2. 江西省赣州市水文局, 江西 赣州 341000;
3. 江西理工大学 资源与环境工程学院, 江西 赣州 341000;
4. 江西省矿冶环境污染控制重点实验室, 江西 赣州 341000
2. Ganzhou Hydrology Bureau of Jiangxi Province, Gauzhou, Jiangxi 341000, China;
3. School of Resources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000, China;
4. Jiangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control of Mining and Metallurgy, Ganzhou, Jiangxi 341000, China
东江源区是香港特区、粤港澳大湾区以及广东省东部地区的重要水源,同时也是江西省富藏稀土矿、果业种植和规模化养殖区域,在中国南方生态安全格局中有着非常重要的地位。源区的水质不仅事关区域的社会尤其是生态环境的可持续发展,而且事关粤东和粤港澳大湾区的建设和饮用水安全。因此,对于东江赣粤出境水质时空分布特征和污染成因进行分析研究,不仅有助于评估和改善流域生态环境[1-2],更是东江源区流域水污染防治和水生态修复的首要任务[3-4]。
东江源区流域水环境问题关系到区域的水安全和水生态的健康,也事关整个东江流域约4 000万居民的饮用水安全,以及流域内工农业生产和生活用水质量。近年来,随着流域内废弃矿区尤其是离子型稀土废弃矿区中氨氮和其他污染物的逐步释放,出境水质出现了一些一定程度的波动[5-6]。为掌握源区水质的时空演化特征,尤其是赣粤出境水质状况和影响因素,本文通过对区域2007—2019年2个出境监测断面的11个主要水质指标进行了统计分析,运用水污染指数法[7]、相关性分析和Mann-Kendall检验[8-9]等方法,分析了东江源区赣粤出境水质时空分布特征,以期为东江流域的水环境治理和水生态改善提供理论依据和数据支撑。
1 数据与方法 1.1 研究区概况东江源区位于江西省南部,介于114°47′36′′—115°52′36′′E,24°33′44′′—25°12′18′′N之间,包括江西省赣州市的寻乌县、安远县、定南县、龙南县的汶龙镇和南亨乡以及会昌县清溪乡。该流域近似扇形,东西宽110.0 km,南北长95.5 km,流域面积约3 524.0 km2,约占东江流域面积的13.0%;海拔高度介于200~500 m之间,以丘陵为主。流域气候属于典型的亚热带丘陵区湿润季风气候,年均降水量1 581.0 mm,年际变化较大,丰—枯年交替出现;且降水年内差异显著,在汛期(4—9月)部分地区洪涝灾害频发。东江流域主要包括寻乌水和定南水2个流域,含2个国家级重要江河湖泊水功能区[10],代表监测断面分别为寻乌斗晏和定南长滩。两个水功能区的基本情况详见表 1。
主要资料包括pH值、砷、溶解氧、高锰酸盐指数、5 d生化需氧量(BOD5)、氨氮、总磷、氟化物、硫酸盐、氯化物和硝酸盐氮等11项水质指标,来源于江西省赣州市水文局2007—2019年对东江源区赣粤出境水域2个代表性水质监测断面(寻乌斗晏和定南长滩)的逐月实测资料。水质采样与分析评价按照水环境监测规范[11],水和废水监测分析方法(第4版)[12],(GB3838-2002)地表水环境质量标准[13],(SL395-2007)地表水资源质量评价技术规程[14]相关的操作规程执行。
1.3 研究方法 1.3.1 水污染指数法以GB3838-2002水质标准与WPI值[15-16](water pollution index,见表 2)判断各断面的水质类别,选取污染最严重的水质指标作为判定水质类别的一种水质综合性分析方法, 不仅可将水资源污染情况量化,而且能准确反映水质的时空变化特征进而了解水质的总体变化和发展趋势,该方法广泛用于中国湿润半湿润地区的河流和湖泊水质评价。该研究基于11项水质指标分别计算WPI在定南水与寻乌水不同流域各指标的WPI进行空间分析,以及同一流域寻乌水(2007—2019年)、定南水(2008—2019年)不同时间的WPI值来分析其时间变化。
当溶解氧(DO)浓度大于7.5 mg/L时,WPI=20;当2 mg/L≤DO≤7.5 mg/L时,WPI值计算公式为:
