嘉陵江南充段水质评价及其污染源解析

袁姁　鲁朝旭　吴雪梅　李红英　舒丽　雷熊　李晓曼　刘巧

摘要以2017—2019年南充市嘉陵江一级支流25个监测断面的年均值监测数据为研究对象，运用多种评价方法对水环境质量进行分析，并采用GIS和多元统计法分析水质变化特征及潜在污染物来源。结果表明，综合水质标识指数法最适合南充市嘉陵江一级支流河长考核制。嘉陵江南充段一级支流水质逐年改善，污染程度从高到低依次为蓬安县>高坪区>南充市>嘉陵区>阆中市>顺庆区>南部县>仪陇县；该地区主要污染物指标为化学需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）。主要受有机污染、富营养化污染和粪便污染的影响，工业废水、农业径流、生活污水以及畜牧污染物的排放是流域主要污染源。

关键词水质评价；综合水质标识指数法；多元统计；GIS；污染源解析；嘉陵江

中图分类号X824文献标识码A

文章编号0517-6611（2023）11-0043-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.011开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of Water Quality Evaluation and Pollution Sources in Nanchong Section of Jialing River

YUAN Xu，LU Zhao-xu，WU Xue-mei et al（Nanchong Ecological Environment Monitoring Center Station of Sichuan Province，Nanchong，Sichuan 637000）

AbstractBased on the 2017-2019 monitoring data of Nanchong Jialing River first level 25 tributaries monitoring section as the research object，the water environment quality was analyzed by various evaluation methods，and the water quality change characteristics and potential pollutant sources were analyzed by GIS and multivariate statistical methods.The results showed that comprehensive water quality identification index method was the most suitable for the river chief examination system of the first grade tributary of Jialing River in Nanchong City.The water quality of the first level tributaries in Nanchong section of Jialing River improved year by year. The pollution degree ranked as follows Pengan County > Gaoping District > Nanchong City > Jialing District > Langzhong City > Shunqing District > Nanbu County > Yilong County. The main pollutant indexes in this area were CODCr，BOD5，TP，NH3-N. It was mainly affected by organic pollution，eutrophication pollution and fecal pollution，and the four major pollution sources in the basin were industrial wastewater，agricultural runoff，domestic sewage and livestock pollutant discharge.

Key wordsQuality evaluation;Comprehensive water quality identification index method;Multivariate statistics;GIS;Analysis of pollution sources;Jialing River

河流水质分析与评价是水环境规划与管理、水功能区划、污染与防治、目标考核等的基础性工作，只有采用科学合理的水质评价方法，才能准确反映当前的水体质量和污染状况［1］。一个地区的水质被认为是自然和人为因素的函数，地表水的水质不仅取决于自然过程，而且还取决于居民生活污水排放、工业废水、肥料施用和牲畜养殖等人为影响。了解水质特征，识别其污染源，是其管理的核心，因为它为水资源的恢复和保护提供了必不可少的信息，也将为更好的水资源管理和污染控制提供参考。

嘉陵江是南充市境内最大的河流，是绝大部分南充人民的重要饮用水取水地，由北向南纵贯全境，是长江上游一条流域面积最大的支流。嘉陵江南充段处于嘉陵江中游，出境后为广安市，于重庆汇入长江三峡库区，其水域地理位置十分重要。2017年南充市率先在全省推行河长制，建立了市、县、乡、村四级河长体系，按照“六个一”的思路，广泛开展采砂管理、河湖“清四亂”等专项行动，强力推进水污染防治整改工作。此外，南充还形成了“党政河长+”的河长制新格局，除“党政河长”外，还设立了“河道警长”“记者河长”“河长制工作义务服务员”以及由小学生担任的“小河长”等，进一步加强了对嘉陵江南充段一级支流水质监测及污染防控［2］。南充市在四川省甚至全国率先推行市级河长制考核，该研究也是国内少见的有关市级河长制推行嘉陵江一级支流水质改善及其水污染防治攻坚战取得的成果展示和经验总结，可为其他相关相似地区提供参考借鉴。

