咸宁市地表水环境质量时空特征与水污染防治对策

摘要:根据咸宁市环境监测站提供的全市各采样点的水质监测数据,采用主成分分析法对咸宁市地表水水质状况进行了评价和分析。结果表明,咸宁市地表水水质总体较好,其中河流以Ⅲ类水质为主,部分河段受到污染,污染物超标;湖泊和水库基本达到Ⅲ类以上水质标准,但主要湖库存在富营养化趋势。研究同时表明,受地形、水系和城镇化的影响,咸宁市地表水水质状况呈现一定的时空规律性,局部呈加速恶化的趋势。在此基础上,提出了咸宁市地表水环境保护和治理的对策措施。

关键词:地表水;水环境质量;咸宁市

中图分类号:X523

文献标识码:A

文章编号:1005-569X(2010)06-0087-05

1 引言

随着我国城镇化和工业化进程的加速,水污染问题也凸显出来,近年来各种水环境污染事件呈现出频繁爆发的态势,水环境安全面临前所未有的压力。因此,水环境监测在人类防治环境污染,解决现存的或潜在的水环境问题,改善生活环境和生态环境,协调人类和环境的关系,实现人类的可持续发展等方面起着举足轻重的作用[1]。

作为从山地向江汉平原过渡的咸宁市,河流水系十分发达,水库湖泊众多,水资源丰富。但随着城镇化、工业化的加速,咸宁市水环境安全也面临着巨大压力。进入21世纪,咸宁市主要河流水质状况存在不断恶化的趋势,已经敲响了水环境安全的警钟。如果不能引起重视,制定相应的对策措施,若干年后必将为水资源的破坏和水污染治理付出更大的代价。因此,本研究着重分析评价咸宁市水环境质量的空间格局及变化趋势,提出防治对策措施。

2 咸宁市水环境概况

咸宁市地处华中腹地,通称“鄂南”,东临赣北,南接潇湘,西望荆楚,北靠武汉,地跨东经133°31′~144°58′,北纬29°02′~30°18′,属江汉平原向江南丘陵过渡地带,为典型的亚热带大陆性季风气候。咸宁市位于长江中游南岸,幕阜山北麓。自然面积9861km2,其中山区27.8%,丘陵占55.8%,平原占16.4%属江汉平原向江南丘陵地区的过渡地带。从总体上看,有“七山一水”的优势,既具有山区经济的特点,同时又具有非山区交通便利的有利条件。全境以低山,丘陵为主,兼有平原,盆地,湖泊和大高山,全区地势南高北低。咸宁市境内河流纵横,湖泊众多,面积在33.3hm2以上的19处,主要有西凉湖、斧头湖、黄盖湖、大岩湖、密泉湖,分布于沿江平原地区属地壳沉降、洼地积水而成。根据2003年统计手册,咸宁市共有各类大中小型水库505座,其中大型水库4座,即淦河的南川水库,陆水支流青山河的青山水库,长江支流陆水河的陆水水库,嘉鱼县的三湖连江水库。全市中型水库18座,其中通城县境内有云溪、百丈潭、左港、东冲、阁壁、龙潭6座,崇阳县境内有台山、石壁、香山、杨林桥4座,赤壁市境内有松柏湖、黄沙、双石3座,嘉鱼县境内的有渗子湖1座,通山县境内有石门、雨山、石门塘3座,咸安区有四门楼1座。

3 数据来源

3.1 数据来源

数据取自咸宁市环境监测站2009年提供的2001年至2008年全市各主要监测点的实测数据。其中2008年监测数据较详实,共43个采样点,包括有1月份、3月份、5月份、7月份

、9月份和11月份的监测数据,取各月份的平均值。[2]

