本次水质评价对象为黑龙江省26个源头水保护区（图1），总汇水面积为64925 km²，占黑龙江全省面积（47.3万km²）的15%左右。26个源头水保护区内共计37个常规水质监测断面，本研究收集到的监测数据为2011—2016年水质数据，监测频次为每月或隔月监测，评价指标为溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数(COD_Mn)、五日生化需氧量(BOD₅)、氨氮(NH₃-N)、总汞、总砷、镉、铅、铜、总铁、锌、氰化物、氟化物、挥发酚、六价铬、硒、粪大肠菌群等18个水质指标。

本研究中常规监测站水质数据由黑龙江省水环境监测中心提供，保护区土地利用数据来自Landsat 8 OLI卫星遥感影像解译，十大水资源分区内源头水保护区达标率根据2017年水资源公报数据统计，十大水资源分区内国内废水排放量数据依据2017年环境质量公报数据统计。

本文选取国内常用的单因子评价法^[12]、污染指数法^[13]等评价方法全面反映研究区地表水水质类别、超标指标类别及程度、水质等级等，并采用由加拿大环保署（the Canadian Council of Ministers of the Environment）提出一种综合的全面的水质评价方法-CCME-WQI方法来反映研究区地表水综合质量状况^[14]，其优点是考虑了所有监测指标以及监测值，直接将监测值量化到评价过程中，不受缺测值或误差值的影响，是较为客观的水质评价方法。

RM_se,s,p，RS_s,p来分析水质指标浓度在26个保护区在季节性差异与空间变异性。

式中，${\overline {X}}_{{\rm{se}},s,p}$代表每个点位(s)某个变量(p)在不同季节(se)内的平均浓度值，${\overline {X}}_{s,p}$代表每个点位(s)某个变量(p)在监测期间内平均浓度值(2011—2016)，RM_se,s,p代表相对季节变化。本研究中5月，7月，9月作为丰水季节，为1月，3月，11月做枯水季节。

RS_s,p反应的是不同点位间（即各源头水保护区）各指标浓度的差异性，其公式如下：

式中，${\overline {X}}_{p}$代表某变量在所有点位的浓度平均值。如果RS_s,p>0则该该点位某变量的浓度均值高于所有点位某变量浓度均值，反之亦然，$\left|{\rm{RS}}_{s,p}\right|$越大，则说明其空间变异性越强。

表1列出了源头水保护区内地表水18个水质指标浓度特征值，由75%百分位数可以看出，除COD、COD_Mn以及NH₃-N外，其余指标大部分监测到的浓度值均未超出Ⅱ类水质标准限值。单因子评价结果显示黑龙江省源头水保护区地表水主要水质类别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类水，占到83.9%，Ⅰ类水质类别占比最低，仅为1.3%，Ⅴ类与劣Ⅴ类水质占比分别为11.2%与3.5%,年际间各类水质占比无显著性差异（表2）。以Ⅱ类水质类别为标准，79.6%的监测数据以超出了水质标准要求。

2011—2016年双月份水质监测次数总和仅为26次，水质类别年内分布仅考虑单月份，如表3所示，枯水期1、3、11月份水质类别主要为Ⅱ—Ⅳ类水，可占全年水质类别的80%以上，其次为Ⅴ类水质类别；丰水期5、7、9月份水质类别主要为Ⅲ—Ⅳ类水，可占全年水质类别的65%以上，值得注意的是，相比于枯水期月份，丰水期Ⅱ类水质占比有所下降，Ⅴ类水质占比明显上升，水质类别年内分布情况受丰枯水期影响较为明显。

污染指数方法能够识别水质评价结果对个别指标的依赖性。18个参评指标2011—2016年间所有水质监测数据平均污染指数值见表4，其中，COD、COD_Mn以及NH₃-N污染指数平均值>1，污染指数最大值分别为：16.6、17.3、11.1，是所有参评指标中污染最为严重的。除DO外，其余14个指标污染指数平均值均在0.5以下且最大污染指数相对较低。结果显示，源头水保护区地表水主要超标项目为COD、CODMn与NH₃-N，是导致水质评价结果不达标的主要指标。

以CCME-WQI对黑龙江省源头水保护区2011—2016年地表水环境进行综合性评价，由表5可知，其得分范围在75.32—80.71之间，且研究期间水质评价结果无统计学差异，水质属较为清洁的水质，这与单因子评价法结果有较大差异。在监测期间超标变量的个数为5—7个，由表5可知，评价等级主要由F1决定，F2与F3值相对较低。

综合以上评价结果分析可知，黑龙江省源头水保护区地表水综合水质状况为清洁以上水平，水质较好。然而，就个别超标指标而言，COD、COD_Mn以及NH₃-N超标次数较多且污染程度较高，是导致评价结果较差的主要控制指标。因此，COD、COD_Mn以及NH₃-N作为主要关注指标进一步分析其浓度的时空变化特征。