现在的水质评价方法已经出现了很多种，如单因子指数评价法、综合污染指数法［3］、内梅罗污染指数法［4］、主成分分析法和综合水质标识指数法［5-6］等。这些方法的评价结果是否科学合理没有一个确切的定论，而且每种方法都有各自的优点，所以在使用过程中需要根据具体评价的河流对每种方法进行比较，最大避免它的不合理处，从而使结果尽可能科学合理。笔者通过采用单因子指数评价法、综合污染指数法、内梅罗污染指数法、主成分分析法以及综合水质标识指数法等对市级河长制实施3年以来的监测数据进行综合分析，选取最适合用来考核南充市各县（区、市）的水质评价方法，综合分析水质现状及污染成因；采用GIS和多元统计的方法分析了水质空间分布特征及其主要污染物来源，提出相关防治对策，为打赢长江经济带嘉陵江水污染防治攻坚战提供决策依据和技术支撑。

1资料与方法

1.1研究区域概况南充市位于四川省东北部、嘉陵江中游，管辖3区5县，代管1个县级市，市人民政府驻顺庆区；2019年末2020年初，南充市总人口723.71万，户籍人口和常住人口全省排名第二，仅次于成都市；土地面积1.25万km2，是成渝经济区北部中心城市、川东北区域中心城市和国家重要的交通次枢纽。嘉陵江是长江第二大支流，是南充市境内重要的河道水系。南充市水资源丰富，“十三五”期间南充市平均降水量1 232.2 mm。全市河流3 166 km，境内河流大多属长江流域嘉陵江水系，嘉陵江一级支流有25条，市辖三区境内最主要支流有西河、芦溪河、潆溪河（荆溪河）、蜿蜒河、螺溪河、西充河等，这些河流交汇形成树枝状水系（图1）。

1.2数据来源南充市境内嘉陵江一级支流25条河流各设置1个监测断面，其中高坪区的清溪河用清溪河（GP）表示，蓬安县的清溪河用清溪河（PA）表示，具体位置见图2。数据采用2017—2019年年均值，监测频率为每月1次，每月中下旬采样。水样采集与分析参考《水和废水监测分析方法》［7］、《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T 91—2002）［8］，实际监测水质指标共计23项：水温（T）、pH、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（COD_Mn）、化学需氧量（COD_Cr）、氨氮（NH₃-N）、总磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）、铜（Cu）、锌（Zn）、氟化物（F-）、砷（As）、汞（Hg）、硒（Se）、镉（Cd）、铅（Pb）、氰化物（CN^-）、挥发酚（VP）、六价铬（Cr⁶⁺）、石油类（Oils）、硫化物（S^2-）、阴离子表面活性剂（LAS）、粪大肠菌群（FC）。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）［9］，水质目标考核类别均为Ⅲ类。粪大肠菌群（FC）作为单独评价指标，不纳入目标考核范围。该研究主要采用Excel、GIS和SPSS 23.0 对所有数据进行计算和处理。

1.3多元统计方法目前，相关性分析和主成分分析（PCA）都是比较完善的多元统计分析方法，常用于环境监测的污染源分析［10］。相关性分析是通过对污染指标之间进行分析，衡量2个指标的相关密切程度，从而确定其同源关系［11］；PCA是通过数学变量降维思想，将多个分析指标纳入同一系统中进行定量化研究，筛选出主要因子来解释污染情况，并且属于同一个主因子的指标则可能为同一污染来源［12-13］。它的主要目的是通过全面分析各项指标所携带的信息，筛选出比原始指标少、能解释大部分资料的综合性指标。

1.4水质评价方法单因子指数评价法是把全部参与评价的指标分别与国家地表水环境质量标准进行对比，选取对应水质级别最差的那个作为该水体的水质级别；该法的缺点是评价结果较为单一，反映河流的水质情况不够全面，优点是计算方便，直接得出超标指标的个数和倍数。综合污染指数法是在单项污染指数评价的基础上计算得到的，优点是可了解多项水质参数与相应标准间的关系从而直观判断水质状况，缺点是忽略高浓度和急性毒理性指标的影响，没有考虑水环境大量的不确定性因素。内梅罗污染指数法是考虑最大污染因子，同时又兼顾了各项污染因子平均值的一种综合污染指数。主成分分析方法是一种将多维因子纳入同一系统中进行定量化研究的多元统计分析方法，缺点是计算过程相对最复杂。综合水质标识指数法（WQI）是在单因子水质标识指数法基础上综合水质类别、与水环境功能区类别的比较结果等有关内容，主要包括单因子水质标识指数的计算、综合水质标识指数计算及水质等级确定3个步骤；它的优点是既参照国家标准规定的水质类别进行比较，又考虑了对水质污染程度的比较，可以对河道综合水质进行定性和定量的综合评价［4-5］。这5种评价手段的具体计算方法详见参考文献［3-5］。

