2.3 村镇饮用水源水质时空变化分析
根据数据调查统计，对94个河流型、36个湖库型饮用水源地水质进行时空变化评价分析。根据水质评价方法优缺点的对比研究及水质指标浓度数据的完整性与有限性，为了避免主观区分污染程度级别，以及考虑水源地水质影响因素的不确定性，采用单因子指数法、综合评价指数法与GIS技术相结合来进行水质时空变化评价分析。
2.3.1 污染源特征分析
相比于城市饮用水源的污染源，村镇饮用水源受点源污染影响较小。村镇工业相对落后，数量上也远不如城市工业，但非点源污染中生活污水排放及农业生产中农药、化肥、禽畜粪便排放等无论对城市水源地还是村镇水源均有较严重的影响。村镇饮用水源地的主要污染源有：养殖场、种植区、生活污水、村镇企业等。
（1）养殖场。养殖场产生的有害气体、粉尘、病原体微生物等排入大气后，随大气扩散和传播，当这些物质沉降时，将给水源地造成危害。当大量养殖粪便、污水等进入水体后，使水中的悬浮物、COD、BOD升高和病原体微生物的无限扩散，不仅导致水质恶化，而且是传播某些疾病的重要途径。未经处理的养殖粪、污水过多地施入土壤，导致亚硝酸盐等有害物质产生，造成土壤富营养积累，改变土壤的质地结构，破坏土壤基本功能。污染物随地表径流、土壤水和地下水污染饮用水源。
（2）种植区。氮素是土壤中的主要营养元素之一，为提高农作物产量，我国在农业生产中氮肥的施入不断增多。大量施用氮肥在提高农作物产量的同时也加大了对水源地的污染。由于施入农田的氮肥只有1/2～1/3被植物吸收利用，氮肥损失的方式主要是挥发、地表径流和下渗，因此长期过量施肥在引起土壤营养盐积累和作物品质下降的同时，也会因地表径流和农田尾水排水使地表和地下水体营养化，是引发河流、湖泊水质富营养化的主要原因。
在农田氮素进入地表、地下水体过程中，氮素与氮素之间及与周围介质之间，始终伴随着和发生着一系列的物理化学和生物化学反应。由于氮化合物的复杂性，使得地下水中的氮污染具有分布上的广域性，时间上的持久性，治理上的艰巨性。水环境中的水污染问题已引起广泛关注，目前世界上有不少的婴幼儿因饮用高含量的硝酸盐污染水而患上高铁血红蛋白症并死亡。
（3）生活污水。村镇生活污水包括：洗涤、沐浴、厨房炊事、粪便及其冲洗等产生的污水，主要含有有机物、氯和磷，以及细菌、病毒、寄生虫卵等，一般不含有有毒物质。由于我国村镇发展不平衡，再加上各地区居民生活习惯差异较大，不同村镇其生活污水的水质水量也相差较大。在水量方面，经济发达地区的村镇生活污水水量远高于欠发达地区；在水质方面，经济发达地区的村镇生活污水中氨和磷含量高于欠发达地区，而有机污染物含量较欠发达地区要低。原因是经济欠发达的村镇地区，用水时有反复使用后再排放的习惯，从而使有机物浓度较高；同时，由于这些村镇普遍没有使用卫生洁具，造成生活污水中粪便较少，氮和磷的浓度偏低。总体上，我国村镇生活污水的特点是：间歇排放，量少分散，瞬时变化大，经济越发达，生活污水氮、磷含量越高。据2007年卫生部完成的《中国村镇饮用水与环境卫生现状调查报告》，生活垃圾和污水是村镇家庭垃圾的主要来源，养殖业垃圾和秸秆杂草在一些村污染严重，工业企业向村镇地区转移造成当地垃圾和污水的大量增加。
（4）村镇企业。村镇企业的发展，在促进村镇经济发展的同时，也给水源地环境带来了污染。有些地区污染危害已发展到比较严重的程度，越来越引起人们的普遍关注。对水源地污染严重的行业主要有造纸、电镀、印染、采矿等。与城市工业相比，村镇企业规模小，“三废”排放量少。但村镇企业数量多、分布广，生产条件相对落后，普遍缺乏环保设施，很多“三废”直接排入水体。因此，对水源地环境的污染和群众健康的危害更为直接和明显。在一些企业发达的村镇，企业排放的“三废”已经成为当地水环境污染的一个重要来源。村镇企业除了水污染问题外，还对土地资源等自然资源造成破坏，如采矿、挖土制砖瓦行业，间接影响村镇饮用水源地安全。
