趙天旸，石成春，謝蓉蓉，3，4，李家兵，3，4，江 華，陳 錦，劉繼輝*

(1.福建師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建省環(huán)境科學(xué)研究院，福建 福州 350013；3.福建師范大學(xué)福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點實驗室，福建 福州 350007；4.數(shù)字福建環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)實驗室，福建 福州 350007；5.福州市環(huán)境科學(xué)研究院，福建 福州 350013)

地表水是人類生活和生產(chǎn)的主要來源，其水質(zhì)直接影響著人們的生活、工業(yè)發(fā)展和人類社會的進步[1]。近年來，全球地表水污染問題日益嚴重，流域污染管控是水環(huán)境治理和改善的重要手段，流域水環(huán)境的有效評估可為水環(huán)境管理提供重要的技術(shù)支撐。

目前，河流水環(huán)境污染情況的評價是國內(nèi)外水環(huán)境保護相關(guān)研究的熱點之一，Tang M等[2]引入貝葉斯理論和模糊數(shù)理論，提出了一種基于廣義三角模糊數(shù)的綜合水質(zhì)評價模型，其可對長江武漢段水質(zhì)進行評價。Xu S等[3]通過模擬模糊綜合評價(FCE)和采用雅可比法求解特征方程的主成分分析(PCA)來評估中國南四湖流域的水質(zhì)。Huang J C等[4]發(fā)現(xiàn)中國東部水質(zhì)17.2%的采樣點水質(zhì)條件較差，經(jīng)評估認為糧食生產(chǎn)系統(tǒng)、城市化和其他人為活動極大地改變了自然水文和養(yǎng)分循環(huán)，是中國河流水質(zhì)受損的主要原因。Soni Y等[5]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了對恒河水質(zhì)的估算模型，可為水體內(nèi)部的水質(zhì)制定合適的標準。Yang S W等[6]結(jié)合典型相關(guān)分析和基于距離影響的評估方法定量化社會經(jīng)濟發(fā)展和河流水質(zhì)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展與河流水質(zhì)之間存在很強的相關(guān)性。Zhou P等[7]通過自組織地圖方法發(fā)現(xiàn)點源污染越大，土地利用和水質(zhì)相關(guān)性越不顯著。閩江流域內(nèi)常駐人口近1 300×104，占福建省人口總量的1/3[8]。近年來閩江流域水質(zhì)問題日益突出。針對閩江流域水質(zhì)問題近年研究較多且管理部門較為關(guān)切的主要為低氧問題[9-11]、流域保護[12]和氮磷污染[13]，此外，閩江口水質(zhì)評價[14-15]、經(jīng)濟和政策[16]和水環(huán)境的時空分布[17]也是目前閩江流域研究的熱點。

由于我國系統(tǒng)水監(jiān)測布點較晚且因數(shù)據(jù)的保密要求，對于長時間序列、多監(jiān)測點位、全流域干支流覆蓋的水環(huán)境評估研究較為缺乏?；诖?，本文以閩江流域為例，收集了干支流16個監(jiān)測點位2004—2020年的周數(shù)據(jù)，采用季節(jié)性肯達爾分析法對研究區(qū)域S1～S16點位各指標進行多年變化趨勢分析，并采用時序全局主成分分析法對2017—2020年S1～S13點位進行主要污染識別和水質(zhì)綜合評價，為流域的污染治理和水質(zhì)改善提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

閩江是福建省境內(nèi)的最大河流，全長577 km，流域面積60 992 km2(25°23′～28°16′N、116°23′～119°35′E)[18]，約占全省面積的一半。閩江(圖1)發(fā)源于武夷山脈，上游建溪、沙溪、富屯溪三條支流在南平市匯合，閩江干流為南平匯合口到入?？诤佣?，沿途有吉溪、尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流匯入[8]，具有供水、防洪抗旱、養(yǎng)殖、航運等多種功能[19]。流域內(nèi)為亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，降雨豐富，植被覆蓋率高[20]。