2结果与分析

2.1水质评价该研究采用单因子指数评价法、综合污染指数法、内梅罗污染指数法、主成分分析法、综合水质标识指数法5种统计评价方法，对河长制河流考核3年监測数据平均值进行分析，结果表明（表1）：①单因子指数评价法分析结果，25条河流25个监测断面达标18个，达标率为72%。其中，Ⅱ类水质断面占16%（4个断面）、Ⅲ类占56%（14个断面）、Ⅳ类占16%（4个断面）、劣Ⅴ类占12%（3个断面），断面超标污染物为COD_Cr、BOD₅、TP、NH₃-N、DO、COD_Mn，马家河和清溪河断面超标污染物项目较多，其他支流超标项目为个别项目。②综合污染指数法分析结果，东河水质为清洁，其他支流水质受到不同程度的污染。轻度污染17个断面，中度污染3个断面，重度污染3个断面，严重污染为马家河断面。③内梅罗污染指数法分析结果，重污染2个断面，中度污染2个断面，轻度污染2个断面，其他断面为清洁或较清洁。④主成分分析法分析结果，25个监测断面污染程度从高到低依次为马家河>清溪河（GP）>西充河>朱镇河>清溪河（PA）>河舒河>大泥溪>吉安河>金溪河>泥槽河>曲水河>潆溪河>芦溪河>长滩河>长塘河>渔溪河>西河>枸溪河>罗家河>柴井河>白溪濠>小河溪>螺溪河>阙家河>东河。⑤综合水质标识指数法分析结果，Ⅰ类水质断面占4%（1个断面）、Ⅱ类水质断面占76%（19个断面）、Ⅲ类占12%（3个断面）、Ⅴ类占8%（2个断面）， COD_Cr和BOD₅为主要污染物，NH₃-N、TP次之。

通过对5种评价方法比较得出，单因子污染指数法能直观看出超标的污染物和超标倍数，但以最差的水质类别作为水质综合评价的结果，评价结果过于消极，并不能综合反映水质污染情况。综合污染指数法和内梅罗污染指数法可以综合反映河流水污染状态和读出超标断面的个数，但它不能确定直观判断综合水质类别。主成分分析法计算过程复杂，不能判断水质状况与评价标准的关系，并受数据量多少的影响，但可提供污染因子、贡献率、断面各月水质优劣等信息。综合水质标识指数法综合考虑了各种方法的特点和实用性，实现了对水质的定性和定量评估，表征流域污染物的时空变化，解决了劣Ⅴ类水的连续性描述问题，消除由于某些监测点或者指标污染过于严重而产生的影响［14］。综上结果表明，综合水质标识指数法比较适于南充市各区县河长制的水质考核评价，因此，有关政府部门可以参考，在水环境评价中应加以推广使用。

2.2综合水质评价从综合水质标识指数法（WQI）评价结果（表1）来看，马家河和清溪河（GP）监测断面水质为Ⅴ类，水质最差；清溪河（PA）、河舒河和西充河水质次之；东河水质最好，达到 Ⅰ 类标准。WQI评价结果空间分布（图3）显示，马家河和清溪河（GP）多年水质为Ⅴ类—劣Ⅴ类，清溪河（PA）、河舒河2017—2018年水质也出现未达标（Ⅳ类）的情况，有关部门应把马家河和清溪河（GP）2条非达标河流作为重点防控对象，清溪河（PA）和河舒河作为警惕对象［15］。从WQI年际变化（表2）可以看出，80%的监测断面水质变好，超标项目和超标倍数也逐年减少，截至2019年，只有清溪河（GP）一个断面未达标（Ⅴ类）。达标率是根据生态环境部要求，采用单因子指数评价法（各断面每月所有指标都达标，才能算该断面该月达标）对监测断面每年（12个月）所有指标的达标情况进行统计计算，每个责任主体每年的达标率是该地所有监测断面达标率的平均值，各县（区、市）的污染程度是通过所在责任主体3年的所有断面的达标率的均值进行排序。从综合达标率（各责任主体3年达标率均值）可以看出（表2），各县（区、市）污染程度从高到低依次为蓬安县>高坪区>南充市>嘉陵区>阆中市>顺庆区>南部县>仪陇县。从综合达标率年际变化来看，嘉陵江南充段一级支流3年的水质情况都在逐步改善，南充市和仪陇县达标率基本保持不变，其余县（区、市）达标率都有所上升，顺庆区、阆中市和蓬安县均上升了20%以上，说明南充市率先在全省实行市级河长制河流目标考核模式，重点整治嘉陵江一级支流及县域河流水环境已见成效。