枯水季DO的RM_se,s,p最大（图2）。在所有源头水保护区中，除RM_dry,A26,DO外，其余保护区RM_se,s,p均大于1，并且在0.91—1.27的范围内变化，这表明全年中相对较高的DO浓度出现在旱季。而RM_Wet、s、DO的范围为0.85—1.04，与旱季RM_dry、s、DO接近，说明DO浓度在季节间无显著差异性。

COD相对季节浓度变化与RM_se,s,DO呈相反趋势，较高的RM_se,s,COD值出现在丰水季节，而在枯水季节则表现出较低水平值。此外，五月、七月、九月COD平均值分别为24.3、23.8、17.5 mg·L⁻¹，一月、三月、十一月分别为15.7、15.4、17.13 mg·L⁻¹，全年COD浓度季节性变化较大。COD_Mn的季节变化趋势与COD相似，${\rm{R}}{{\rm{M}}_{{\rm{wet,}}s{\rm{,CO}}{{\rm{D}}_{{\rm{Mn}}}}}}$在丰水季节为0.94—1.44和枯水季节为0.49—1.16。NH₃-N浓度相对季节变化(RM_se,s,p)呈现出与COD、COD_Mn一致的规律，丰水季节共有7个保护区，${\rm{R}}{{\rm{M}}_{{\rm{wet,}}s,{{\rm{NH}}_{\rm{3}}}{\text{-N}}}}$值大于1。值得注意的是，高浓度的NH₃-N主要出现在丰水季节。

在空间变化上4个指标呈现出明显的空间异质性(P<0.05)。所有监测点中溶解氧多年均值最大值出现在海浪河(10.2 mg·L⁻¹)，最小值出现在别拉洪河 (6.8 mg·L⁻¹)，26个源头水保护区COD、COD_Mn以及NH₃-N浓度多年均值范围分别为9.5（拉林河）—30.8 mg·L⁻¹（额木尔河）、2.7（拉林河）—11.2 mg·L⁻¹（额木尔河）、0.28（逊别拉河）—0.77 mg·L⁻¹（别拉洪河）。RS_s、DO范围为−0.23—0.17，相比于COD（−0.52—0.57）、COD_Mn（−0.56—0.79）以及NH₃-N（−0.67—0.8）变化范围小，空间差异性弱。${\rm{R}}{{\rm{S}}_{s{\rm{,CO}}{{\rm{D}}_{{\rm{Mn}}}}}}$空间变异程度高于COD，而最大与最小变异程度出现在与COD一致的保护区内。${\rm{R}}{{\rm{S}}_{s{\rm{,N}}{{\rm{H}}_3} {\text{-}} {\rm{N}}}}$值空间变异性高于其他3个指标，其中11个保护区为RS_s，p>1。RS_s、p值分析结果表明，地表水水质存在较明显的空间差异性（图3）。

（1）保护区土地利用类型

区域人类活动程度可由土地利用变化直观反映，分析土地利用变化规律是研究人类活动程度的重要手段^[15-16]。由表6可知，黑龙江省源头水保护区内主要以林草地为主，平均占地面积在80%以上，其次为未利用土地与耕地，分别占11.42%与9.81%，保护区内基本无工业用地。保护区内自然环境特征维持良好，人类活动强度较低，影响水环境质量的人为污染源主要为耕地面源污染与人类生活排污，从土地利用方式可以看出，保护区内水环境特征受自然环境的影响要远大于受人类活动的影响。因此，从土地利用方式与人类活动强度对水质影响考虑出发，结合区域水环境特征分析，是识别背景值问题之一.

（2）超标指标浓度来源及影响因素

由图4研究区土壤类型主要为暗棕壤土、棕色针叶林土、沼泽土以及草甸土，土壤有机质含量可达10%—20%。研究区地表水水质主要超标项目类别为好氧有机质（COD、COD_Mn、NH₃-N），腐殖质作为森林有机质的重要组成部分，其复杂的高分子结构中含有较多的官能团，腐殖质在实验室高温强氧化剂条件下分解消耗大量氧气并产生较多中间产品，而在自然状态下其稳定的结构难以降解消耗氧气，由2.1节源头水保护区水环境质量特征分析结果可知，保护区地表水中溶解氧浓度未出现明显不达标现象且浓度维持在较高水平，由此可知，保护区地表水中好氧有机污染物浓度由森林陆源腐殖质造成。

研究区源头水保护区以林地为主，枯枝落叶层较厚，且寒温带气候条件影响了微生物对枯枝落叶的降解速率，枯枝落叶不能完全降解而大量堆积，加之研究区土壤类型以高腐殖质含量为主，冻融循环破坏了土壤团聚体稳定性，导致陆源有机质更易流失^[17-18]。同时，植被类型对枯枝落叶的降解也有一定影响，松花江区植被类型主要为针叶林，而微生物活动更倾向于对阔叶林的降解^[19]。由以上分析可知，气候类型、土壤类型以及植被类型是造成森林陆源腐殖质流失进入水体的主要因子，因而导致源头水保护区内河流水体腐殖质含量较高。腐殖质作为大分子好氧有机物质在高温强酸条件下将消耗大量氧气且产生较多的中间副产品，在实验室条件下检测出高浓度的COD、COD_Mn以及NH₃-N。由此可见，结合研究区腐殖质（自然源）与水环境主要超标项目浓度关系分析，是识别背景值问题之二。