3.2 监测采样点的分布

(1)陆水河,L1通城段新塔槔;L2湛家湾;L3肖岭106大桥;L4浮溪桥;L5崇阳县造纸厂排污口上游500m;L6洪下;L7赤壁黄龙渡口;L8嘉鱼陆溪口。

(2)淦河,G1一号桥;G2商业城;G3红桥;G4橡皮坝;G5麻纺厂;G6西河桥;G7107国道。

(3)通羊河,T1土桥;T2徐家湾;T3管家。

(4)厦铺河,X1翠屏;X2厦铺桥;X3新桥。

(5)横石河,H1刘家岭;H2横石桥;H3富有桥。

(6)洪港河,K1杨林;K2洪港桥。

(7)湖泊,A1斧头湖湖心;A2西凉湖湖心;A3白湖;A4小湖;A5梅湖。

(8)水库,B1-1陆水湖主坝;B1-2陆水湖副坝;B1-3陆水湖-猪婆湖;B1-4陆水湖-蒲纺;B2-1富水水库大坝;B2-2富水水库-礼湖;B3云中湖;B4百丈潭水库;B5南川水库;B6鸣水泉水库;B7四门楼水库;B8青山水库。(采样点分布见图1)

图1 2008年咸宁市地表水水质评价结果分布图

4 评价方法

4.1 主成分分析法

主成分分析是一种数学变换方法[3,4],它把给定的一组相关变量通过线性变换转换成另一组不相关的变量,这些新的变量按照方差依次递减的顺序排列。在数学变换中保持变量的总方差不变,使第一个变量具有最大方差,称为第一主成分,第二个变量的方差次大,并和第一个变量不相关,称为第二主成分,依此类推,最后一个主成分方差最小,且与此前的主成分都不相关 。根据主成分分析的基本原理,可以把主成分分析的计算步骤归纳如下 。

(1)为排除量纲和数量级的不同,首先要对原始数据进行标准化处理,x*ij=(xij-xi)/σi(i=1,2,3…p;j=1,2,3…p);式中,xxj为第i个指标第j监测点的原始数据;xi和σi分别为第i个指标的样本均值和标准差。

(2)根据标准化数据表(x*xj)n×p,计算相关系数矩阵R=(rij)n×n;其中,rij=1n∑nk=1(xki-xi)(xkj-xi)/σiσj。

(3)计算特征值与特征向量,根据特征方程|λI-R|=0,求出特征值λi(i=1,2,3…p),并使其按大小顺序排列,然后分别求出对应于特征值 的特征向量ui(i=1,2,3…p),要求||ui||=1,∑pj=1uy,即表示向量ui的第j个分量。

(4)计算主成分zi贡献率ei=λi/∑pk=1λk和累计贡献率lm=∑ik=1λi/∑pk=1λk,一般取累计贡献率大于85%的特征值λ1,λ2,λ3…λi所对应的第1、第2,…,第m个主成分。

(5)综合分析:将各待评断面的标准化数据分别代人各主成分的表达式中,便计算得到断面的各主成分得分值Fi(i=1,2,…m),以各主成分的方差贡献率ei为权重,求和,即得到各断面的综合评价得分F=∑mi=1ei×Fk。

4.2 指标选取与地表水分级评价标准

咸宁市地表水质量监测,对主要河段断面和湖库共进行了22个指标的测定[4]。水质综合评价通常选取高锰酸盐指数(CODMn )、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)作为评价指标。根据中华人民共和国地表水环境质量标准(GB3838-2002)的评价等级[5],表1把地表水分为5个等级,即评价集为V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ};地表水环境质量分为:优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染五个等级。