（5）其他。农药、土壤流失、农业废弃物和工业三废也对村镇饮用水源有重要影响。工业废气形成的酸雨影响下风向城镇和村镇的生产与生活；工业废水用于灌溉农田，形成污水灌溉，造成土壤污染；工业废渣在村镇堆积、回填等造成土壤和地表水污染。
2.3.2 水质年际变化分析
水质年际变化采用综合评价指数法，数据范围为2010—2014年，以DO、NH3-N和CODMn的浓度年均值作为评价对象。pH值是指标均符合6～9的水质标准，因此不将pH值列入评价对象。
2.3.2.1 河流型水源地水质年际变化
河流型水源地水质评价结果及其分布。河流型水源地水质整体良好。2010—2014年各年均是Ⅱ类水水源地分布居多，Ⅲ类水次之，Ⅰ、Ⅳ类水较少，而Ⅴ类和劣Ⅴ类水均未检出，且达Ⅲ类水质标准的水源地个数所占比重依次为93.62%、97.87%、96.81%、82.97%和86.17%，水质达标率均较高，水质年际状况良好。从2010—2014年，优于Ⅲ类水水源地个数所占比重由63.83%下降到了54.26%，Ⅲ类水由29.79%上升到31.91%，Ⅳ类水由6.38%上升到9.57%，可见河流型水源地水质呈现一定变差的趋势，并且年内仍有水质超标的水源地出现，且Ⅲ类水水源地还占着较大的比重，故河流水源地保护仍需进一步加强。
2.3.2.2 湖库型水源地水质年际变化
36个湖库型饮用水源地水质评价结果及其分布，年内水质达标的水源地较多，水质整体良好，但水质有着恶化的趋势。2010—2014年水质达标的水源地所占比重分别为97.22%、97.22%、94.45%、91.66%和86.1%，主要是Ⅱ类水水源地分布居多，水质总体状况良好。但优于Ⅲ类水水源地个数逐渐减少，由2010年的88.89%下降到2014年80.55%，Ⅲ类水却由8.33%下降到5.56%，劣于Ⅲ类水也由2.78%上升到13.89%，水质有着恶化的趋势。同时，年内均有劣于Ⅲ类水的水源地出现，有的达到Ⅴ类水，这明显达不到饮用水源的水质标准，所以湖泊水源地保护也仍需加强。
2.3.2.3 综合分析
对比分析，湖库型水源地水质状况相对较好，主要表现在湖库型水源地水质达标率比河流型的高，且优于Ⅲ类水的水源地个数所占比重分别为88.89%、88.89%、66.67%、83.33%和80.55%，平均达81.67%，而河流型水源地水质优于Ⅲ类的比例仅分别为63.83%、61.64%、68.09%、59.26%和54.26%，年均只有61.42%，多数河流型水源地NH3-N、CODMn浓度较大，2010年Ⅲ类水水源地有28个，Ⅳ类有6个，2011年Ⅲ类水有34个，Ⅳ类有2个，2012年Ⅲ类水有27个，Ⅳ类有3个，2013年Ⅲ类水有22个，Ⅳ类有11个，2014年Ⅲ类水有30个，Ⅳ类有9个，5年间共有16个河流型水源地水质出现超标，而湖库型水源地NH3-N、CODMn含量相对较低，36个湖库型水源地中仅5个水源地水质超标。
如图2-3所示，总体上，在调查的所有村镇饮用水源地中，各类水质类别水源地所占比例年际变化不明显，优于Ⅲ类标准的水源地所占比重最大，其次是Ⅲ类水，而劣于Ⅲ类水比重最小。水质达标率均较高，水质总体良好。但Ⅲ类水水源地所占比重还比较大，且劣于Ⅲ类水仍有存在，因此，加强水源地保护工作不能放松，以确保当地群众的饮水安全。
图2-3 水质类型所占比例年际变化
2.3.3 水质季节变化
为了突出关键因子的影响，水质季节变化采用单因子指数法。数据范围为2013年3月至2014年2月的水质监测数据，选取3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季来分析季节变化，数据取各个水源地各水质指标浓度数据的算术平均值，水质指标为pH值、DO、NH3-N和CODMn。年内各季节pH值变化相对较为明显，因此相比年际分析，增加了pH值指标。
