长江中下游纳污河流水质特征因子识别与废水来源特征系统构建及其在水环境管理中的应用

本研究针对污水处理厂（WWTP）排放对纳污河流水质特征模式影响不明的问题，通过多水期采样与多元统计分析，识别了阴离子与金属元素作为特征因子，建立了基于浓度比值的源型水质特征比率阈值系统（生活污水<6.22、混合污水6.22-9.86、工业污水>9.86），揭示了不同废水类型对水环境的差异化影响机制，为流域水质特征识别提供了方法论框架。

　　

随着中国经济发展速度加快，人类对水环境的干扰日益加剧，快速城市化和工业化导致生活和工业废水产生与排放量持续攀升。污水处理厂（WWTP）出水作为潜在污染源，其污染物浓度显著高于自然水体，营养物质、金属元素和人为痕量有机化合物等污染物可直接或间接影响水生生态功能。尽管现有研究广泛关注WWTP出水对纳污河流水质指标的影响，但多集中于单一指标的监测分析，忽视了废水排放后多指标间的相互作用，且从多指标特征模式角度探讨WWTP排放对纳污河流水环境影响的研究尚不充分。因此，系统分析废水排放后纳污河流水质特征模式对水污染生态学具有重要科学意义和理论价值。

WWTP的点源污染是纳污水体水环境恶化的主要贡献者，这些设施对营养盐负荷的贡献率在许多国际流域中超过50%。当排入纳污水体的营养盐浓度达到一定阈值时，会破坏营养结构并对水生生态系统产生不利影响。由于纳污水体自净能力的不同导致营养盐处理动态存在空间异质性，外源营养盐输入表现出不同的垂向吸收速度和横向吸收长度。研究表明，WWTP出水使纳污水体中氨氮和磷的吸收长度增加4-5倍，同时降低其吸收速度。长期接受WWTP出水灌溉的水体和土壤中金属浓度逐渐升高。尽管国家标准对生活和工业废水排放实施了管控，但处理后出水中仍保留较高浓度的重金属和有毒有害污染物。生活废水中的药品和个人护理用品以及工业废水中的难降解有机化合物对水环境和生态系统产生不利影响，影响半径超过3公里。然而，关于不同WWTP排放类型（生活、混合和工业）后水质特征模式及差异化影响机制的系统研究仍需深入。

长江流域是中国最重要的水源地之一，其中下游地区因工业产出和污水处理量持续增长而承受日益加剧的水环境压力。人为压力引发了渐进性水质恶化、自净能力下降和水生生态系统退化。上游筑坝导致中下游氮（N）和磷（P）输入过量同时硅（Si）滞留，引起河流系统中N:P比逐渐升高而Si:N比同步降低。同时，WWTP出水的营养盐负荷破坏了纳污水体中污染物相互作用的平衡，进一步加剧了水化学不稳定性和水质退化。虽然WWTP出水排放对长江流域纳污河流水质的影响已被广泛研究，但利用废水排放后水质特征模式区分各类废水对纳污河流环境影响的研究方法仍存在显著知识空白。

为回答这些科学问题，研究人员在《Water Research X》上发表论文，聚焦长江中下游南京和武汉段的典型纳污河流，通过多季节水质采样，结合多断面和多元统计分析，重点考察了排放口下游不同位置断面，确定了不同类型WWTP排放（生活、混合和工业）对纳污河流水质的影响。基于特征断面（排放口下游500米处）在水期中的水质指标浓度比值，建立了特征模式识别的阈值系统，确定了源型水质特征比率的阈值范围，并利用其他五个特征断面进行了验证。

研究采用的主要关键技术方法包括：在多水期（丰、平、枯）对典型纳污河流进行系统采样，设置14个采样点覆盖排放口上游500米（SO-U₅₀₀）、下游500米（SO-D₅₀₀）和下游4500米（SO-D₄₅₀₀）；测定24项水质指标，包括理化参数（pH、T、ORP、DO、EC、TDS）、营养盐（COD、DOC、TN、NH₄⁺、NO₃^-、TP、PO₄^3-、Si）、阴离子（F^-、Cl^-、SO₄^2-）和金属元素（Al、Ca、Fe、K、Mg、Mn、Na）；使用平均水质污染指数法（WQI）进行水质评价；通过因子分析筛选最终评价指标；基于浓度比值建立特征模式识别阈值系统。

研究结果显示，在生活污水影响的纳污河流中，下游多数指标浓度比上游高5%-70%，水质指数定量表征了下游水质恶化趋势（0.46-0.69）。阴离子和金属元素被识别为特征因子。基于这些分析，确定了源型水质特征比率的阈值范围：生活污水（<6.22）、混合污水（6.22-9.86）和工业污水（>9.86）。在其他特征断面的验证证实结果均在阈值范围内。工业废水排放的指标相互作用强度超过其他废水，从而阐明了差异化特征机制。

3.1. 水质指标浓度的时空分布特征

生活污水纳污河流中，下游多数指标浓度显著高于上游，Si浓度在平水期最高。混合污水纳污河流中，COD和DOC浓度在枯水期较高，SO₄^2-、Ca、Cl^-、Na、TN、NH₄⁺、F^-、TP和PO₄^3-在丰水期较高。工业污水纳污河流中，DOC、F^-和PO₄^3-在丰水期最高，Si和TP在平水期最高，其余指标在枯水期显著升高。

3.2. 水污染特征与评价

因子分析筛选出COD、DOC、F^-、Cl^-、K、Na和Mg作为最终评价指标。计算污染指数显示，不同废水类型影响下下游污染指数均高于上游。平均污染指数（WQI）表明，下游水质普遍劣于上游，水期对污染物扩散起关键调节作用，枯水期污染水平通常比丰水期升高1-2级。

3.3. 水质特征模式分析

识别出阴离子和金属元素作为特征因子。建立了基于浓度比值的特征模式识别阈值系统，确定了源型水质特征比率的阈值范围。验证表明不同地理区域、多个排放口的叠加和长距离输送均不改变这些特征模式。

3.4. 水质特征模式验证

选择五类特征断面（不同区域、双排放口和长距离）进行验证，所有源型水质特征比率均在建立的阈值范围内，证实了特征模式的科学性和普适性。

3.5. 水质指标对污染源的差异化响应

共现网络分析显示，不同废水类型影响下水质指标间相互作用复杂程度不同，工业废水网络中节点和边数量最多，相互作用最为复杂。

研究结论表明，WWTP排放对纳污河流水质的影响呈现不同的时空特征。建立了基于水质指标浓度比值的特征模式识别阈值系统，能够有效区分不同废水类型对水环境的影响。工业废水排放的指标相互作用强度最大，揭示了差异化水质特征的内在机制。建议将基于水质指标浓度比值的特征模式识别阈值系统纳入流域水质特征研究方法学框架，为流域管理提供了新的研究视角，具有重要的实践价值。

该研究为流域水质特征研究提供了新颖的方法论框架，建立的阈值系统对水环境管理具有重要的实践价值，能够帮助管理者识别污染来源、评估环境影响并制定有针对性的治理措施，对于改善长江流域及其他类似流域的水环境质量具有指导意义。