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(3: 辽宁大学环境学院, 沈阳 110036)
(4: 辽宁老秃顶子国家级自然保护区抚顺管理局, 抚顺 113208)
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(2: College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, P.R.China)
(3: School of Environmental Science, Liaoning University, Shenyang 110036, P.R.China)
(4: Fushun Authority of Liaoning Laotudingzi National Nature Reserve, Fushun 113208, P.R.China)
(5: Fushun Institute of Forestry, Fushun 113008, P.R.China)
河流水质是流域生态系统健康评价的重要指标，是自然因素及人为活动对流域生态环境影响的综合体现[1-3].近年来由于自然环境的变化及人类活动强烈干扰等综合作用的影响，水体污染日益严重[4-5].工业废水、城镇生活污水等点源污染、畜禽养殖污染和农药化肥的过度施用，随地表径流和水土流失造成的非点源污染，严重影响水环境健康及社会经济的可持续发展[6-9].水库与入库河流存在空间上的连续性[10-12]，随着河流输入水库的污染物逐年增大，越来越多的湖泊和水库面临着富营养化的问题[13-14].控制入湖、入库河流输入湖泊(水库)的污染物总量，是目前控制水体富营养化、防止藻类水华暴发的最根本手段[15-17].目前学者们就入库污染负荷状况开展了一些研究，如郑丙辉等应用基流分割对三峡水库入库污染负荷进行了估算[18]，杨尚等对大沙河水库氮磷营养输入进行分析[19]，陈能汪等以福建山仔水库为例研究河流氮磷输送对库区富营养化的影响[20]，但有关水库上游河流及库区污染物特征组成、空间分布及相关关系的详细报道仍不多见[21-22].库区及其上游流域范围大、监测资料有限在一定程度上影响了对入库河流及库区水质进行客观、有效的评价.
大伙房水库位于辽宁省东北部，是辽宁省沈阳、抚顺、鞍山、大连等7座城市的生活饮用水水源地，作为区域内关键水源地，其水质健康状况极为重要[23].大伙房水库入库河流主要包括浑河(清原段)、苏子河和社河，流域内以农业生产为主要经济来源，工业污染小，面源污染较严重.丰水期由于降水的影响大量面源污染物被冲刷进河道，是污染物浓度增高的关键时期.本研究于2012年89月对大伙房水库及入库支流61个采样点的水质状况进行调查，并运用聚类分析、方差分析和主成分分析的方法研究水质的空间分布及污染物特征组成，分析不同入库河流对库区水质的影响，为流域水生态管理和河库生态保护提供科学依据.
1 研究区概况大伙房水库(41°41′10″~42°38′32″N，123°39′42″~125°28′58″E)位于辽宁省东北部，水库东西长约35 km，水面最宽处达4 km，是兼具防洪、灌溉、供水等多种功能的水利枢纽工程，整个库区为集中式生活饮用水水源地一级保护区.水库为辽宁省沈阳、抚顺、鞍山和大连等7座城市约2200万人口的主要水源地.大伙房水库汇水区内主要河流有浑河(清原段)、苏子河和社河3条河流.浑河发源于清原县，从东至西贯穿抚顺全区，浑河在抚顺境内干流长度为207.5 km，流域面积7311 km2，水流于浑河上游清原北杂木处汇入大伙房水库.苏子河发源于新宾满族自治县红升乡五凤楼，中途流经红升、新宾县城等乡镇，最终汇入大伙房水库，河长147 km，流域面积2230 km2.社河发源于抚顺县后安镇新开岭西侧，中途流经佟庄子、后安等村镇，水流于台沟处汇入大伙房水库，河长43 km，流域面积468 km2.区内多年平均降水量为650~800 mm，主要集中在78月，约占全年降水量的50%左右.多年平均年水面蒸发量约为1100~1600 mm，平均相对湿度在65%~70%之问.研究区内土地利用类型以林地和耕地为主，林地占总面积的62%，耕地占9.7%.研究区主要土壤类型有暗棕壤、棕壤、草甸土、白浆土、沼泽土、水稻土6种土类，其中以棕壤分布最为广泛.