注：S1.清流長灌；S2.山峰電站；S3.清流安砂水庫；S4.明溪瑤奢；S5.梅口懸索橋；S6.邵武和順；S7.政和護田；S8.延平延安；S9.延平南溪；S10.閩侯下西園；S11.閩侯大樟溪；S12.順昌富文；S13.福州原厝；S14.南平水汾橋；S15.閩侯竹岐；S16.長樂白巖潭。

1.2 數(shù)據(jù)收集

從福建省水質(zhì)周報(http：//sthjt.fujian.gov.cn/)收集了閩江流域16個監(jiān)測點位(圖1)，S9、S10、S13、S15和S16為干流點位，其余均為支流。其中S1～S11、S12～S13和S14～S16水質(zhì)數(shù)據(jù)覆蓋年份分別為2017—2020年、2009—2020年和2004—2017年。各點位可查年份內(nèi)為每周一次數(shù)據(jù)，每個點位的樣本數(shù)為2 089～8 859不等。主要水質(zhì)指標為酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)和氨氮(NH3-N)，各指標數(shù)據(jù)來自福建省水質(zhì)自動監(jiān)測站，以水質(zhì)在線分析儀為核心，由取水單位、配水預(yù)處理單元、水質(zhì)在線監(jiān)測單元、系統(tǒng)控制基站、輔助系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)等部分組成，實現(xiàn)水樣的自動采集、預(yù)處理和水質(zhì)在線分析，采樣和監(jiān)測探頭位于水下0.5～1.0 m處。

1.3 研究方法

1.3.1 季節(jié)性肯達爾趨勢分析法

季節(jié)性肯達爾趨勢分析法對監(jiān)測對象進行非正態(tài)分布特征的趨勢分析，其原理是將每一年同一時段的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行前后比較[21]，若前一時段數(shù)據(jù)記載的數(shù)值較大記為“-1”，反之記為“+1”，通過對“+1”和“-1”的數(shù)量進行求和，計算變化趨勢。若求和大于0，判為上升趨勢；若求和小于0，判為下降趨勢；若求和為0，判為無明顯變化趨勢。

假設(shè)一年12月的水質(zhì)數(shù)據(jù)在分布上有相同的概率，建立第n年第p月水質(zhì)數(shù)據(jù)(Xnp)的測量矩陣X：

當(dāng)α≤0.01，表明季節(jié)性肯達爾趨勢分析具有高度顯著性水平；當(dāng)0.01<α≤0.1 時，分析具有顯著性。當(dāng)α值滿足上述條件時，t>0具有顯著性(或高度顯著性) 上升趨勢，t<0具有顯著性(或高度顯著性)下降趨勢，t=0為無趨勢[22]。

1.3.2 時序全局主成分分析法

時序全局主成分分析法以主成分分析為基礎(chǔ)，通過綜合多個數(shù)據(jù)指標，把多數(shù)指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)且具有綜合指向的指標，基于少數(shù)綜合指標進行多元統(tǒng)計分析，一般步驟為[23-24]：

設(shè)有n個樣本，每個樣本有p個指標變量，構(gòu)成n×p的數(shù)據(jù)矩陣：X=(Xij)n×p，其中i=1，2，…，n，j=1，2，…，p；Xij表示第i個樣本的第j項指標值。

1)采樣Z-score對數(shù)據(jù)標準化處理：

2)建立相關(guān)系數(shù)矩陣：

3)計算特征值、特征向量、主成分累計貢獻率：

計算R的特征值λi(i=1，2…p)及其對應(yīng)的特征向量uj=uj1，uj2，…，ujp(j=1，2…p)，且λ1≥λ2…≥λp即為主成分的方差，方差越大對總方差的貢獻越大。則可將標準化后的指標變量轉(zhuǎn)換為主成分Fj=uj1Z1+uj2Z2+…+ujPZP。