2.3.3.1 河流型水源地水质及关键因子的季节变化
通过单因子指数法，河流型水源地水质季节变化评价结果及其分布，水源地水质季节性分明：达Ⅲ类水质标准的水源地个数所占比例从高到低依次为夏季（86.17%）、冬季（84.04%）、秋季（82.98%）、春季（79.78%）。夏季降水充沛，多数河流来水量大，水体交换速度快，水中污染物被稀释，水质相对较好，到秋冬季来水量逐渐减少，水质变化次之，而春季水量减退明显，水质最差。由此可见，来水量的多少可能是影响水质变化的关键因素。各季节均有水质未达标的水源地出现，经评价分析，pH值皆满足6～9的标准，DO浓度多数属于Ⅰ、Ⅱ类水，而影响水质变化的主要因子为：NH3-N和CODMn，这应该与当地的农业生产及生活污水的排放紧密相关，因此，需要关注和控制农业面源污染和村镇生活污水排放。
CODMn是水体的重要水质指标，可反映出水体的有机污染程度。参照地表水环境质量标准的CODMn限值，利用ArcGIS10生成CODMn的不同水质等级的数量分级符号图，CODMn浓度随季节变化为：夏秋季浓度减小，冬春季浓度增加，但变化不明显。冬春季CODMn浓度的变化范围较大，分别为0.02～14.90mg/L和0.01～14.91mg/L，分级符号图明显，说明浓度增加，水体受有机污染影响较大；而夏秋季的分级符号图变化相对较小，水体受有机物污染也小。这可能与夏秋季多数地区河流来水量大而浓度减小有关，但也有少数水源地CODMn浓度反而增大，这可能是当地农业面源污染所致。四季中均有有机物超标的水源地出现，有的达到Ⅴ类标准。
NH3-N是水体中的营养元素，可引起水体富营养化，是水体的主要耗氧物质，对水生生物及鱼类有毒害作用。从ArcGIS的分级符号图来看，NH3-N浓度季节变化为：春季>冬季>秋季>夏季。春季水源地NH3-N浓度的分级符号图变化大，浓度增加，变化范围为0.01～1.87mg/L，秋冬季次之，夏季最小，且在夏季Ⅰ、Ⅱ类浓度水源地的分布都比其他季节多，Ⅲ类或劣Ⅲ类浓度水源地分布也比其他季节少，NH3-N浓度达标的水源地所占比例最高，达96.81%，说明夏季营养化程度最低，可能与夏秋季多数地区河流来水量大而浓度减小有关。总体上，NH3-N浓度变化季节性分明，夏秋季受营养化影响小，冬春季受营养化影响大，而这主要是与河流不同季节的来水量有关。
2.3.3.2 湖库型水源地水质及关键因子季节变化
湖库型水源地水质季节变化评价结果及其分布，从水源地水质达标率来看，各季节均较高，水质总体良好，季节变化不明显，但从水质优劣程度上看，季节变化为：春季>夏季>冬季>秋季。在36个湖库型水源地中，春夏秋冬四季水质达标的水源地分别有：34个、35个、34个和35个，各季仅有个别水源地水质超出Ⅲ类标准，总体上，水质达标比例均较高，水质较好。在优劣程度上，优于Ⅲ类标准的水源地个数比例，春季最高，占83.34%，夏冬季次之，秋季最小，仅占31.11%，说明水质优劣程度随季节变化明显。
通过单因子评价分析，pH值浓度皆满足要求，DO多数优于Ⅲ类标准，水质的影响因子主要还是NH3-N和CODMn。
湖库型水源地CODMn浓度的季节变化。总体来看，水源地CODMn浓度的季节变化为：冬季>秋季>夏季>春季。冬秋季分级符号图比春夏季变化大，说明冬秋季CODMn浓度比春夏季高，且春夏季CODMn优于Ⅲ类浓度的水源地比冬秋季的多，由此可见，水源地在春夏季受有机化程度影响小，冬秋季受影响较大，但多数水源地都满足饮用水源的有机标准，四季中仅出现一个水源地水质有机污染超标。
湖库型水源地NH3-N浓度的季节变化不明显，仅少数变化显著，秋季和冬季浓度增大，到春季和夏季浓度减小。总体上，春、夏、秋季浓度达标率较高，冬季有四个水源地浓度超标，达标率相对较差，在优劣程度上，春夏季Ⅰ、Ⅱ类浓度水源地分布比秋冬季的多，说明春夏季水质营养化程度最低。