2 材料与方法 2.1 样品采集于2012年8月12日9月30日期间，在大伙房水库上游浑河、社河、苏子河流域内选取39个点位，大伙房水库库区选取22个点位进行调查采样(图 1).调查时用GPS定位仪确定监测点的经度、纬度和海拔高度.
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图 1 大伙房水库及其入库河流采样点位 Fig.1 Location of observation stations in the Dahuofang Reservoir and its joint rivers |
YSI多参数水质分析仪现场测定水温、pH值、溶解氧(DO)、电导率，浊度采用哈希便携式浊度仪(2100Q)测定.同时采集1000 ml水样固定后放置于密封采样容器中置于4℃保温箱带回实验室，测定总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODCr)和硅酸盐等化学指标.水样的保存和预处理严格按照《水和废水监测分析方法》中的方法进行[24].同时，为减小系统误差，以上样品均重复测定3次，数据分析过程中取其平均值.
2.3 数据分析所有数据采用SPSS 14.0、Origin 7.5和Excel数据统计软件进行分析统计.
3 结果 3.1 大伙房水库入库河流及库区水质空间分布基于水质指标的大伙房水库采样点聚类分析见图 2.欧姆距离大于20时可分为3组，组1包括：S1、S2、S3、S4、S8、S13、S15、S16、S17、S18、S20、S21、S22、S23、S24、S25、S26、S27、S28、S29、S30、S31、S32、S34、S37、S38和S39采样点，点位大多分布在入库河流下游地区.组2采样点分布在库区，包括了库区所有点位.组3包括：S5、S6、S7、S9、S10、S11、S12、S14、S19、S33、S35和S36采样点，点位大多分布在入库河流上游地区.在欧姆距离大于25时，下游点位和库区点位聚为一类，可见二者水质相似性较大.库区点位可分为2组，组1包括W2、W4、W5、W6、W7、W9、W10、W11、W12、W13、W14、W15、W18、W22采样点，点位大多分布在浑河入库区，组2包括W3、W8、W16、W19、W17、W21采样点，点位大多分布在社河入库区.
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图 2 采样点水质的主成分分析 Fig.2 Principle component analysis of each sampling site |
根据大伙房水库及周边入库支流的实际情况和聚类分析结果，将入库河流及库区水质在空间区域上划分为3个组，分为上游区、下游区和库区，较好地反映水质空间分布的3种不同状态.下游水温、硅酸盐显著高于上游和库区，上游、下游、库区水温均值分别为17.12、20.17和16.06℃，硅酸盐浓度均值分别为9.90、11.61和9.45 mg/L.库区pH值显著小于上游和下游，浊度由上游、下游到库区逐渐变小，上游、下游、库区pH均值分别为10.13、9.84和8.02.电导率上游最小，库区显著小于下游，上游、下游、库区电导率均值分别为120.63、242.97和201.59 μS/cm.氨氮和总氮表现为库区显著大于上游和下游，上游和下游水体中氨氮和总氮浓度符合国家Ⅰ类地表水环境标准，库区符合国家Ⅱ类地表水环境标准，上游、下游、库区氨氮浓度均值分别为0.06、0.10和0.19 mg/L，总氮浓度均值分别为0.13、0.16和0.26 mg/L.溶解氧和总磷浓度各组没有显著差异，上游、下游、库区溶解氧浓度均值分别为6.82、10.04和8.00 mg/L，总磷浓度均值分别为0.01、0.02和0.01 mg/L，均符合国家Ⅰ类地表水环境标准.库区CODCr和BOD5显著小于上游(P < 0.05)，库区CODCr符合国家Ⅱ类地表水环境标准，BOD5符合国家Ⅰ类地表水环境标准，上游、下游CODCr符合国家Ⅲ类地表水环境标准，BOD5符合国家Ⅱ类地表水环境标准，上游、下游、库区CODCr浓度均值分别为23.02、21.04和19.53 mg/L，BOD5浓度均值分别为3.11、2.53和2.10 mg/L(表 1).
