基于多元統(tǒng)計分析的奎河(徐州段)水質(zhì)污染現(xiàn)狀

萬　蕾，張曼玉，陸　晟

(徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州　221018)

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基于多元統(tǒng)計分析的奎河(徐州段)水質(zhì)污染現(xiàn)狀

萬蕾，張曼玉，陸晟

(徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221018)

摘要：奎河是徐州境內(nèi)一條重要的河流.因近年生活污水、工業(yè)廢水的隨意排放，奎河水體的污染問題愈發(fā)嚴重.文章分析了奎河(徐州段)7個監(jiān)測斷面的水質(zhì)基本情況，并采用聚類分析和主成分分析對監(jiān)測斷面和水質(zhì)指標進行了統(tǒng)計分析.結(jié)果表明：1)七個監(jiān)測斷面的濁度值的變化范圍1.05到1.99 NTU，pH值的變化范圍為7.23~7.83，溶解氧的變化范圍在0.48~2.98 mg/L；2)DO、TP和硝酸鹽氮含量較高，7個斷面總體屬于V類~劣V類水；3)聚類分析表明7個斷面可以分為城區(qū)-城鄉(xiāng)結(jié)合部以及農(nóng)村段兩大類；4)主成分分析表明，奎河富營養(yǎng)化問題嚴重，磷是首要污染因子，有機物和氮污染也較為嚴重.

關(guān)鍵詞：奎河；水質(zhì)；污染；多元分析

奎河開挖于明朝，是一條人工開鑿的泄洪河道，距今已有400多年的歷史.奎河全長76 km，徐州市境內(nèi)長25.75 km，流域總面積達1231 km2.它發(fā)源于云龍湖，流過奎山，貫穿銅山縣和三堡鎮(zhèn)，在黃橋進入安徽，然后匯入淮河.奎河原本是一條十分清澈的小河，自從云龍湖被辟為風(fēng)景游覽區(qū)，便切斷了云龍湖與下游河流的聯(lián)系，奎河便成了無源之水.徐州市區(qū)黃河故道以北的許多工廠，像造紙、污水處理廠等污染較重的企業(yè)，徐州有關(guān)方面鋪設(shè)起了地下管道，從故黃河的下面穿過，調(diào)頭朝南，也全都被引入奎河.這樣，奎河就已經(jīng)不是實際意義上的河流，而成了徐州市地地道道的一條總的下水道.近年來，對奎河的整頓一直不斷，但因仍有污水的不斷排入，效果微弱，總體達不到地表水Ⅴ類水質(zhì)要求[1-2].本文采用多元統(tǒng)計方法對奎河(徐州段)的水質(zhì)狀況進行分析，以期掌握奎河的污染現(xiàn)狀和污染規(guī)律，為奎河水質(zhì)改善和環(huán)境保護措施的制定提供參考.

關(guān)于多元統(tǒng)計的方法用于水質(zhì)分析，前人已經(jīng)有所研究和應(yīng)用.例如，富天乙等[3]通過層次聚類分析將遼陽太子河2009年至2012年3個斷面的144個樣本點分為11組，以各組的樣本均值為基礎(chǔ)，采用水質(zhì)標識指數(shù)方法得到各組的水質(zhì)評價結(jié)果.范良千等[4]以主成分分析探討主要污染來源；以聚類分析劃分監(jiān)測點類別并識別其空間相似性，結(jié)果顯示梅梁灣水質(zhì)主要受農(nóng)業(yè)非點源、外源輸入的有機懸浮物等5方面影響，9個監(jiān)測點位劃歸為4類.劉海平等[5]根據(jù)Pearson相關(guān)性矩陣，將尼洋河26項理化指標分為3大類；析因分析顯示，可將26項理化指標分為4 大類；主成分分析發(fā)現(xiàn)，平水期、豐水期以及枯水期水環(huán)境特征明顯不同，以上3期各自聚為一類.多元統(tǒng)計分析可以較好的識別水質(zhì)數(shù)據(jù)的時空特征，識別監(jiān)測樣本的內(nèi)在差異性和相似性，結(jié)果客觀可信.

1材料與方法

1.1監(jiān)測方案

為了全面了解奎河的水質(zhì)污染狀況，2015年4月設(shè)定了奎河的源頭即云龍湖、積水壩、十里閘、黃河路橋、珠江路(奎河銅山段)、楊山頭閘及黃橋斷面7個采樣點，每個采樣點采3組平行樣，取其平均值進行分析.監(jiān)測了水的pH值、溶解氧、濁度、有機物、總磷、硝酸鹽氮6個指標.

