关键词:
长江
氮磷营养盐
污染源分配
同位素
水质评价
摘要:
河流是人类文明的发源地,也是现代社会可持续发展的基础。然而,人类对河流的不合理开发和利用严重破坏了河流的生态稳定。长江作为中国的母亲河,近年来面临着严重的氮磷污染问题。水源地保护和“长江大保护”政策的实施需要大规模的水污染信息。本研究通过实地采集不同季节长江流域水体样品,利用多种化学分析方法和同位素测试技术,对长江丰水期和枯水期水体中的氮磷营养盐及硝酸盐的氮氧同位素进行测定。结合多元统计分析、机器学习等方法研究了长江水体中氮磷的时空分布特征,解析了长江水体中氮磷污染物的来源,提出了一种污染物含量预测方法,评价了长江全流域水质状况,完善了长江流域污染物数据,为源头污染防治精准施策提供科学支撑。
本文主要研究结果如下:
(1)利用实地采样测试数据阐述了丰水期、枯水期长江磷的时空分布特征。磷浓度在2020~2023四年内下降了9.15%,且峰值出现在夏季。通过对比各形态磷的空间分布特征发现,长江中的磷主要以可溶性磷酸盐形态存在。通过主成分分析(PCA)和绝对主成分得分-多元线性回归(APCS-MLR)模型得出长江磷污染源的贡献率。丰水期磷污染源组成为:点源污染(40.13%)>农业污染(32.74%)>有机污染物(3.78%),而枯水期磷污染源组成为:点源污染(44.88%)>有机污染物(13.13%)>季节因素(7.60%)。利用机器学习模型(Ridge CV、XGBoost、Random Forest)建立了总磷浓度与定义影响因素的解释变量之间的联系,旨在预测长江总磷浓度。选择生活污水排放量、GDP、风速、气温和人口量五类参数作为预测变量。Random Forest模型在预测总磷浓度方面表现良好,R2值为0.76。
(2)利用硝酸盐氮氧同位素特征值和贝叶斯混合同位素模型定量解析了长江硝酸盐来源。结果表明,化肥是长江硝酸盐的主要来源。上游硝酸盐源组成为:化肥(76%)>土壤氮(12%)>粪便及污水(6%)>大气氮沉积(6%);中游硝酸盐源组成为:化肥(39%)>土壤氮(35%)>粪便及污水(24%)>大气氮沉积(2%);下游硝酸盐源组成为:化肥(39%)>土壤氮(37%)>粪便及污水(19%)>大气氮沉积(5%)。硝化作用是控制长江硝酸盐积累的主导过程。
(3)采用单因子评价法、内梅罗污染指数法、综合水质指数法(WQI)分别对长江水质状况及主要污染因子进行评价。长江流域总氮污染情况最严重,其次是总磷污染,且丰水期污染情况较枯水期严重。对比三种水质评价方法结果发现,WQI法评价结果更加客观、合理。结果表明,“良好”及以上水质评价等级占比63%,且多集中在长江上游。