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浙江省两个典型流域水体污染特征及污染源解析研究

杨丽萍  
【摘要】:水污染问题在世界范围内引起极大重视。在我国,近几十年来随着人口的增长、经济的快速发展及城市化进程的加快,地表水、地下水污染问题变得尤为突出。了解水污染的总体状况、污染分布的时间和空间特点以及污染来源的解析是进行水污染治理的前提。本研究在流域尺度上对水污染问题进行研究。所选取的研究区是浙江省2个典型流域:一个是受多种污染物质综合污染的城市代表性流域-温瑞塘河流域;另一个是受单一氮素污染的饮用水源区-合溪水库流域。对温瑞塘河流域我们从2009年1月到2010年12月2年间在12个水质监测站点每2月采集1次水样,共采样12次水样。在合溪水库流域我们从2011年9月至2012年7月期间,在28个河流点,14个地下水点,和6个水库点每2月采集1次水样并进行水质分析。在此基础上,以单因子水质评价、综合水质评价以及污染指数法等水质评价方法对这2个流域的污染现状进行评价,并对这2个流域内的各个水质因子的污染状况进行时空分布特征分析。此外,利用主成分分析(PCA)结合绝对主成分得分多元线性回归模型(APCS-MLR),以及正定矩阵因子分解模型(PMF)对温瑞塘河流域3个不同研究区域(城市、近郊、农村)的水质污染来源进行综合解析,同时利用氮氧双稳定同位素(δ15N和δ180)和基于贝叶斯算法的污染源解析模型SIAR (Stable Isotope Analysis in R)对合溪水库的硝酸盐污染来源进行识别并计算各个污染源的贡献率,研究结果可为这2个流域的水质治理提供理论基础。研究的主要结论如下:1.温瑞塘河流域和合溪水库流域污染严重,其主要水质级别为较差或极差利用单因子水质评价、综合水质评价和污染指数法对2个流域研究区的水质进行评价。在温瑞塘河流域,由单因子水质评价法得知,城市区域所有水样均为劣V类水。近郊区域中所有水样均为V类或劣V类水,农村区域劣V类占农村总样品数的67%,V类水占14%。利用水质综合评价得知,温瑞塘河流域河流水的水质综合评价结果为较差和极差的水质级别。利用地表水环境质量标准(GB3838-2002)Ⅲ类水域功能标准限值为参考,城市中化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)的污染指数平均值1,其中TN和NH3-N的超标率为100%,COD的超标率为65%。近郊区域COD.TN.NH3-N的污染指数平均值1,分别超标64.6%,100%和100%CODMn口F-分别有31.3%和18.8%的样品超出标准。农村区域的TN和NH3-N的污染指数1,其样品超标率分别为88.9%和47.2%。另外,CODMn和COD也有样品超标,超标率分别为13.9%和19.4%。通过单因子水质污染分析和综合水质污染分析可知,合溪水库流域内的河流水和水库水的污染级别90%以上为V类和劣V类水,其对应的综合污染评价等级为极差水质。地下水中90%以上的水样污染级别为Ⅲ类,其综合污染评价等级为良好。基于地表水环境质量标准(GB 3838-2002)和地下水质量标准(GB/T14848-93)Ⅲ类水质等级为标准,通过污染指数的计算可知,100%的河流水TN超标,5%的水库水TN超标,4%的地下水NH3-N超标。2.氮素污染和有机污染是温瑞塘河流域最主要的污染类型温瑞塘河流域受到严重的氮素污染和有机污染,其中TN污染最为严重,有91%的样品超过了地表水环境质量标准(GB 3838-2002)V类水域功能标准限值,最高的TN浓度是V类水标准的13倍。利用方差分析得知,水质参数在3个不同研究区域之间的空间分布差异显著,城市和近郊的水质要差于农村的水质,并且城市和近郊的水质差异不显著。污染最为严重的水质参数(TN, NH3-N, COD,和CODMn)在城市和近郊的污染比农村严重。对各水质参数的年际变化分析还发现2010年的水质在2009年的基础上有一定的改善,但月际之间的变化差异不显著。3. 温瑞塘河流域受自然污染源和人为污染源双重影响,其中生活污水源、工业污染源、交通污染源和农业非点源污染等人为源及土壤等自然源是主要污染来源利用主成分分析(PCA)法,在城市区域得到4个污染源,近郊3个污染源,农村3个污染源。在城市区域,主要污染源是市政污水和商服业废水、交通和工业污染以及土壤源等。在近郊,大部分监测点受到城镇生活污水和工业废水的影响,此外还有交通污染源和土壤源等的影响。在农村,多数监测点受到农业非点源污染和农村生活污水的影响,含有粪肥源的农业径流,土壤源等均为农村水质污染源。结合APCS-MLR,计算出了每1个污染源的贡献率。利用PMF模型对3个不同研究区域的污染源进行解析。结果表明,土壤等自然源、工业污染源、市政污染排放源以及地表径流污染源为城市区域的4个主要污染源;工业污染源、地表径流以及生产生活污水为近郊区域的3个主要污染源;农村生活污水源、土壤源以及农业非点源污染源为农村区域的3个主要污染源。同时PMF模型还给出了各种源对各个水质参数的贡献率。就模拟结果而言,2种模型得出的污染源在3个研究区域均有差异,其中城市区域的解析结果较相似,在近郊和农村,2种模型解析出的污染源差异较大。从PCA方法得到的共同度以及PMF模型的决定系数可以看出,在本研究区,2种模型对污染源的拟合结果较好。4.含氮化合物是合溪水库流域的主要污染物质,其分布存在时间和空间上的差异在合溪水库流域,氮素为最主要的污染物质。通过对氮素时间分布特征分析得知,TN,NH3-N和N03--N的浓度在流域内表现为湿季高于干季。TN和N03--N在流域内的河流水和地下水中呈现出上游(US)浓度高于中游(MS)高于下游(DS)的趋势,而在水库水中则上游浓度低于下游。5.合溪水库流域在干季主要受粪肥污水污染,而湿季主要受化肥污染本研究结合水文化学特征、同位素特征(δ15N和δ18O)以及SIAR模型对干湿2个季节的3种水体类型的氮素源进行研究,计算研究区水体中硝氮来源得知,粪肥污水、大气沉降源在12月份贡献率高于5月份,化肥、土壤源贡献率5月份高于12月份。在12月,粪肥污水贡献率最大,最高在地下水中,达到61%,而化肥在5月份贡献率最大,流域均值达到37%。大气来源在4种氮污染源中贡献率最低。


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