1.2水質(zhì)指標分析方法

水質(zhì)指標的測定按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》進行[6].pH值、濁度和DO的測定采用便攜式儀器現(xiàn)場測定.

水中總磷(TP)的測定采用鉬銻抗分光光度法，取25 mL樣品于比色管中，加4 mL過硫酸鉀溶液，密封，高壓消解30 min，加入抗壞血酸和鉬酸鹽溶液，于700 nm波長下進行比色.

水中有機質(zhì)(COD)含量通過重鉻酸鉀氧化滴定法測定，取20.00 mL混合均勻的水樣置于250 mL磨口的回流錐形瓶中，加入0.4 g硫酸汞，搖動使溶解，準確加入10.00 mL重鉻酸鉀標準溶液及數(shù)粒小玻璃珠或沸石，連接磨口回流冷凝管，從冷凝管上口慢慢加入30 mL硫酸-硫酸銀溶液，加熱回流2 h.溶液冷卻后，滴入指示劑，用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定，記錄用量.

硝酸鹽氮的測定方法為酚二磺酸分光光度法，取50 mL水樣于蒸發(fā)皿中，蒸干后加入酚二磺酸試劑，充分研磨，加入氨水，轉(zhuǎn)移到比色管中，于410 nm下進行比色.

1.3統(tǒng)計方法

1.3.1聚類分析

聚類分析(cluster analysis)是一組將研究對象分為相對同質(zhì)的群組(clusters)的統(tǒng)計分析技術(shù).它依據(jù)所研究的樣品或變量之間存在不同程度的相似性，以一些能夠度量樣品或指標之間相似程度的統(tǒng)計量作為劃分類型的依據(jù)，把一些相似程度較高的樣品(或指標)聚合為一類，其余一些彼此之間相似程度較大的樣品(或指標)又聚合為另一類，直到把所有的樣品(或指標)聚合完畢.通常根據(jù)研究對象的不同，將其分為Q型聚類分析和R型聚類分析，其中Q型聚類分析是對樣本進行分類處理，R型聚類分析則對變量進行分類處理.本文利用SPSS(19.0)統(tǒng)計分析軟件，選用離差平方和算法和歐式距離，對研究區(qū)共7個監(jiān)測點位進行Q型聚類分析.聚類分析結(jié)果最終用聚類樹狀圖直觀地表現(xiàn)出來[7].

1.3.2主成分分析

主成分分析(principal component analysis，PCA)，將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法.近年來，主成分分析被廣泛的應(yīng)用在分析水環(huán)境污染特征、水環(huán)境管理等方面.主成分分析計算步驟：1)對監(jiān)測數(shù)據(jù)矩陣X進行數(shù)據(jù)標準化處理；2)計算出標準化數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣，并求出其特征根；3)根據(jù)累積方差貢獻率或特征值大于1原則確定主成分個數(shù)；4)對主成分進行分析解釋[8].

2結(jié)果與討論

2.1奎河水質(zhì)污染基本情況

奎河水質(zhì)污染基本情況如表1所示.

表1　奎河監(jiān)測斷面水質(zhì)基本情況

從表1中可以看出，7個監(jiān)測斷面的濁度值的變化范圍1.05~1.99 NTU，積水壩的濁度值最小，為1.05 NTU.黃河橋路斷面的濁度值也較小，為1.11 NTU，黃河橋監(jiān)測斷面處的奎河河道寬，且水流流速要大于其他監(jiān)測點.其他5個監(jiān)測斷面的濁度值都處于較高水平.由于條件的限制，云龍湖斷面的采樣點位于湖岸不遠處，這可能會與云龍湖水質(zhì)的真實情況有所出入.7個監(jiān)測斷面的pH值的變化范圍為7.23~7.83，云龍湖斷面的pH值最大，為7.83，水呈弱堿性水，云龍湖斷面采樣點為第一采樣點，采樣時間在上午9點左右.pH值受很多因素的影響，溫度、時間、水中溶解的CO2、水中的酸性或堿性的溶解性物質(zhì)等，如溫度升高，水中的溶解度會下降，CO2會以其體型是釋放到大氣中，這樣會導(dǎo)致水體的pH值明顯的增大.黃河橋的pH值最小，其他五個監(jiān)測點的pH值處在差不多的水平上.水體溶解氧的變化范圍在0.48~2.98 mg/L，十里閘監(jiān)測斷面的DO最低，為0.48 mg/L，十里閘監(jiān)測斷面附近有一定量的生態(tài)浮床，種植大量的植物，主要有千屈菜和黃菖蒲.監(jiān)測時間為上午九點半作用，植物才開始新一天的光合作用，夜間植物沒有光合作用，僅有呼吸作用，加上水生動物、微生物等的呼吸作用，水總?cè)芙庋鯐蠓认陆担@就是十里閘DO值較低的的原因，DO最高的是云龍湖，云龍湖水面開闊，與空氣接觸面大，所以DO值較高，又因為沒有大面積水生植物生長，所以DO值最大.其他五個監(jiān)測斷面的溶解氧值在相似水平上.