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表 1 大伙房水库入库河流上游、下游及库区水质方差分析1) Tab.1 One way ANOVA of water quality indexes of each sample site group in Dahuofang Reservoir and its joint rivers |
大伙房水库入库河流及库区采样点各组的主成分分析见表 2和图 3.在上游采样点中，前4个主成分的累计方差贡献率达到86.93%，超过80%.第1主成分解释了总方差的43.55%，具有较高因子负荷的变量为浊度、氨氮、总氮、CODCr、BOD5，第2主成分解释了总方差的16.25%，具有较高因子负荷的变量为总磷.下游采样点中，前4个主成分的累计方差贡献率达到74.76%，第1主成分解释了总方差的35.89%，具有较高因子负荷的变量为溶解氧、氨氮、总氮，第2主成分解释了总方差的18.42%，具有较高因子负荷的变量为CODCr，第3主成分解释了总方差的11.54%，具有较高因子负荷的变量为电导率.库区采样点中，前4个主成分的累计方差贡献率达到72.48%，第1主成分解释了总方差的28.66%，具有较高因子负荷的变量为温度、pH值、浊度、溶解氧，第2主成分解释了总方差的19.78%，具有较高因子负荷的变量为电导率、氨氮和总氮.
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表 2 大伙房水库及入库河流采样点水质指标的主成分分析* Tab.2 Principle component analysis of each sample site group in Dahuofang Reservoir and its joint rivers |
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图 3 基于水质指标的大伙房水库入库河流及库区采样点聚类分析 Fig.3 Cluster analysis of sampling sites in Dahuofang Reservoir and its joint rivers based on water quality indexes |
聚类分析中欧姆距离大于25时，下游点位和库区点位聚为一类，可见入库河流下游水质对水库影响较大，而库区又可聚为浑河入库区、社河入库区两类，说明浑河和社河下游水质对库区有较大影响.社河水体中氨氮、总氮、BOD5、总磷浓度低于浑河，相应的社河入库区氨氮、总氮、BOD5、总磷浓度也低于浑河入库区(图 4)，但从单因素方差分析来看差异不显著(P>0.05).库区氨氮、总氮浓度高于入库河流，其中浑河入库区氨氮和总氮浓度显著高于河流(P < 0.05).库区总磷、BOD5和CODCr浓度低于入库河流，其中浑河入库区CODCr显著低于河流(P < 0.05).
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图 4 入库河流下游区和库区水质状况 Fig.4 The water quality in river downstream and reservoir |
大伙房水库氨氮和总氮受环库区面源污染的影响较大，库区水体中氨氮和总氮浓度与采样点位距岸边距离呈线性相关，且存在区域差异性(图 5).社河口附近、浑河口附近和出库口附近点位与距岸边距离的线性方程斜率和截距均不同.距岸边距离分别能解释社河口、浑河口和出库口附近点位氨氮浓度变化的82.5%、53.4%和75.4%(R2=0.825、0.534、0.754)，解释总氮浓度变化的76.9%、62.7%和90.4%(R2=0.769、0.627和0.904).浑河口附近点位氨氮、总氮与距岸边距离拟合的直线斜率较小，说明随距岸边距离增加氨氮、总氮浓度变小的幅度较缓慢，社河口附近点位次之，出库口附近点位氨氮、总氮与距岸边距离拟合的直线斜率最大，说明随距岸边距离增加氨氮、总氮浓度变化较快.库区水体中溶解氧和pH值与采样点位距入库口距离呈线性相关，区域差异性不显著(图 6)，溶解氧和pH值都随距入库口距离增加而逐渐减小.距入库口距离分别能解释溶解氧浓度和pH值变化的79.2%和55.4%(R2=0.792、0.554).