2.3.3.3 综合分析
按地表水环境质量标准，分别对河流型、湖库型水源地水质季节变化进行单因子指数评价。结果显示，130个饮用水源地水质达标率的季节变化为：夏季>冬季>秋季>春季，但变化不明显，而优于Ⅲ标准的水源地个数变化为：冬季>夏季>春季>秋季，秋季仅有69个，明显少于其他季节，说明水质相对较差。如表2-1所示，对比河流型和湖库型水源地，显然湖库型水源地水质季节达标率均比河流型的高，河流型水源地四季平均达标率仅为84.56%，而湖库型水源地平均达95%以上。
表2-1 水源地水质季节变化汇总表
用单因子指数法对水质指标NH3-N和CODMn的季节变化进行评价，评价结果如表2-2所示。总体上，NH3-N和CODMn浓度达标的水源地比重季节变化均不明显，但相比而言，湖库型水源地浓度达标率均比河流型的高。
表2-2 水源地关键水质指标季节变化汇总表
2.3.4 水质空间变化
水质的空间变化采用综合评价指数法和单因子指数法相结合进行评价，数据范围为2013年1月至2014年2月，以pH值、DO、作为水质评价指标。
首先将水源地按所属流域进行分区，分成长江流域、黄河流域、珠江流域、松辽流域、海河流域、淮河流域、太湖流域、滇池流域和内陆河流域等九大流域，然后分析各流域饮用水源地水质的空间分布状况。
2.3.4.1 水源地水质年内空间分布
由于水质年际变化不明显，现以2013年水质监测数据来分析其年内的空间分布状况。评价结果表明，综合评价指数WQI值变化范围较小，处于1≤WQI≤2级别的水源地比较多，即多数水源地水质属于Ⅱ类标准，且各流域水源地很少出现水质超标现象，说明年内水质整体状况良好。
各流域水源地水质空间分布及总体状况详见图2-4。从水质达标率来看，各流域的Ⅱ类水水源地分布居多，其次是Ⅲ类水，水质达标率均较高；长江流域、黄河流域、滇池流域、淮河流域、松辽流域和内陆河流域的水源地水质均达标，只有珠江流域、海河流域和太湖流域有个别水源地水质超标，珠江流域的长洲水源地水质综合评价指数为3.06，属于Ⅳ类水，海河流域的宣惠河辛立闸水质综合评价指数为3.63，为Ⅳ类水，太湖流域的太湖斜路港水质综合评价指数为4.33，属于Ⅴ类水，水质未达到饮用水源的标准。从优劣程度上看，内陆河流域、珠江流域和滇池流域优于Ⅲ类水水源地所占比重较高，而其他流域皆存在较大比例的Ⅲ类水及个别水质超标的水源地，主要分布于长江流域的长三角地区，黄河流域的中游地区，淮河流域的下游地区，松辽流域的松花江地区及海河流域的京津唐地区及太湖流域等，这些都是人口密集、工业较发达的地区，这可能给当地的饮用水源地水质带来一定程度的影响。
图2-4 各流域水质类型所占比例
2.3.4.2 水源地水质季节空间分布
水源地水质季节变化采用单因子指数评价法，评价结果及空间分布如图2-5、图2-6所示。由图2-5、图2-6可以看出，各流域水源地水质达标率空间季节差异不明显。除了内陆河流域的龙口、哈尔莫敦水源地四季水质均达标，以及黄河流域有明显差异外（达标率为冬季>秋季>春季>夏季），其他流域的水质空间季节变化皆不明显。但从优劣程度上看，除了内陆河流域四季水质全优于Ⅲ类水外，其他流域有着明显的季节空间变化，但变化规律不一。太湖流域、松辽流域、海河流域和珠江流域在夏季优于Ⅲ类水水源地所占比例相对较高，且多数分布于上游地区，而其他季节比例较低，也主要集中于下游地区，这可能是因为夏季来水量多，导致NH3-N和CODMn浓度下降，故水源地水质相对较好。而在长江流域、黄河流域、滇池流域和淮河流域水质优劣变化正好相反，夏季优于Ⅲ类水的水源地所占比例下降，这可能是夏季农业面源污染随着降雨流入江河湖库所致。
图2-5 达标水源地所占比重季节变化
图2-6 优于Ⅲ类水水源地所占比重季节变化