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表1 地表水分级评价标准

单位:mg/L

等级CODMnNH3-NTPTN

Ⅰ2.00.150.020.2

Ⅱ4.00.50.10.5

Ⅲ6.01.00.21.0

Ⅳ10.01.50.31.5

Ⅴ15.02.00.42.0

5 结果与分析

5.1 地表水质总体现状

采用上述评价方法,对咸宁市各监测断面的采样数据进行计算,得到各采样点的水质评价结果(图1)。从主要河流监测断面2008年的水质情况来看,大多数达到了Ⅲ类水质标准,其中山区河流上游河段水质尚能达到Ⅱ类水质标准。然而,也有部分河段水质严重恶化。陆水河上游通城段新塔槔、湛家湾监测断面为Ⅳ类水质,化学需氧量超标。赤壁段黄龙渡口监测断面为Ⅴ类水质,总氮、总磷超标。通羊河管家监测断面中高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮和洪港河杨林监测断面中高锰酸盐指数(CODMn)、色度监测结果达到Ⅳ类标准,超出要求。评价结果表明,咸宁市地表水中河流水质总体稳定在Ⅲ类水质范围,全市河流水质总体较好,但部分河段遭受污染,污染河段主要集中在各县市城区下游,主要污染物为溶解氧、总磷、氨氮、高锰酸盐指数,而重金属及其他污染物的含量很低甚至基本没有。主要污染源为造纸、麻纺、化工等工业废水及城市生活污水、固体垃圾等。咸宁市地表水体中,湖泊和水库占有较大比重,是生产生活的重要水源地。对主要湖库采样点监测数据进行评价,结果显示,全市各大小湖库水质总体较好,除个别水库外,均达到Ⅲ类以上水质标准。全市各大小湖库中,水质状况仍然存在较大差异。百丈潭水库为河流上游区河流发源地,按功能区划要求应为Ⅱ类水质,但实际上,水库库心总磷、铅监测结果目前仅符合Ⅳ类水体水质要求,因水库网箱养鱼使库区水质已趋于富营养化。河流中游区的陆水湖因承接上游城镇排污来水,总磷、溶解氧、总氮有时略有超标,监测数据表明陆水湖地表水水质已有富营养化趋势。河流下游区的白湖、小湖和梅湖受生活污水污染,有时采样监测氨氮分析结果出现超标现象,不符合水环境区划要求。富水水库氨氮和总磷在监测时出现超标,水体功能已逐步由Ⅱ类转化为Ⅲ类。西凉湖、斧头湖等大中型湖泊受到工农业污水及生活污水污染,有富营养化趋势。云中湖区处九宫风景区,受库区周边各大小宾馆、酒店等生活污水影响,总磷监测数据超标,库区水体水质已趋于富营养化。

5.2 地表水环境质量空间格局

咸宁地势南高北低,南部为山区地形,中部为丘陵盆地,北部为滨江平原和低丘岗地。由于地形的限制,人口和城镇多分布在地势较低平的中部山间盆地和北部沿江平原地带,从而导致工农业生产和生活污水主要集中于中下游河段。另一方面,根据咸宁市水利局多年数据分析,全市降水量地域分布总体上是南部山区大于北部丘陵平原区,由南至北逐渐减少。山区为河流发源地,水流流速快,更新自净能力强,中下游河段、水库和湖泊为水流接纳区,流速低,水体更新缓慢。从咸宁市各类水质地表水空间分布形势来看,河流上游区河段和水库水质总体较好,而中下游区河段和湖库水质相对变差。这一空间上的差异是与咸宁市的地形、水系及人口分布特点相一致的。

从表2中,达到Ⅱ类水质标准的水库基本分布在河流上游区,河流中游和下游区的湖泊和水库水质均能达到Ⅲ类标准。上游区水库中,百丈潭水库08年水质恶化明显,总磷、铅超标,已降为Ⅳ类水质,主要由于近年来水域发展网箱养殖造成,如能及时拆除养殖网箱并采取水体更换措施,即可恢复到原有状态。中下游区水库和湖泊的水质虽然尚能维持在Ⅲ类标准范围,但随时存在污染物超标和水质恶化的风险。这类水库和湖泊水质受周边城镇生产和生活污水的影响较大,由于水体面积和储蓄量较大,自净能力较强而尚能维持目前水平,但监测数据显示,总氮、总磷、氨氮为经常性超标项。因此,对于中下游区水库和湖泊目前水质状况的维持,任务十分艰巨,需要从全流域出发进行综合防治。