4)確定主成分：

將主成分對應(yīng)的特征值大于1的前 m 個主成分提取為主成分；

5)計算綜合得分F：

本文采用季節(jié)性肯達爾趨勢分析法對閩江流域2004—2020年的水質(zhì)變化進行趨勢分析，采用時序全局主成分分析法計算5項水質(zhì)指標的貢獻率確定主要污染物，并計算2017—2020逐年各點位主成分綜合得分，得到流域內(nèi)水質(zhì)污染的時空變化分布。

2 結(jié)果

2.1 研究區(qū)域水環(huán)境基本狀況

研究區(qū)域各點位2004—2020多年水質(zhì)平均濃度見圖2，由圖2可知，pH范圍為6.68～7.46，DO為6.17～9.12 mg·L-1，COD為1.56～5.35 mg·L-1，TP為0.03～0.20 mg·L-1(不含S16)，NH3-N為0.05～1.21 mg·L-1。

從空間分布看：1)靠近入?？谔幍闹Я骱透闪鱬H較高，干流中上游pH較低，近入?？赟16點位主要受閩江口咸潮上溯的影響使pH升高。其中，建溪(S7：7.12 mg·L-1，S8：7.22 mg·L-1)、富屯溪(S6：6.88 mg·L-1，S12：7.11 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游逐漸升高的趨勢；沙溪(S3：7.15 mg·L-1，S14：6.80 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游逐漸下降；干流(S9：6.93 mg·L-1，S10：6.85 mg·L-1，S15：6.68 mg·L-1，S13：6.86 mg·L-1，S16：7.07 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游先降低后升高。2)DO主要呈現(xiàn)為支流高、干流低，在干流(S9：7.30 mg·L-1，S10：6.17 mg·L-1，S15：6.76 mg·L-1，S13：7.03 mg·L-1，S16：7.18 mg·L-1)自上游到下游出現(xiàn)顯著的高-低-高的波動變化。3)S1(5.35 mg·L-1)的COD遠高于其他點位，其余較高COD出現(xiàn)在松溪上游(S7：2.83 mg·L-1)、沙溪下游(S14：2.69 mg·L-1)、大樟溪下游(S11：2.61 mg·L-1)和福州城區(qū)(S13：2.56 mg·L-1)。在干流(S9：2.46 mg·L-1，S10：1.56 mg·L-1，S15：2.23 mg·L-1，S13：2.56 mg·L-1，S16：3.08 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游先降低后升高。4)TP在S1(5.35 mg·L-1)遠高于其他點位，在梅口懸索橋S5(0.03 mg·L-1)最低，各支流TP相當(dāng)。5)同COD和TP一致，NH3-N在S1(0.87 mg·L-1)也遠高于其他點位，其余較高點位位于沙溪下游(S14：0.39 mg·L-1)、富屯溪(S6：0.26 mg·L-1，S12：0.26 mg·L-1)和干流靠近入海口處(S16：0.32 mg·L-1)。此外，干流(S9：0.17 mg·L-1，S10：0.11 mg·L-1，S15：0.21 mg·L-1，S13：0.16 mg·L-1，S16：0.32 mg·L-1)呈現(xiàn)自上游到下游先降低后升高的狀態(tài)。