從表1還可以看出，7個水樣TP的變化范圍在0.27~0.43 mg/L，參考地表水水水質(zhì)標準可知，Ⅳ類水的限值為0.3 mg/L，所有監(jiān)測斷面僅黃河橋和珠江路為Ⅳ類水，云龍湖和黃橋監(jiān)測斷面超過V類水限值的0.4 mg/L，為劣V類水，其他四個監(jiān)測斷面水質(zhì)均為V類水.7個監(jiān)測斷面的COD值中，黃橋監(jiān)測面的COD值最高，為37.11 mg/L超過了地表水Ⅳ類水，為V類水.最低的是十里閘監(jiān)測斷面18.95 mg/L，屬Ⅲ類水，這個值要低于其他監(jiān)測斷面的COD值，可能與十里閘附近水面種植了大量的浮床植物有關(guān).其他監(jiān)測斷面的COD值在相似水平，為Ⅲ類水.黃橋監(jiān)測斷面的水樣硝酸鹽氮值處于最高水平，為1.17 mg/L，黃橋的污染較重，農(nóng)村的衛(wèi)生條件較差，生活垃圾多，生活污水大量排放，也是導(dǎo)致硝酸鹽氮值過高的原因.黃河橋路的硝酸鹽氮的含量也較高.積水壩的硝酸鹽氮處于最低水平，為0.78 mg/L.其它斷面的硝酸鹽氮的含量水平較為接近.

徐州的云龍湖水質(zhì)相對較好，云龍湖在2005年4月—5月期間，TP的質(zhì)量濃度為0.035~0.061mg/L，DO濃度為6.86~8.17 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)6.8 mg/L左右[9].2009年8月到2010年3月期間，TP的質(zhì)量濃度為0.088~0.136 mg/L，DO質(zhì)量濃度為6.67~7.55 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)量濃度為4.54~6.27 mg/L[10].可見，奎河水體DO含量低，TP和有機物污染嚴重.

2.2奎河水質(zhì)的多元統(tǒng)計分析

2.2.1聚類分析

奎河7個點位聚類分析見圖1.從圖中可以看出，7個點位可以分為4組.其中1(云龍湖)和3(十里閘)可以分為一組，2(積水壩)和4(黃河橋路)為一組，5(珠江路橋)和7(黃橋斷面)為一組，6(楊山頭閘)單獨分為一組.但總體來說，可以分為兩大類，1(云龍湖)、2(積水壩)、3(十里閘)、4(黃河橋路)監(jiān)測點為第一大類，5(珠江路橋)、6(楊山頭閘)、7(黃橋斷面)監(jiān)測點為第二大類.第一大類的4個斷面位于城區(qū)—城鄉(xiāng)結(jié)合部，第二大類的3個斷面位于農(nóng)村.說明從珠江路以南河段主要受農(nóng)業(yè)非點源污染的影響，而從云龍湖出口到黃河橋路河段受到點源和城市非點源及農(nóng)業(yè)非點源污染的共同影響.

圖1　監(jiān)測點聚類分析圖

2.2.2主成分分析

奎河7個監(jiān)測點的水質(zhì)指標的相關(guān)系數(shù)見表2.從表2中可以看出，pH值和DO及TP的相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.572和0.602.濁度和TP的相關(guān)系數(shù)也較高，為0.544，說明降雨導(dǎo)致奎河濁度升高，同時TP濃度增加，非點源污染也是奎河流域的一大污染源.奎河水質(zhì)主成分矩陣見表3.從表3中可以看出，前3個主成分累計反映了原始數(shù)據(jù)總信息量的81.03%，起到了既能精簡數(shù)據(jù)又能較完整地保持信息量的作用，故抽取前3個因子作為分析對象.從因子載荷大小看，第一主成分方差貢獻率為37.58%.與第一主成分相關(guān)系數(shù)較高的水質(zhì)參數(shù)是TP和pH值.其中TP的因子荷載最高為0.864，說明奎河富營養(yǎng)化問題嚴重，磷是首要污染因子.第二主成分因子載荷占23.92%，與第二主成分相關(guān)系數(shù)較高的是COD、硝態(tài)氮和DO，可見水體有機質(zhì)含量較高，有機物和氮污染也較為嚴重.第三主成分因子載荷占19.53%，與第三主成分相關(guān)系數(shù)較高的主要是濁度.

