整体得以较大改善.
(2) 水质指标中TN、TP和NH4+-N对龙岗河水质影响最大, 其次是COD、氟化物、阴离子表面活性剂、BOD5、DO、粪大肠菌群和高锰酸盐指数, 其他水质指标贡献率较低, 表明生活污染是主要污染源.
(3) 龙岗河流域干流丰水期水质劣于枯水期, 主要是受初期雨水面源污染的影响, 完善初期雨水调蓄系统是治水提质的重点.
(4) 龙岗河不同位点的水质进一步提升需考虑的水质因子不同.梧桐山河、大康河、爱联河、丁山河和黄沙河需着重考虑营养盐(TN、TP和NH4+-N)、有机物(COD和BOD5)、粪大肠菌群和阴离子表面活性剂等水质指标; 龙西河、南约河、田坑水和田脚水的水质提升主要在于降低TN浓度; 干流上游、中游和下游需要着重考虑营养盐(TN、TP和NH4+-N)、COD、粪大肠菌群和氟化物等水质指标.
(5) 单因子评价法简单直观, 对水质进行定性评价, 而综合污染指数法和主成分分析法考虑水质指标权重并对各断面的水质优劣进行定量排序. 3种评价方法得出的评价结果不完全一致, 但均能从定性和定量的不同方面反映水质特征.根据各评价方法特点, 综合采用多种方法能更好地反映水体的水质状况与污染特征.
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