2.2 主要水質(zhì)指標的季節(jié)性肯達爾趨勢分析

采用不同年份同月的數(shù)據(jù)對研究區(qū)域各點位主要水質(zhì)指標進行季節(jié)性肯達爾趨勢分析，結(jié)果見圖3，由圖3可知：1)6個點位pH呈顯著性或高度顯著性上升，主要分布在富屯溪和沙溪上游、閩侯和大樟溪支流；5個pH呈顯著性或高度顯著性下降的點位分布在金溪源頭、沙溪上游和靠近入?？?；其余點位pH無顯著變化趨勢。2)DO除3個高度顯著性上升趨勢點位(S6、S13和S14)和2個高度顯著性下降點位(S5和S15)外，整體均表現(xiàn)為無明顯變化趨勢，此外，S14在2004年(3.69 mg·L-1)和2005年(4.54 mg·L-1)出現(xiàn)年均DO值較低的情況。 3) COD除3個呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性上升趨勢點位(S3、S6和S13)和3個顯著性或高度顯著性下降點位(S1、S7和S16)外，整體均表現(xiàn)為無明顯變化趨勢。4)區(qū)域內(nèi)10個點位的TP呈顯著性或高度顯著性下降，干流和除大樟溪之外的各支流均有分布；2個TP呈顯著性或高度顯著性上升的點位，位于大樟溪和閩侯縣竹岐鄉(xiāng)。S1在2017—2018年年均TP較高，分別為0.261 mg·L-1和0.207 mg·L-1。5)9個點位NH3-N 呈顯著性或高度顯著性下降，干流、松溪上游、大樟溪和沙溪均有分布；富屯溪的2個點位呈顯著性或高度顯著性下降；較高年均NH3-N出現(xiàn)在2017年的 S1(1.108 mg·L-1)和2018年的S12(1.213 mg·L-1)。

注：圖中↑為顯著性上升；↑↑為高度顯著性上升；↓為顯著性下降；↓↓為高度顯著性下降；○為無變化。

2.3 基于時序全局主成分分析的污染評價

采用時序全局主成分分析法識別研究區(qū)域2017—2020年的主要污染物，由于S16為近海點位，不監(jiān)測TP，而且2018—2020年缺少S14和S15監(jiān)測值，因此評價點位為S1～S13，年均變化情況詳見表1。經(jīng)檢驗的KMO 取樣適切性量數(shù)為0.703，巴特利特球形度檢驗顯著性為0.000，說明時序全局主成分分析法可用于研究區(qū)域的污染分析。以特征值大于1為原則篩選了2個主成分。各主成分的特征值、方差與累計方差貢獻率見表2。各指標的主成分因子載荷見表3。由表2和表3可知，5 項主要水質(zhì)指標提取的2個主成分可解釋 75.440%的方差。第一主成分(PC1)為主要項，對總方差的貢獻率為49.763%，其中 NH3-N和TP所占比例較大。結(jié)合閩江流域的實際水質(zhì)現(xiàn)狀，推斷研究區(qū)域水體污染指標可能為NH3-N和TP，主要來自于農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等人類生產(chǎn)生活活動[26]。

表1 2017—2020年研究區(qū)域主要水質(zhì)指標變化

續(xù)表1

表2 時序全局主成分分析的特征值、方差和累計方差貢獻率

表3 時序全局主成分分析的因子載荷

對研究區(qū)域各監(jiān)測點位2個主成分，按照2017—2020年逐年各點位分別進行綜合評價(表4)，主成分綜合得分越高，排名越前，表示該點位污染物含量越高[27]。由表4可知，在研究區(qū)域各監(jiān)測點位中，閩江干流水質(zhì)評價總體優(yōu)于各支流，且閩江干流點位2017—2020四年水質(zhì)呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢，S10點位評價得分最低，該處水質(zhì)最好。閩江干流水質(zhì)好轉(zhuǎn)主要受益于近年來閩江流域生態(tài)整治行動，尤其是南平市基于“河長制”，全面落實閩江南平段的保護政策，通過削減養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)、投資污水治理項目、興建污水處理廠和污水管網(wǎng)等綜合治理手段，南平境內(nèi)閩江干流Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)比例達100%[26]。沙溪上游支流水質(zhì)較差，S1連續(xù)四年得分均最高，S4水質(zhì)也不容樂觀，S2在2020年水質(zhì)突發(fā)惡化。2017—2020年金溪和富屯溪呈好轉(zhuǎn)，建溪變化不大，而大樟溪則呈惡化趨勢。總體來看，各支流監(jiān)測點位附近都有農(nóng)田、工廠等面源或點源污染，含氨氮、磷和有機物污水排放較多，因此其水質(zhì)較差，這與程學(xué)寧等[8]研究結(jié)果相符。