$ \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{WPI}}(i) = {\rm{WP}}{{\rm{I}}_i}(i) + }\\ {\quad \frac{{〔{\rm{WP}}{{\rm{I}}_t}(i) - {\rm{WP}}{{\rm{I}}_i}(i)〕 \times 〔{{\rm{C}}_{\rm{i}}}({\rm{i}}) - {\rm{C}}({\rm{i}})〕}}{{{C_i}(i) - {C_h}(i)}}} \end{array} $ | (1) |
当水质参数浓度未超过Ⅴ类标准时,WPI值计算公式为:
$ \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{WPI}}(i) = {\rm{WP}}{{\rm{I}}_1}(i) + }\\ {\quad \frac{{〔{\rm{WP}}{{\rm{I}}_h}(i) - {\rm{WP}}{{\rm{I}}_1}(i)〕 \times 〔{\rm{C}}({\rm{i}}) - {{\rm{C}}_{\rm{i}}}({\rm{i}})〕}}{{{C_h}(i) - {C_1}(i)}}} \end{array} $ | (2) |
而当水质参数浓度超过Ⅴ类标准时,WPI值计算公式为:
$ {\rm{WPI}}(i) = 100 + \frac{{{\rm{C}}(i) - {C_5}(i)}}{{{C_5}(i)}} \times 40 $ | (3) |
根据各单项指标的WPI(i),取其最高值为该断面的水质污染指数,即
$ {\rm{WPI}} = {\rm{MAX}}﹝{\rm{WPI}}(i)〕 $ | (4) |
式中:C(i)为第i个水质指标的实测值;Cl(i),Ch(i),C5(i)分别为第i个水质指标在GB3838-2002中所在类别标准的下限值、上限值和Ⅴ类标准限值;WPIl(i),WPIh(i)分别为第i个水质指标所在类别标准下限值和上限值所对应的污染指数;WPI(i)为第i个水质指标所在类别对应的污染指数。
1.3.2 其他方法出境断面的水质趋势分析采用Mann-Kendall检验法[17-19],水质指标间的相关性采用Pearson相关性分析。此外,还运用了描述性统计分析等方法[20-22]。
2 分析与评价 2.1 水质评价 2.1.1 水质特征从水质参数特征统计数据中(见表 3)各指标平均值可以发现,pH值、氨氮、氟化物3个指标汛期低于非汛期;高锰酸盐指数、硝酸盐氮2个指标汛期高于非汛期;砷、5 d生化需氧量、总磷、氯化物4个指标汛期和非汛期基本持平;pH值在不同水期均接近7.0;由于溶解氧与温度呈显著的负相关[23-24],故非汛期的溶解氧高于汛期。运用水质评价指标进行计算,可以发现,①从指标极值看,高锰酸盐指数、5 d生化需氧量2个指标最差出现过Ⅳ类;pH值、氨氮、总磷3个指标则出现过劣Ⅴ类水;其余6个指标均一直在目标值范围,其中砷、氟化物2个指标均为Ⅰ类,但变化辐度大。②从指标值的平均值对应的水质类别看,氨氮为Ⅲ类水标准;总磷为Ⅱ类水标准;砷、溶解氧、高锰酸盐指数和5 d生化需氧量、氟化物及pH值6个指标均满足Ⅰ类水质标准;硫酸盐、硝酸盐和氯化物3个补充项目均在标准限值内。变异系数是标准差与其平均值的比值[25],它反映不同水质参数空间分布的离散程度,Cv<0.1为弱变异,0.1≤Cv<1为中度变异,Cv≥1为强变异。各项水质参数在不同水文时期均出现了不同程度的变异。从检测参数看,砷、总磷、氟化物3个指标为弱变异;pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、5 d生化需氧量4个指标为中度变异;而氨氮、硫酸盐、硝酸盐氮、硝酸盐氨4个指标含量为强变异。从空间分布上,寻乌水的砷、总磷、氟化物3个指标为弱变异。pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、5 d生化需氧量、氨氮5个指标呈中度变异。硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮3个指标呈现强变异,且硫酸盐离、硝酸盐氮2个指标的离散程度明显大于定南水,而氨氮、氯化物明显小于定南水;定南水的砷、总磷、氟化物3个指标为弱变异。pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、5 d生化需氧量、硝酸盐氨5个指标呈中度变异。氨氮、硫酸盐、氯化物3个指标呈现强变异。从不同水期分析,寻乌水的pH值、高锰酸盐指数、硝酸盐氮3个指标的Cv汛期略大于非汛期,其他8项指标Cv均是汛期小于非汛期而定南水11项指标的Cv汛期略小于非汛期,说明降水减弱了各指标的离散程度,对定南水尤其显著。综上所述,出境水质指标在不同水文时期其含量均存在一定差异。空间变化上,寻乌水的硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮呈现强变异,定南水的氨氮、硫酸盐、氯化物呈现强变异。时间变化上,汛期离散程度小于非汛期,降水对定南水离散程度的影响尤为明显。
从综合污染指数分析可知:①年际变化上,2008年出境水Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水比例最高,达标率最低,2009年开始呈现好转趋势,2017—2019年,出境断面水质均满足Ⅱ—Ⅲ类水质标准;②年内变化上,汛期寻乌出境断面Ⅱ—Ⅲ类、Ⅳ类、和Ⅴ类的比例分别为75.0%,16.7%,8.33%;定南水分别为63.6%,27.2%,9.09%。非汛期寻乌水出境断面Ⅱ—Ⅲ,Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类的比例分别41.6%,33.3%,16.7%,8.33%,定南水分别为54.5%,27.2%,0,18.1%。汛期达标率高于非汛期,且劣Ⅴ类水均在非汛期,说明出境水汛期好于非汛期(见表 3,图 1)。
空间变化上,2008年寻乌水出境断面全年不达标,定南水出境水达标率仅为18.2%。寻乌水出境断面2014年起未出现劣Ⅴ类水,2016年未出现Ⅴ类。定南水出境断面2015年起未出现Ⅴ类和劣Ⅴ类水,2016年达标率为100%(见表 3,图 1)。
2.1.3 主要污染因子从东江源区水质污染指数WPI与各项水质指标相关性分析结果可见(表 4),通过显著性检验的指标有砷、高锰酸盐指数、总磷、氨氮4个指标。不同水文期WPI与氨氮指标浓度在0.01相关性分别为0.978,0.974和0.980,氨氮是最主要污染因子。其次是砷,相关性分别是0.756,0.803和0.602,且非汛期大于汛期;总磷全年和非汛期在0.01相关性分别为0.761和0.796,高锰酸盐指数则在0.05上相关性分别为0.623和0.628。由此可见,在汛期,出境水主要污染物有砷和氨氮2个,而非汛期则为砷、氨氮、总磷、高锰酸盐指数4个。结合源区的社会经济、优势产业及污染源分布,稀土矿业为东江源区工业主导产业,稀土采选矿业为东江源区及相应水系的主要污染源,符合稀土采选矿业工艺污染物排放特征[26-27]。
基于GB3838-2002水质标准,绘制2007—2019年东江源出境水主要污染指标氨氮、砷、高锰酸盐指数、总磷含量折线图(见图 2),这4种指标均呈下降趋势。其中最主要污染物氨氮寻乌水出境断面13 a平均浓度值为1.04 mg/L,最大3.94 mg/L。超标频次为43.9%,最大超标倍数2.94倍。定南水出境断面12 a平均浓度值为1.17 mg/L,最大18.5 mg/L,超标频次为32.6%,最大超标倍数为17.5倍。寻乌水和定南水两个出境断面的氨氮浓度呈高度显著下降趋势,每年以0.16和0.24 mg/L的浓度递减。两个出境断面的砷浓度均呈下降趋势且一直在Ⅰ类水浓度标准内。定南水出境断面的高锰酸盐指数在2019年10月和12月出现2次超标,寻乌水和定南水的总磷分别在2018年11月至2019年12月间出现过2次和4次超标,但总体呈下降趋势。
