流域尺度水质时空变异特征及污染源解析研究

摘要

水污染已成为世界性的环境问题，关系到人民群众切身利益的饮用水安全状况更令人堪忧，饮用水水源地保护问题已成为关系国计民生的重大问题。因此，全面详细了解饮用水源的污染特征、污染时空分布变化规律、污染来源显得尤为重要和迫切。
　　研究选择浙江省长兴县合溪水库流域作为研究对象，在对合溪水库流域全面的调查研究和全流域各时段的水样分析的基础上，运用单因子及内梅罗综合污染指数法等开展了水体污染特征评价分析，基于不同支流不同土地利用类型，通过综合运用水化学特征分析、地理信息空间分析和多元统计分析等技术，全面评估了合溪水库流域各支流水体污染的时间和空间分布规律及特征;同时分别采用主成分分析(PCA)和正定矩阵因子分解(PMF)受体模型进行了来源识别和解析研究。主要取得如下研究结果:
　　(1)合溪水库流域水质呈现一定程度的超标现象，其中以氮素污染问题最为突出。
　　2015年11月至2016年11月隔月从合溪水库流域32个采样点共采集水样224个（其中地表水203个，地下水21个），根据地表水环境质量标准(GB3838-2002)规定的Ⅲ类水质标准限值，203个地表水样中，总氮(TN)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、氟化物（以F-计）及氯化物（以Cl-计）分别有100％、72.9％、18.7％、81.8％和0.98％的样点超标。此外，有96.6％的样点TN浓度超过地表水Ⅴ类水质限值，地表水TN超标十分严重。根据地下水质量标准(GB/T14848-93)规定的Ⅲ类水质标准限值，21个地下水样中氨氮超标率为33.3％。根据不同水体类型来分，河流水TN污染最为严重;水库水污染程度其次;地下水污染相对较轻，但也受到了一定程度的氨氮污染。
　　(2)流域水体水质呈现明显的时空分布特征和规律。
　　从时间分布来看，河流水水质内梅罗综合污染指数值1月份最高，7月份最低，但水库水和地下水污染指数值的分布呈现明显的时间滞后性;从TN的分布来看，也呈现枯水期（1月份）TN含量显著高于丰水期（7月份）的类似时间分布规律。从TN含量空间分布来看，杨梅涧上游源头林地区域TN普遍偏高，超标严重;合溪北涧和合溪南涧的中游城镇生活区域，TN浓度较高;合溪北涧的下游农业种植区域TN浓度也较高。根据样点周边不同土地利用现状来看，耕地周边样点TN浓度平均值最高，林地周边样点TN浓度平均值最低。河流水水质综合污染程度呈现（按不同利用现状周边样点进行分类）:耕地＞居民区＞林地＞工矿区;3条支流的综合污染程度呈现:杨梅涧＞合溪南涧＞合溪北涧。
　　(3)基于合溪水库流域污染物的排放量分析识别了流域主要的污染源，运用PCA和PMF模型分别识别和解析了各个支流的污染源及污染贡献率。
　　从整个合溪水库流域污染物排放量分析来看，农业污染是合溪水库流域河流水体污染的主要原因。农业污染源和居民生活污水产生的污染物排放量较大，工业点源产生的污染物排放量相对较少。TN的主要来源为农业污染源，包括种植业和畜禽养殖业污染，其次为生活污水，工业污染源只占到很小一部分;氨氮的主要来源为畜禽养殖，其次为生活污水;COD的主要来源贡献:畜禽养殖＞生活污水＞工业污水。
　　综合运用PCA识别和PMF模型解析并结合前面的分析研究，研究区域最终得到4个主要污染源:农业污染源、工业污染源、生活污水和城镇地表径流。其中，农业污染源对TN和氨氮贡献较大，分别为75.26％和59.42％;工业污染源与F-密切相关，贡献率为71.87％;生活污水对COD和氨氮贡献较大，分别为41.2％和34.33％;城镇地表径流主要与TOC和COD有关，贡献率分别为75.19％和56.8％。
　　通过PCA识别和PMF模型解析，合溪南涧的主要污染源为城镇污水污染源、工业污染源、农业污染源和粪肥污水;合溪北涧主要污染源为生活污水污染、地表径流、农业污染。杨梅涧主要污染源为城镇生活污水、交通污染、农业污染和地表径流。从PCA方法得到的共同度以及PMF模型的拟合情况来看，污染源解析的效果较好。
　　本研究结果为合溪水库流域水体的可持续利用、管理与保护提供了理论依据和技术支持，对水体的污染防治和风险管理具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

图表目录

第一章 引言

1．1 流域水污染

1．1．1 流域水污染现状

1．1．2 水体中氮素等污染的危害

1．1．3 水体污染的来源

1．2 水体污染源识别与解析技术

1．2．1 空间分析技术

1．2．2 源解析方法

1．3 研究意义和技术路线

1．3．1 研究意义

1．3．2 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 流域概况

2．1．1 地理位置及自然环境状况

2．1．2 社会经济概况

2．2 研究方法

2．2．1 水源地污染源调查

2．2．2 水源地水质监测分析与评价

2．2．3 空间分析

2．2．4 主成分分析(PCA)

2．2．5 正定矩阵因子分解模型(PMF)

2．2．6 数据处理与图件制作

第三章 合溪水库流域水质时空变化特征分析

3．1 合溪水库流域水质特征分析

3．1．1 水质指标描述性统计分析

3．1．2 不同类型水体水质特征分析

3．1．3 不同土地利用类型下的水质特征分析

3．2 水质综合评价及时空变化特征分析

3．2．1 不同类型水体水质综合评价

3．2．2 水质时间变化规律

3．2．3 水质空间变化规律

3．3 小结

第四章 污染源的定性识别和解析

4．1 污染源的定性识别

4．1．1 水化学特征分析

4．1．2 主成分分析

4．2 水污染来源分析

4．2．1 农业面源污染

4．2．2 生活污水污染

4．2．3 工业污水污染

4．2．4 各污染物来源

4．3 PMF模型污染源解析

4．3．1 合溪南涧污染源解析

4．3．2 合溪北涧污染源解析

4．3．3 杨梅涧污染源解析

4．4 小结

第五章 水源保护对策及措施

5．1 水源保护管理措施

5．2 水源保护工程措施

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 不足与展望

参考文献

致谢

作者简介