表4 2017—2020年研究區(qū)域監(jiān)測點位主成分評價結(jié)果

3 討論

3.1 COD變化及影響

S1位于文川河流域，其COD、TP和NH3-N均呈現(xiàn)顯著性或高度顯著性下降趨勢，但各指標多年平均濃度均遠超其他點位(圖2)。文川河所在的永安市存在農(nóng)業(yè)面源污染、生活區(qū)雨污混接、管道破損、污水直排入河等問題[28]，需要引起重視，加強區(qū)域污染治理。

S3點位COD呈高度顯著性上升。S3位于永安市境內(nèi)的安砂水庫，永安市近年來工業(yè)化發(fā)展迅速，工業(yè)污染逐年積累，加之安砂水庫上游的九龍湖景區(qū)旅游業(yè)的大力開發(fā)[29]，可能對水環(huán)境產(chǎn)生一定的壓力。與S1點位類似，農(nóng)業(yè)面源污染、生活污水排放對COD的顯著升高貢獻較大。

S6與S13點位COD雖在標準要求內(nèi)，但均呈現(xiàn)顯著性上升趨勢。畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活污水排放[30]和城鎮(zhèn)生活污水排放[31]是COD的主要來源。S6位于富屯溪中上游流域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動頻繁[32]，COD的上升可能與此有關(guān)。而S13位于福州市轄區(qū)，上游是閩侯竹岐的農(nóng)業(yè)區(qū)域[33]，城鎮(zhèn)生活污水和畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活污水的流入不可避免，由于該點位是福州市轄區(qū)重要飲用水源地，為近60%的福州市民提供飲用水[34]，因此對該點位COD上升趨勢需要引起重視。

3.2 氮磷變化及影響

外源性氮磷營養(yǎng)鹽輸入是引起河流富營養(yǎng)化的重要原因之一。S11和S15靠近人口和工農(nóng)生產(chǎn)集聚區(qū)，生活污水、工農(nóng)業(yè)污水和牲畜糞便[8]排放增加了水中TP含量。S15段污染物主要來自于古田縣和閩侯縣，S11段主要來自于永泰縣，且兩地流域上游降雨集中，地表侵蝕嚴重，污染物易滲透入河[8]，導(dǎo)致2017—2020年TP值有上升趨勢，需加強對這兩地的水質(zhì)保護與管理的關(guān)注。

S6和S12所處的富屯溪中上游流域主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動[31]，NH3-N來源于農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的面源污染。且位于S12上游順昌合成氨廠的排放直接增加該河段的NH3-N含量[35]。

S16位于閩江河口，是內(nèi)陸水與海水的交匯地帶。研究表明S16的pH、COD和NH3-N呈現(xiàn)高度顯著性下降趨勢，推測受外海低濃度COD和氨氮的影響，河水?dāng)y帶的COD和氨氮在河口水團混合過程中，被海水逐漸稀釋，這與袁旗等[36]研究結(jié)果一致。可以預(yù)測未來水質(zhì)狀況比較樂觀。

4 結(jié)論

本文采用季節(jié)性肯達爾分析法和時序全局主成分分析法，對閩江流域多年監(jiān)測水質(zhì)進行分析和評價，得到以下結(jié)論：

1)閩江流域pH和DO整體上呈現(xiàn)各支流高于干流，干流下游(靠近人口聚居地)高于中上游的狀態(tài)。COD和NH3-N在干流自上游到下游呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。TP干流呈現(xiàn)先升高后降低趨勢。S1的COD、TP和NH3-N遠高于其余點位，需引起注意。

2)通過季節(jié)性肯達爾趨勢分析法分析表明研究區(qū)域pH和DO近年有好轉(zhuǎn)趨勢；但TP和NH3-N污染風(fēng)險仍然較高，部分點位需提高對COD的重視。

3)時序全局主成分分析法識別出研究區(qū)域目前水體污染風(fēng)險壓力主要來自NH3-N和TP，污染風(fēng)險較為嚴重的區(qū)域主要集中在閩江各支流，尤其是建溪和大樟溪，需要加強管控。