运用Mann-Kendall检验分析11个指标变化趋势。寻乌斗晏和定南长滩出境断面的总磷、5 d生化需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、氟化物和氯化物6个指标,前者呈现显著或高度显著的下降趋势(见表 5);pH值呈上升趋势,由弱酸性向逐步向中性过渡;溶解氧、砷2项指标浓度无明显升降趋势;硫酸盐和硝酸盐氮2项指标浓度呈上升趋势。东江源下降趋势综合指数WQTIDN为0.54,无明显变化趋势指数为NNOm为0.18,上升趋势综合指数WQTIUP为0.18,WQTIUP<WQTIDN,表明东江源水质总体趋于好转。这与2003年以来开展的一系列东江源保护修复理措施相吻合[28],江西省政府先后在源区实施了以“青山绿水”为重点9项生态工程和加强稀土资源管理有关政策,同时实施了以生态补偿[29]、河长制实施[30]和山水林田湖草综合试点等生态环保和治理工程项目。
一般而言,若两元素间相关性显著或者极显著,则说明两元素间具有同源性。各项水质指标相关性分析结果(见表 6)显示,出境水的最主要污染物氨氮与硝酸盐氮无显著相关性,说明出境水体自然曝气效果或复氧能力较好,水中大量的氨氮在好氧条件下转为硝酸盐氮。氨氮、总磷、硫酸盐、氯化物、砷具有显著的相关性,说明其彼此存在较强的物质运移与转化关联,尤其是在非汛期,这主要是因为非汛期处于秋冬季节,平均气温比较低,因而溶解氧比较高;加之非汛期降水较少,导致农业面源和稀土矿区尾矿的释放氨氮、总磷、高锰酸盐指数、硝酸盐氮等污染物进入水体但未能得到及时稀释。东江源区寻乌水流域内不仅有农业面源污染,还有大型稀土企业和众多的稀土矿山废弃地造成的点源污染;而定南水则主要集中分布源区内主要的农业面源污染和居民生活污水点源污染。同时,自2000年东江源区果业迅速发展以来,果业农药化肥施用量增多后导致果业的粗放式管理成为东江源区另一个面源污染的主要来源。
(1) 研究区域内出境断面的水质指标存在较大的时空差异,硫酸盐、氯化物在时空两个维度均呈强度变异。氨氮在寻乌水为中度异,在定南水为强变异,硝酸盐氮在寻乌水强变异,在定南水为中度变异。时间变化上,汛期离散程度小于非汛期,降水对离散程度有一定的影响,对定南水尤为明显,定南水的11项指标的Cv汛期均小于非汛期。
(2) 时间上,年际变化方面,2008年出境水Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水比例最高,2009年开始呈现好转趋势,2017—2019年,出境断面水质满足Ⅱ—Ⅲ类,达标率为100%;年内变化方面,汛期寻乌水出境断面Ⅱ—Ⅲ类、Ⅳ类、和Ⅴ类的比例分别为75.0%,16.7%,8.33%,定南水分别为63.6%,27.2%,9.09%;非汛期寻乌水出境断面Ⅱ—Ⅲ,Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类的比例分别41.6%,33.3%,16.7%,8.33%,定南水分别为54.5%,27.2%,0,18.1%。汛期达标率高于非汛期,且劣Ⅴ水期均在非汛期,汛期好于非汛期。
(3) 空间上,2008年寻乌水出境断面水质全年不达标,2014年起未出现劣Ⅴ类水,2016年未出现Ⅴ类,2017年起达标率为100%。定南水出境断面2015年起未出现Ⅴ类和劣Ⅴ类水,2016年起水质达标率为100%。
(4) 综合污染因子相关分析表明,出境水主要污染物汛期主要有砷和氨氮2项,非汛期则为砷、氨氮、总磷、高锰酸盐指数4项,而氨氮在不同水期与综合污染指数的相关性分别为0.974和0.980,是东江源出境水体最主要污染因子。稀土矿业为东江源区工业主导产业,稀土采选矿业为东江源区及相应水系的主要污染源,符合稀土采选矿业工艺污染物排放特征。
(5) 相关性分析,Mann-Kendall检验分析表明东江源出境水质趋于好转。可见对东江源区采取的稀土矿区整治、河长制、生态补偿和山水林田湖草等治理措施起到了显著的作用。污染物同源相关性分析得出,氨氮、总磷、硫酸盐、氯化物、砷具有显著的相关性,表明其彼此存在较强的物质运移与转化关联。最主要污染物氨氮与硝酸盐氮无显著相关性,说明出境水体自然曝气效果或复氧能力较好,水中大量的氨氮在好氧条件下转为硝酸盐氮。
(6) 下一步将收集调查源区社经指标如流域内主要入河污水排放量、GDP、人口变化等数据,以及水土保持治理、生态补偿、河长制实施、山水林田湖草等保护修复的量化指标如年度资金投入、废弃矿山存量的动态面积等,深度研究出境水质变化的驱动机制与影响因素,以更进一步指导源区保护修复治理措施的精准实施和生态补偿的合理分配。
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