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图 5 氨氮、总氮浓度与距岸边距离的关系 Fig.5 The relationship between NH3-N, TN concentrations and the distance from reservoir bank |
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图 6 pH值、溶解氧与距入库口距离的关系 Fig.6 The relationship between pH, DO and the distance from estuary |
由聚类分析结果可见，当欧姆距离大于20时，可聚为上游、下游和库区3类，这3类水质的差异表现为上游优于下游优于库区.上游水质优于下游主要与河流流经的区域环境相关.浑河、苏子河上游地区多为小村镇，人口密度相对较小，人为干扰较少，土地利用类型以林地为主，占总面积的62%，植被覆盖率较高，水土流失少，水质较好.下游地区人口密度和耕地面积均有增加，人类活动、化肥农药的使用致使下游水质变差.人类活动是导致河流水质恶化的主要因素之一[25-27]，通过生活污水、生活垃圾直接造成河流水质污染[28].土地利用方式是影响水质的另一重要因素，耕地对水质影响与林地不同主要是由于耕地中农药、化肥的过量使用，不合理的农业灌溉，造成的农业面源污染对河流水质污染的影响[29-31].下游水质优于库区，主要表现为库区氨氮、总氮和总磷浓度较高.因为采样时间89月为水库丰水期，降水较多，受到雨水和径流冲刷带来的陆源污染负荷影响较大，库区不仅接受来自主要入库河流的污染物，还受到环库区小流域及地表径流携带的面源污染的影响，水库丰水期水质较差也是典型的面源污染特点.
4.2 大伙房水库入库河流及库区主要污染物分析受到降雨、土地利用类型、植被多样性，以及污染物的迁移、转化、生物吸收等因素的影响，大伙房水库入库河流上、下游、库区水质的主要影响因子也存在一定的差异.入库河流上游采样点中浊度、氨氮、总氮、CODCr、BOD5、总磷具有较高因子负荷，为水体主要污染物，下游采样点中溶解氧、氨氮、总氮、CODCr为影响水质的主要因素.入库河流上游和下游的主要影响因素较为相近，都包括了氨氮、总氮、CODCr，反映该区域水质变化的主要影响因素为农业面源污染和生活污水.库区采样点中温度、pH值、浊度、溶解氧、电导率、氨氮和总氮是影响水质的主要因素，这些因素同时也是藻类、细菌和微生物繁殖的必要条件，是影响库区水体富营养化的主要因素，当总磷、总氮等营养盐相对充足，水流缓慢，水温适宜时即可发生藻类疯长、水体呈现富营养化现象[32-34]. CODCr、BOD5均不是大伙房水库的主要污染物，主要由于大伙房水库上游流域以农业生产为主要经济来源，工业污染较小.
4.3 库区水质影响因素分析水库库区是受入库河流和环库区生境综合影响的复杂生态系统，河流进入库区后流速减缓，污染物沉积、转化，并且库区水体与环库区间也进行着复杂的物理、化学、生物过程[33, 35]，使库区水体污染物的结构组成和空间分布上具有独特特征.本研究中大伙房水库库区在空间上可分为2类，一类为社河入库区，另一类为浑河入库区，入库区水质也与相应的入库河流水质有相同的趋势，库区水质主要影响因子溶解氧、pH值、CODCr、BOD5等都小于入库河流，并且溶解氧和pH值都随距入库口距离增加而逐渐减小，距入库口距离分别能解释溶解氧浓度和pH值变化的79.2%和55.4%，可见入库河流对库区水质有较大影响.陈能汪等对福建山仔水库的研究也发现，入库河流携带的氮磷是库区水体氮磷的主要来源，河流氮、磷输送通量分别占总入库通量的62%和89%[20].郑丙辉等对三峡水库的研究也发现, 长江干流对入库污染负荷的贡献占绝对优势，嘉陵江、乌江的污染总贡献率仅占13.14%~39.14%[18].本研究大伙房水库库区氨氮、总氮平均值高于入库河流，这主要由于丰水期降雨增加使环库区面源污染进入库区.对库区水体中氨氮和总氮浓度与采样点位距岸边距离进行拟合，呈现线性相关关系，社河入库区、浑河入库区和出库区点位距岸边距离分别能解释氨氮浓度变化的82.5%、53.4%和75.4%，解释总氮浓度变化的76.9%、62.7%和90.4%，可见库区氨氮、总氮受到环库区面源污染影响较大.
