杭州市錢塘江干支流水質多元統(tǒng)計分析

錢天鳴

杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 杭州 310007

錢塘江是浙江省第一大河，流域面積約5.5萬平方千米，有北、南2個源頭，分別發(fā)源于安徽省休寧縣和皖贛2省交界處，以新安江和蘭江交匯于杭州建德市梅城。河水由西南向東北流動，經(jīng)新安江、桐江、富春江和錢塘江，最終注入杭州灣［1］。錢塘江歷來是杭州市的主要飲用水源地，市區(qū)80%的飲用水取自錢塘江，取水口均位于錢塘江下游河道。近年來，隨著上游地區(qū)經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，沿江兩岸的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排污和城鎮(zhèn)生活污水排放量日益增加，上游流域性外來污染已經(jīng)給下游杭州市飲用水供水安全造成較大影響［2］。

多元統(tǒng)計分析方法作為水環(huán)境問題分析與識別的重要工具，在各種水體水質評價與分析中得到廣泛應用［3-11］。該方法可以對大量復雜的水質監(jiān)測指標進行分析，在確保原有數(shù)據(jù)信息量丟失最小的原則下，基于各個指標相關關系的研究，將多個指標的信息壓縮為幾個能反映問題特征的綜合指標，并根據(jù)這些特征指標對水體水環(huán)境狀況進行綜合分析，從而避免了人為確定各指標權重的主觀隨意性。由于錢塘江上游來水以及干支流的水質狀況存在一定的差異，不同河段水質的主導影響因子也有所不同，因此識別影響錢塘江水體水質的主要因子，確定各個影響因子的貢獻率，對于客觀評價其水環(huán)境質量現(xiàn)狀具有十分重要的意義。按水質指標聚類分析將錢塘江上游來水以及干支流分為3組，針對這3組河段分別進行主成分分析，找出其主要影響因子，以期為控制錢塘江主要污染物指標、保護好飲用水源地提供科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域及采樣點布設

為比較全面地分析錢塘江上游來水以及干支流水體的水質情況，根據(jù)錢塘江水系分布特點，由上游至下游，選取的干支流主要包括新安江、壽昌江、長寧溪、蘭江、富春江、三都溪、胥溪、蘆茨溪、清緒溪、分水江、淥渚江、壺源溪、筧蒲港、大源溪、浦陽江、錢塘江。2012年1—12月在上述干支流布設有代表性的斷面進行水質采樣監(jiān)測，每月1次，研究區(qū)域內共設置26個監(jiān)測斷面。干支流水系及監(jiān)測分布見圖1。

圖1 錢塘江干支流采樣分布圖

1.2 監(jiān)測指標與分析方法

主要監(jiān)測指標為pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑等20項，除pH、溶解氧用儀器現(xiàn)場測定外，其余水質指標均添加固定試劑后冷藏保存帶回實驗室檢測，各監(jiān)測指標的測定方法均采用國標方法［12］。

1.3 水質數(shù)據(jù)處理

采用系統(tǒng)聚類分析法分析水質空間變化特征，首先對原始數(shù)據(jù)進行標準化，消除量綱影響，再以歐氏距離度量樣本間距離，運用離差平方和法生成具有層次結構的聚類樹。應用因子分析法對聚類分析產(chǎn)生的每一組監(jiān)測點的水質理化指標進行因子分析，采用主成分法提取公因子，分析影響水質的主導因子。統(tǒng)計軟件為SPSS16.0。

2 結果與討論

根據(jù)錢塘江干支流監(jiān)測斷面水質總體特征(表1)及《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)，采用單因子評價方法(河流水質總氮指標未參評)得到研究期間錢塘江干支流監(jiān)測斷面水質類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，所占比例達77%;支流蘭江、三都溪和分水江的水質為Ⅳ類;支流浦陽江的水質為Ⅴ類;支流大源溪和筧浦港的水質為劣Ⅴ類。從監(jiān)測指標的相對偏差來看，各監(jiān)測指標值季節(jié)波動較小。

表1 錢塘江干支流水質總體特征

2.1 干支流聚類分析

根據(jù)錢塘江干支流的水質指標值，進行系統(tǒng)聚類分析，將監(jiān)測斷面分為3組。第1組包括銅官燈塔、源口、白沙、楊村橋鎮(zhèn)、黃栗坪、乾潭、安仁、蘆茨、青江口，主要分布在壽昌江、新安江、長寧溪、胥溪、清緒溪、蘆茨溪和壺源溪上;第2組包括三都老橋頭、富春江大壩、桐廬一橋、分水江大橋、窄溪大橋、董灣、中埠大橋、富陽、里山、老鼠尾巴、聞家堰、珊瑚沙、閘口，主要分布在三都溪、分水江、淥渚江、富春江和錢塘江干流上;第3組包括三河、筧浦港、大源、臨浦老大橋，主要分布在支流蘭江、大源溪、浦陽江和筧蒲港上。聚類譜系見圖2。