2.3污染源解析

2.3.1相关性分析。由于研究区水样中Cu、Pb、Zn、Cd等重金属以及石油类等指标数值较小或未检出，且指标浓度保持稳定，因此上述指标在多元统计分析时不参与分析。通过对12个监测指标（DO、COD_Mn、BOD₅、NH₃-N、TP、COD_Cr、T、pH、S^2-、LAS、FC、F-）进行Person相关性分析，结果表明（表3），COD_Mn、BOD₅、NH₃-N、TP、COD_Cr、DO、LAS、FC这8项指标相互之间具有显著相关性（P<0.05），且COD_Mn、BOD₅、NH3-N、TP、COD_Cr、DO 这6项指标之间具有极显著相关性（P＜0.01）。根据各水质指标的特性，CODMn、BOD5、CODCr、DO主要用于表征水体受有机污染的程度和自净能力，主要来自生活废水、畜禽养殖废水、农田径流、工业废水等。NH₃-N、TP可作为水体营养盐污染指标，主要用于表征水体受富营养化污染的程度，可能来自水产养殖、农业面源及生活废水的排放等。统计结果发现FC、LAS、F-与六者（COD_Mn、BOD₅、NH₃-N、TP、COD_Cr、DO）之间具有显著相关性，说明这些指标之间内在联系紧密，即这些污染物具有相同来源或受控于同一种因素［16］。河流中F-来源分为天然源和工农业氟化物排放，LAS主要来自洗涤产品和个人护理品随生活污水排放，以及如纺织、印染、造纸等行业废水排放。FC表征水体受粪便污染的情况，主要来自地表雨水冲刷、生活污水、畜禽粪便等。因此初步推测嘉陵江南充段一级支流的主要污染源来自工业生产、农田、畜禽养殖、生活污水等。

2.3.2主成分分析。初步选取这12个监测指标（DO、COD_Mn、BOD₅、NH₃-N、TP、COD_Cr、T、pH、S^2-、LAS、FC、F^-）为评价因子，对2017—2019年浓度年均值共75组样本进行PCA分析。在分析PCA前，通过软件SPSS 23.0先对数据集进行标准化处理，再进行因子分析，得到KMO检验结果为0.766>0.5，Barlett球形检验结果显著性概率Sig.=0.000<0.05，符合PCA分析要求［17］。河流浓度主成分的贡献率及累计贡献率如表4所示。结果表明，嘉陵江南充段一级支流>1的特征值数目3个，且累计方差貢献率占比84.1%，即可用3个主成分替代12个水质指标，可解释监测指标表征的绝大部分信息。

根据PCA数据表明，主成分1在BOD₅、COD_Cr、CODM_n、NH₃-N、DO、TP、FC、LAS、F^-等变量上具有较高载荷，贡献率达到59.7%，研究区CODCr和FC超标情况较为严重，部分河流也存在BOD₅、COD_Mn、NH₃-N、DO、TP超标的情况。所有超标的指标在第1主成分的载荷都在0.88以上，因此第1主成分主要由这7个因素决定，表征有机污染、富营养化污染以及粪便污染。据南充市第二次全国污染源普查公报得知，全市水污染物排放量中，COD_Cr 9.47万t，NH₃-N 1.33万t，TP 0.12万t；嘉陵江流域南充段水污染物排放量中， COD_Cr79 450.17 t，NH₃-N 4 004.70 t，TP 11 135.15 t。其中，南充市各类源 COD_Cr排放量中，生活源占62.52%，农业源占36.42%，工业源占0.95%，其他集中式污染治理设施占0.11%；南充市各类源NH₃-N排放量中，生活源占83.17%，农业源占15.81%，工业源占0.65%，其他集中式污染治理设施占0.37%；南充市各类源TP排放量中，生活源占32.59%，农业源占66.37%，工业源占0.93%，其他集中式污染治理设施占0.11%。可见，嘉陵江南充段水质污染主要是生活污水、农业源、工业废水引起的。