4.4 大伙房水库及入库河流分区管理建议近年来，我国水环境有关的研究机构、学者和管理部门均非常关注水质目标管理的理论与技术发展，开展了以“分区、分级、分类、分期”理念为指导的水生态功能分区管理目标研究.本文针对大伙房水库及入库河流水质的空间分布和污染物特征组成，结合“十二五”水专项中辽河流域水生态功能分区成果[36]，为大伙房水库及入库河流水生态环境管理提出如下建议：(1)入库河流上游区，影响水质的主要因素为浊度、氨氮、总氮、CODCr、BOD5和总磷，其中氨氮、总氮和总磷浓度符合国家Ⅰ类地表水环境标准，说明上游区水质较好，在辽河流域水生态功能分区中，这部分区域属于苏子河和浑河源头水源涵养水生态功能区，其生态管理措施重点为保护水源涵养林，加强水土流失防治，保证生态流量，减少人为因素的干扰. (2)入库河流下游区，影响水质的主要因素为溶解氧、氨氮、总氮、CODCr，虽然氨氮和总氮浓度仍符合国家Ⅰ类地表水环境标准，但有明显增高的趋势，这部分区域属于大伙房水库水文调蓄水生态功能区，应结合该区域农业面源污染增大、人口增多的特点，合理布置农田面积，减少城镇及农村生活污水直排，发展生态农业，调整林业结构，提高森林生态系统功能. (3)库区影响水质的主要因素为温度、pH值、浊度、溶解氧、电导率、氨氮和总氮，其中氨氮和总氮浓度达到国家Ⅱ类地表水环境标准，其主要影响因素为河流的输入和环库区面源污染的影响，应在河口区恢复和新建湿地，净化入库水质，并保证库滨带植被完整性，发挥植被的污染物消减能力，改善库区水环境质量.
5 结论1) 大伙房水库及入库河流在空间上分为上游区、下游区和库区能较好地反映3种不同水质状态.上游区影响水质的主要因素为浊度、氨氮、总氮、CODCr、BOD5和总磷，下游区影响水质的主要因素为溶解氧、氨氮、总氮、CODCr，库区影响水质的主要因素为温度、pH值、浊度、溶解氧、电导率、氨氮和总氮.对上游、下游和库区水质均有显著影响的因子是总氮和氨氮，氨氮浓度均值分别为0.06、0.10和0.19 mg/L，总氮浓度均值分别为0.13、0.16和0.26 mg/L.
2) 入库河流下游区对水库水质影响较大，社河下游水质优于浑河下游水质，受入库河流污染物的输送，库区水质在空间上也分为两个区域，社河入库区和浑河入库区，同样水质也呈现社河入库区水质优于浑河入库区水质.
3) 库区氨氮、总氮平均值高于入库河流，溶解氧、pH值、CODCr、BOD5低于入库河流，并且库区氨氮和总氮浓度随距岸边距离增大而减小，溶解氧和pH值随距入库口距离增大而减小.分析其原因主要是受环库区面源污染的影响，也与库区流速减缓、污染物沉积、转化有一定的联系.
4) 针对目前大伙房水库及入库河流水质差异性特点，水环境管理重点是对入库河流上游应保持现有自然环境，减少人为干扰；入库河流下游应控制农业面源污染、城镇及农村生活污水的排放；库区应建立河口湿地，恢复库滨带植被.这样不同区域污染特征，建立有针对性的管理方案，达到改善改善大伙房水库及入库河流水环境质量的目标.
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