2.2 干支流水質主導因子分析

根據(jù)聚類分析結果，采用主成分分析法對3組監(jiān)測斷面的水質主導因子進行分析，其中前2組水質指標提取 4 個主成分(F1、F2、F3、F4)，第3組水質指標提取2個主成分(F1、F2)，旋轉因子載荷矩陣結果見表2。

圖2 錢塘江干支流斷面水環(huán)境因子聚類分析

表2 錢塘江干支流斷面旋轉因子載荷矩陣

表2顯示，前2組4個主成分和第3組2個主成分累計貢獻率均超過80%，基本包含20項水質指標信息。第1組F1的方差貢獻率為27.87%，高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總氮所占因子載荷較大，與F1的相關系數(shù)絕對值都超過0.65，反映了監(jiān)測斷面所在河流水體以有機污染為主的特征，氮鹽作為水生生物的主要營養(yǎng)來源在水體中保持較高的濃度，使得水生生物數(shù)量增加，五日生化需氧量也隨之上升［13］。F2方差貢獻率為21.80%，總磷所占因子載荷較大，也進一步反映該組監(jiān)測斷面水體中的營養(yǎng)鹽濃度較高?？傮w來說，第1組監(jiān)測斷面所在河段以有機污染為主，水體中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度相對較高。從監(jiān)測斷面所在河流分析，水體污染程度較輕，污染來源也比較單一。

第2組F1的方差貢獻率為33.85%，其中高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總氮、石油類、陰離子表面活性劑所占因子載荷較大，說明該組監(jiān)測斷面所在河流水體的有機污染特征與第1組類似，石油類及陰離子表面活性劑載荷較大，可能是由所在河段碼頭船舶航運污水排放導致。F2方差貢獻率為18.02%，其中銅、鋅、鎘所占因子載荷較大，反映該組監(jiān)測斷面所在河流水體中存在一定的重金屬污染。第2組監(jiān)測斷面所在河流水體受有機物、重金屬、石油類等多個水質指標的影響。從監(jiān)測斷面所在河流分析，水體水質較第1組差，污染來源相對復雜，主要來自上游及支流水體。

第3組F1的方差貢獻率為49.47%，其中溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總氮、銅、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑所占因子載荷較大;F2的方差貢獻率為34.43%，其中pH、總磷、鋅、氟化物、六價鉻、鉛所占因子載荷較大。該組監(jiān)測斷面所在河流水體污染情況是3組中最重的，既有一般有機污染，也有重金屬、有毒有害物質的污染。從監(jiān)測斷面所在河流分析，三河斷面所在的蘭江是錢塘江水系的2大重要支流之一，由于上游衢江與金華江地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，兩岸諸多工業(yè)污染源和生活污染源的排放使得近年來蘭江污染一直較重;筧浦港斷面所在河流位于富陽城區(qū)，主要是生活污染較重;大源斷面所在的大源溪，主要是由當?shù)卮罅吭旒埰髽I(yè)生產(chǎn)帶來的污染;臨浦老大橋斷面所在的浦陽江，主要是由上游地區(qū)大量工業(yè)污染源排放帶來的污染，其中水晶、制藥等企業(yè)數(shù)量眾多，給水體帶來較重污染。

杭州市區(qū)的飲用水取水口主要設置在錢塘江的聞家堰至閘口段，處于整個水系的下游河段，承納了上游地區(qū)及兩岸支流的污染來源。從3組監(jiān)測斷面所在河流水體水質的主導因子分析，錢塘江干支流不同組別之間的主要影響因子存在比較明顯的差異，但總體上仍以有機污染為主，氮、磷營養(yǎng)鹽濃度偏高，部分支流的水體污染嚴重，污染指標包含重金屬及有毒有害物質。

3 結論

利用2012年1—12月錢塘江干支流的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多元統(tǒng)計分析，應用系統(tǒng)聚類分析將26個監(jiān)測斷面所在河流分為3組。這3組斷面所在河流的空間分布區(qū)域性明顯，顯示了3種不同的污染水平。對聚類后3組河流分別進行因子分析，結果表明，第1組河流以有機污染為主，水體中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度相對較高，水體污染程度較輕，污染來源也比較單一;第2組河流水體受有機物、重金屬、石油類等多個污染指標的控制，水體水質較第1組差，污染來源相對復雜;第3組河流水體既有一般有機污染，也有重金屬、有毒有害物質的污染，水體水質污染重。杭州市區(qū)的飲用水取水口均位于錢塘江下游河段，聚類分析后該河段屬于第2組，水體水質易受上游地區(qū)及兩岸支流污染匯入的影響，應當根據(jù)干支流不同的污染主導因子，有針對性地加大治理力度，保障錢塘江水資源的可持續(xù)發(fā)展。

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