主成分2在S^2-和pH具有较高载荷，贡献率达到13.1%，S^2-在地表水中含量不高，有部分来自厌氧条件下微生物还原和分解，还有部分来自工业废水中。pH代表水体的酸碱度，主要表征水体的化学稳定性。主成分3在变量T上具有较高载荷，贡献率达到11.3%，主要表征水体环境变化。对比3个主成分的贡献率可见，第1主成分即人类工农业活动影响因子对水质起主导作用，第2主成分和第3主成分影响较小。

2.3.3污染源识别。

（1）工业废水影响大，受有机污染严重。结合实地调查，马家河和清溪河（GP）水质最差，主要受有机污染的影响。主要原因是2条河流位于城区或工业园区外，人口密度高和生活污水排放量大，受到化學原料及化学制品等点源污染，其排放的废水中含有大量的耗氧有机物质，并且水处理负荷也较大。

（2）农业径流导致富营养化污染。据2016—2020年统计年鉴得知，“十三五”期间，南充市农林牧渔业总产值逐年上升，农业总产值最高，化肥施用量基本逐渐降低，氮肥施用量最高、磷肥次之。结合实地调查，绝大部分嘉陵江一级支流位于城乡结合区，主要分布在有大量农田的乡村、果园基地和城区附近村镇，水体多静止无流动，污染物进入这些河流不易扩散，河水入嘉陵江前水体富营养化严重。部分污染源来自附近农业生产过程中过量施用化肥、农药使氮磷营养盐通过降雨径流进入河水所致。

（3）受人类活动影响，生活污水和粪便污染明显。南充各个区县的畜禽养殖业比较多，高达几千家畜禽养殖场，养猪场、鸡鸭养殖场（户）占较大比例，规模小且没有完善的废水处理工艺，生活污水、人畜粪便等未经处理直接排入河流，造成严重的粪便污染。

（4）村镇污水管理水平较低，消毒处理设施不够完善，部分乡镇污水处理厂未运行。随着人口城镇化，各区县污水处理厂超过其处理能力，超负荷运行，生活污水并没有完全纳入污水处理系统，也是污染严重的一个主要原因。近几年南充在不断开展推进环保设施项目建设，截至目前，南充主城区已建成污水处理厂5座，区县8座，工业园区（9个省级，1个市级）全部建成污水处理厂，新建乡镇污水处理厂405座。其中，2020年新（改）建管网约185.75 km、新建城市污水处理厂5座、工业园区污水处理厂2座、乡镇污水处理厂（站）158座、新增污水处理能力56.22万t。

综上所述，嘉陵江南充段一级支流的水质主要受有机污染、富营养化污染和粪便污染的影响。流域内水环境质量受人类活动影响较大，工业废水、农业径流、生活污水以及畜牧污染物的排放是流域四大主要污染源。

3结论

（1）综合水质标识指数法比较适于南充市各区县河长制的水质考核评价。该方法实现了对水质的定性和定量评估，消除由于某些监测点或者指标污染过于严重而产生的影响，能具体反映南充市嘉陵江支流水质的整体水平，能科学合理地对南充市嘉陵江水质状况进行描述。

（2）综合水质标识指数法显示，马家河和清溪河（GP）水质最差，均达到Ⅴ类水质；东河水质最好，达到 Ⅰ 类标准；该地区的主要污染物为CODCr和BOD5，NH3-N、TP次之；从综合达标率可以看出，污染程度从高到低依次为蓬安县>高坪区>南充市>嘉陵区>阆中市>顺庆区>南部县>仪陇县，总体上嘉陵江南充段一级支流水质情况在逐步改善。

（3）依据多元统计分析，南充嘉陵江流域主要受有机、富营养化和粪便污染的影响。流域内水环境质量受人类活动影响较大，工业废水、农业径流、生活污水以及畜牧污染物的排放是流域四大主要污染源。

（4）为了巩固这3年来水污染防治攻坚战取得的来之不易的成果，结合该研究污染物来源解析结果，针对其污染特征，抓住工业、农业、城镇生活和畜禽养殖等重点污染源，开展流域污染整治，继续推动实施各种地方目标考核制度和“一河一策”等系列办法。

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