表2 咸宁市湖库水质空间分布格局

湖库名称所属区域水域类别水质类别超标项目

云中湖河流上游区中山人工湖Ⅱ类总磷

百丈潭小型山区水库Ⅳ类总磷、铅

南川水库中型山区水库Ⅱ类

鸣水泉水库小型山区水库Ⅱ类

四门楼水库中型山区水库Ⅱ类

陆水湖河流中游区大型丘陵水库Ⅲ类总氮、总磷

富水水库大型丘陵水库Ⅲ类氨氮和总磷

斧头湖河流下游区大型平原湖泊Ⅲ类

西凉湖大型平原湖泊Ⅲ类

白湖中型平原湖泊Ⅲ类氨氮

小湖小型平原湖泊Ⅲ类氨氮

梅湖中型平原湖泊Ⅲ类氨氮

5.3 地表水环境质量动态变化

通过对全市2001年以来各类水质河段进行统计,从历年来河流水质的变化来看,Ⅲ类水质河段占总河段比例最高,见图2。

图2 咸宁市2001~2008年河流水质动态变化

图3 咸宁市近年来所有监测点各类水质出现频率

从图2中可以看出,自2001年以来,全市各河流河段水质有不断向Ⅲ类标准靠拢的趋势。2001年~2003年,达到Ⅱ类水质标准的河段尚占有较明显的比例,尤其是2003年这一比例更为突出。反映出2003年是一个特殊年份,因“非典”影响人员物资的流动,使流域内的工业生产和生活受到限制,相对正常年份污染排放较少。而2004年Ⅳ类水质河段比重有所增加,全市河流水质趋于恶化,反映出“非典”过后,积压的市场需求得到释放,工农业生产超常规模扩大,使污水量显著增加并集中排放,从而导致这一结果。随后的年份,Ⅲ类水质河段比例不断增大,一方面由于农村人口向中心镇和中心村集中,生活污水集中排放导致原有Ⅱ类水质河段变为Ⅲ类水质河段,另一方面,近年来中心城污水净化厂的建设和投产发挥了一定的作用,尤其是对造纸、麻纺、化工污废水的处理,从而减少了污水排放,使原来的Ⅳ类水质河段转变成了Ⅲ类水质河段。

从全市各监测点水质评价结果的统计情况来看,所有采样点中Ⅲ类水质所占比例也是随时间发展呈现越来越大的趋势,见图3。Ⅱ类水质地表水体(湖库、河流)趋于减少,主要是由于城镇化使人口集中,另外一些水库承包养鱼等过度开发行为也使原来Ⅱ类水质恶化。城镇化发展是一个持续的社会经济现象,因此咸宁市地表水环境能否维持现状水平仍然面临巨大压力。

Ⅳ类水质水体趋于较少,说明部分主城区水污染治理有了一定的成效,但随着人口的增加,工业化加速,现有净化设施的净化能力仍将面临考验。

6 水污染防治对策

6.1 进一步加强污水处理厂建设,提高污水处理率

咸宁市各区县内目前已建成多处污水处理厂,取到一定成效。防止污水直接排入河流是治理点源污染的主要途径,因此必须因地制宜地加快兴建各种规模的污水处理厂,逐步提高污水处理率,力争污水全部净化处理。

6.2 提倡使用不含磷洗涤剂,采用生活垃圾分类收集集中处理

通过对咸宁市地表水系富营养化调查,显示陆水河、富水河段的磷主要来自城市居民生活污水。根据专家分析地面水磷的来源及比例,认为地面水中的磷,1/3左右来源于家庭洗涤剂,1/3左右来源于生活污水及生活垃圾浸出物。由此可以认为磷的主要来源是含磷洗涤剂和生活污水及生活垃圾浸出物[4]。因此,大力提高城市居民环保素质,提倡全面禁用含磷洗涤剂,采用生活垃圾袋装化和统一填埋,是达到控制总磷,防止水体富营养化的主要手段之一。

6.3在周边城镇大力推广生物净化技术

城镇生活污水主要污染物为总磷、总氮和氨氮,是水体富营养化的来源,也是导致今后地表水不断恶化的长期因素。上述污染物的治理适宜采用生物净化措施,对主城区以外的城镇而言可以大大节约治理成本。生物净化措施的一种运用方式是,将城镇生活污水集中到几处人工开挖的净化水塘,在水塘中可任由水浮莲等水生生物大量繁殖。水生植物可极大程度吸收氮磷等营养元素,使污水得到净化,然后将净化后的水经出水口排入河道。这种方式的成本较低,主要是一段时间后清塘人工的费用。