表2　水質(zhì)指標相關(guān)系數(shù)矩陣

表3　奎河水質(zhì)主成分矩陣

3結(jié)論

通過對奎河(徐州段)7個監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測，可以得出以下結(jié)論：

1)7個監(jiān)測斷面的濁度值的變化范圍1.05~1.99 NTU，pH值的變化范圍為7.23~7.83，溶解氧的變化范圍在0.48~2.98 mg/L；COD、TP和硝酸鹽氮含量較高，7個斷面總體屬于V類~劣V類水，水體DO含量低，TP和有機物污染嚴重.

2)聚類分析表明7個斷面可以分為城區(qū)—城鄉(xiāng)結(jié)合部以及農(nóng)村段兩大類，從珠江路以南河段主要受農(nóng)業(yè)非點源污染的影響，而從云龍湖出口到黃河橋路河段受到點源和城市非點源及農(nóng)業(yè)非點源污染的共同影響.

3)主成分分析表明，奎河富營養(yǎng)化問題嚴重，磷是首要污染因子，有機物和氮污染也較為嚴重.

參考文獻：

[1] 魏燦,解恒參,朱亦仁.奎河水污染現(xiàn)狀及對策[J].徐州師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005,23(2):63-67.

[2] 李炬.略談奎河的水環(huán)境保護與水資源利用[J].江蘇環(huán)境科技,2001,14(3):28-30.

[3] 富天乙,鄒志紅,王曉靜.基于多元統(tǒng)計和水質(zhì)標識指數(shù)的遼陽太子河水質(zhì)評價研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,34(2):473-480.

[4] 范良千,吳祖成,張清宇,等.多元統(tǒng)計方法用于太湖梅梁灣水質(zhì)特征識別[J].浙江大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版),2013,40(3):308-313.

[5] 劉海平,鐘國輝,葉少文,等.西藏尼洋河水環(huán)境特征多元統(tǒng)計分析[J].湖泊科學(xué),2015，27(6):1187-1196.

[6] 國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版,北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[7] 沈楊,何江濤,王俊杰,等.基于多元統(tǒng)計方法的地下水水化學(xué)特征分析：以沈陽市李官堡傍河水源地為例[J].現(xiàn)代地質(zhì),2013,27(2):440-447.

[8] 范良千,吳祖成,張清宇,等.多元統(tǒng)計方法用于太湖梅梁灣水質(zhì)特征識別[J].浙江大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版),2013,40(3):308-313.

[9] 蔣滔,李多松,張凱.徐州市云龍湖水質(zhì)的模糊數(shù)學(xué)綜合評價[J].環(huán)境研究與監(jiān)測,2007,20(3): 16-19.

[10] 呂順,余莉琳,周猛,等.徐州市云龍湖水質(zhì)監(jiān)測與評價[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,25(4):42-46.

(編輯崔思榮)

The Current Situation of Water Pollution of Kui River(Xuzhou Section) Based on Multivariate Statistical Analysis

WAN Lei,ZHANG Manyu,LU Sheng

(College of Environmental Engineering Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China)

Abstract:Kui River is an important river in Xuzhou. In recent years, the pollution of the river is more serious because of the free discharge of sewage and industrial wastewater.In this paper,the water quality of the 7 monitoring sections of the Kui River (Xuzhou section) was analyzed,and the statistical analysis was carried out using the cluster analysis and principal component analysis.The results showed that:(1)the turbidity value of seven monitoring sections changed from1.05 to 1.99NTU,pH 7.23~7.83, dissolved oxygen 0.48~2.98mg/L;(2)higher content of COD,TP and nitrate nitrogen,seven section overall belonged to class V~inferior V class of water;(3)clustering analysis showed that seven section could be divided for urban and rural combination section and rural section;(4)principal component analysis showed that eutrophication problem of Kui River was serious and the phosphorus was the main pollution factor, organic matter and nitrogen pollution was also serious.

Key words:Kui River; water quality; pollution; multivariate statistical analysis

中圖分類號：X171

文獻標志碼：A

文章編號：1674-358X(2016)01-0053-05

作者簡介：萬蕾(1981-)，女，副教授，博士，主要從事水污染防治研究.

基金項目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項目(2013-K7-14)

收稿日期：2016-01-03