（3）背景问题影响程度

背景值问题主要影响了水质类别与水功能区达标率，根据制度考核要求，2030年水功能区水质达标率提高到95%以上。本文根据水功能区达标考核办法，对2011—2016年源头水保护区水功能区达标情况进行分析，源头水保护区内年内水质监测次数在6次及以上的按频次法进行评价，低于6次按均值法进行达标评价。评价结果见表7，2011—2016年26个源头水保护区水质评价结果中仅出现过6次达标情况，达标率仅为4.3%，远低于2030年目标要求。前文从人类活动强度角度、自然环境特征角度以及超标指标浓度来源识别了黑龙江省源头水保护区背景问题，由水功能区达标评价结果可知，背景问题对水功能区达标考核的影响非常严重。

黑龙江省面积占松花江区流域面积的48%左右，因此该问题一定程度上也在十大一级水资源分区上体现。根据2017年水资源公报统计数据显示，全国共评价891个源头水保护区，十大水资源分区内源头水保护区达标率见表8，松花江区内源头水保护区水质达标率最低。然而，相对于海河区、淮河区、长江区等东部地区的水资源一级区而言，松花江区经济发展与人口密度都处于较低水平。尽管说地表水水质状况与人类活动强度之间没有完全必然的联系，但这种反差一定程度上反映了背景值问题在松花江区的独特性与严重性。

在发展中国家，经济发展与环境保护仍存在较大的矛盾^[20]，人类活动与经济发展仍是水环境恶化的关键因子^[21-22]。通过分析2017年中国环境质量公报统计的废水排放量与地表水资源总量比例可知（图5a），松花江区废水排放比例较低，松花江区人类活动对水质的污染程度是较低的，结合源头水水质达标评价结果可知，背景值问题在松花江区地表水水质当中的影响是相当严重的。图5b展示了2017年十大水资源分区保留区与开发利用区水质达标情况，松花江区内的保留区水质达标率在十大分区中达标率最低，开发利用区水质达标率仅高于淮河区。由此可见，背景值问题不仅影响了源头水保护区水质达标评价结果，还对其下游保留区甚至开发利用区水质造成一定影响。

针对造成背景问题的主要水质指标COD、COD_Mn以及NH₃-N分析了其在十大分区达标评价比例，分析结果表明（表9），3个水质指标较高的超标率均出现在松花江区且COD_Mn超标率远高于其它分区，松花江区内保护区地表水中COD与NH₃-N的超标率已经超出了废水排放最高的海河区。综合以上分析结果可知，由森林腐殖质导致的水环境背景值问题对松花江区地表水环境质量的影响具有独特性与严重性。

《全国重要江河湖泊水功能区水质达标评价技术方案》中第八项第2条中明确提及确因背景值影响而不满足水功能区目标要求的，按照修正的水质数据进行评价，但由于不同区域水环境背景问题存在较大差异^[23]，这种差异主要体现于：1）受背景环境影响的水质指标类别不同；2）水质指标浓度受背景环境影响程度不同；3）水质指标浓度来源不同^[9]，因此，根据背景值影响程度与范围由各省区自行提出解决方案审核后实施。本文提出以下解决方案供水环境管理部门参考：1）需修正的水质指标类别为COD、COD_Mn、NH₃-N；2）在各源头水保护区内布设背景值监测站，建立背景值数据库；3）基于背景值数据库计算背景值表征范围；4）对于常规水质监测数据的修正方法：若在背景值表征范围内则不进行评价，若超出范围则对超出部分进行水质评价。该方案基于对黑龙江省源头水保护区地表水环境特征与背景问题成果基础上提出的，具有针对性与可实施性，能够较好地解决背景问题对区域水环境管理的影响，保障最严格水资源管理制定实施的可持续性，方案的具体实施还需根据实际情况进一步细化。

本文以最严格水资源管理制度的实施和区域水环境管理与评价结果之间的突出矛盾为研究导向，以识别特殊区域水环境背景值问题为研究目的，以区域水环境管理与评价体系改革为最终服务对象，开展水环境背景值问题识别工作。通过分析研究区2011—2016年常规水质监测数据并结合研究区自然环境特征，明确了黑龙江省源头水保护区存在背景值问题，其中COD、COD_Mn、NH₃-N浓度是受背景环境影响最严重的水质指标，可被定义为背景污染物。背景污染物的浓度存在较明显的时空变异特征，其时间变化主要体现出季节性差异，即丰水期浓度值高于枯水期。背景值问题已严重影响到了区域水质评价结果以及水功能区达标考核，且通过对比其他水资源一级区发现这种不利的影响在黑龙江省乃至松花江区表现的尤为突出，因此，在水环境管理与评价过程中必须对这种存在严重背景值问题的区域进行特殊考虑，这对完善我国水资源水环境管理体制，保障最严格水资源管理制度可持续实施具有重要意义。