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6.4 加强水生生物资源的保护,提高水体自净能力

水体的自净能力取决于水量、流速和水生生物的丰富程度,其中水生生物对水体污染的净化作用最为显著。咸宁市两大湖泊――斧头湖和西凉湖目前均保持Ⅲ类以上水质,主要因为两湖均为浅草型湖泊,水草盈湖,鱼虾丰富,所以极大程度地吸收净化了来自上游的污染物。目前,各县市城区均位于主要河流两岸,尽管有污水处理厂对生活污水进行处理,但其能力仍然有限,仍有大量污水进入河道。因此,发挥水体自身的净化功能尤其重要。因此,应加大对河流湖泊水生生物资源的保护,制定严格有效地保护措施,包括对渔业资源的保护,如禁止非法渔业,定期人工放鱼苗(鳙鱼)等。

6.5 发展循环经济,推行排污许可证制度

调整工业结构,推行清洁生产工艺,发展循环经济,从源头削减水污染物排放量。继续推行排污许可证制度,合理确定主要水污染物削减指标,核定重点排污口分布,合理调整水域的纳污负荷,将污染负荷引入环境容量较大的水体。

6.6 制订水污染防治规划,做好水污染防治

目前,要根据咸宁市经济发展、工业布局、人口增长、环境容量、水体功能及治理情况等因素,制订水污染防治规划;同时加强水质监测、污染源调查及水质评价工作,严格执行环境保护法并实行污染物排放许可证制度;咸宁市水系水资源保护要坚持预防为主,防治结合的原则;坚持生态建设和经济开发同步的原则。既要保护好咸宁市水系水资源环境,又能合理地、有效地、有步骤地发展咸宁经济,结合我市的资源条件,因地制宜发展我市特色经济;坚持新污染源控制与生态建设相结合的原则,对污染严重,暂时又无措施治理的,采取关闭和取缔等措施;坚持资源开发与控制损害相结合,谁污染谁治理,谁利用谁补偿的原则[6]。

参考文献:

[1] 刘鸿亮.中国水环境预测与对策概论[M].北京:中国环境科学出社,1988.

[2] 湖北省咸宁市环境监测站.咸宁市环境质量状况(2002年~2008年)[G].

[3] 高惠璇.应用多元统计分析[M].北京:北京大学出版社,2005:265~289.

[4] 万金保,曾海燕,朱邦辉.主成分分析法在乐安河水质评价中的应用[J].中国给水排水,2009,25(16):104~107.

[5] 中华人民共和国国家环境保护总局.地表水环境质量标准(GB3838-2002)[S].北京:中国环境科学出版社,2002.

[6] 张丰如,吴馥萍,郭远凯.梅江水系水环境质量评价及污染防治对策[J].嘉应学院学报,2004,22(6):33~36.

On Dynamic Changes of Surface Water Quality and Water Pollution Control

Measures in Xianning City

Tang Yaqian,Zhong Xuebin,Hao Hanzhou,Hu Guanguan, Wu Jiajia, Li Hui

(Department of Resource and Environmental Science, Xianning College, Xianning, Hubei

437100, China)

Abstract:Based on the monitoring data of water quality about all of the samples provided from the Environmental Monitoring Station of Xianning city, this paper researches surface water quality status of Xianning city by using principal component analysis. The result shows that surface water quality inXianning is good in general; water quality of most of the rivers are grade Ⅲ;some rivers are polluted; lakes and reservoirs have basically reached the quality standard grade Ⅲ, but the main lakes and reservoirs are becoming eutropHication.The study also shows that spatial pattern of surface water environment represents some regularity which controlled by terrain, water and urban distribution in Xianning city.On the other hand ,the time characteristics of dynamic change of surface water environment is notability. On this basis, this research proposes some targeted countermeasures for surface water environmental protection and management .

Keyword: surface water ;water quality ;Xianning city

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