基于主成分分析及水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的黃河托克托段水質(zhì)評價

李國華, 李暢游 , 史小紅， 趙勝男, 全 棟

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

黃河內(nèi)蒙古段不僅承擔(dān)著內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)、磴口揚水灌區(qū)和麻地壕灌區(qū)等引黃灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉，同時是周邊包頭、呼和浩特市等城鎮(zhèn)工業(yè)和生活用水的取水水源地，而且接納了其支流及周邊城市的生活和工業(yè)污水。呼和浩特市大型民生工程“引黃入呼”取水口位于托克托縣黃河濕地蒲灘拐村，該河段水質(zhì)的優(yōu)劣直接著沿岸影響用水安全。諸多學(xué)者[1-4]開展了黃河內(nèi)蒙古段水質(zhì)監(jiān)測分析和評價工作。在河流水質(zhì)評價方法中，應(yīng)用較為典型的有單因子評價法[5]、污染指數(shù)法[6-7]、模糊數(shù)學(xué)評價法[8-12]、灰色系統(tǒng)評價法[13]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[14]、物元分析法[15-16]、水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[17-19]等，其中污染指數(shù)法計算原理簡單，但沒有完善的統(tǒng)一分級標(biāo)準(zhǔn)；模糊數(shù)學(xué)評價法用隸屬函數(shù)合理體現(xiàn)了水體污染程度不確定的特點；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠很好地表現(xiàn)評價因子和水質(zhì)類別間復(fù)雜的非線性關(guān)系，但評價指標(biāo)選擇不確定，定性評價結(jié)果不直觀。鑒于黃河內(nèi)蒙古段的水質(zhì)評價處于以單指標(biāo)和多指標(biāo)分析簡單綜合的階段。因此有必要尋找全面準(zhǔn)確和便捷的評價方法，了解黃河托克托段水環(huán)境質(zhì)量和污染現(xiàn)狀。本研究將主成分分析法與水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法相結(jié)合，基于2017年黃河托克托段4—8月逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過主成分分析選取水質(zhì)主導(dǎo)因子構(gòu)成評價指標(biāo)體系，采用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法分析黃河內(nèi)蒙古托縣段河流主要污染特征，以期在合理選擇水質(zhì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對黃河托克托段水質(zhì)的客觀評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣品采集

黃河托克托段位于黃河上游二級階地，河道彎多流緩，比降較小。屬中溫帶大陸性干旱半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫4～8 ℃，降水量在150～450 mm之間，降水年際變化較大，年內(nèi)分配不均，而年蒸發(fā)量1 200～2 000 mm。該河段上游與重工業(yè)城市包頭市銜接，下游與萬家寨庫區(qū)相連，黃河一級支流大黑河由此間匯入黃河干流，大黑河及其支流(哈拉沁溝、水磨溝和什拉烏素河)為季節(jié)性河流，非雨季是呼和浩特及周邊工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水的納污河流。在研究河段上游到下游依次布設(shè)9個水質(zhì)采樣斷面(頭道拐、柳林灘、付家河頭、大黑河、河口鎮(zhèn)、巨河灘、黑圪澇灣、神泉、蒲灘拐)，分別于2017年4月—8月的中下旬逐月連續(xù)取樣對水質(zhì)進行監(jiān)測分析，現(xiàn)場監(jiān)測及實驗室測定指標(biāo)包括水溫(T)、鹽度(Sal)、pH值、電導(dǎo)率(EC)、溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(COD)。其中總氮(TN)濃度采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定，總磷(TP)濃度采用鉬酸銨分光光度法測定，化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鹽—硫酸亞鐵銨滴定法測定，氨氮(NH3-N)采用納氏試劑比色法，其余指標(biāo)均采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀測定。

1.2 研究方法

1.2.1 水質(zhì)評價指標(biāo)體系建立 水環(huán)境系統(tǒng)是由多個水質(zhì)因子共同作用的復(fù)雜系統(tǒng)，且不同的水質(zhì)因子之間存在相關(guān)性，若對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)直接進行評價，會使評價結(jié)果反映出的水質(zhì)信息出現(xiàn)一定程度的重疊和掩蓋。因此，首先要通過主成分因子分析確定各水質(zhì)變量對入選主成分的貢獻率大小，保留主導(dǎo)水質(zhì)因子，并以選取的主導(dǎo)因子作為綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的評價指標(biāo)，進而對黃河托克托段水質(zhì)進行定量評價。

主成分分析廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價指標(biāo)的選取及水環(huán)境質(zhì)量評價當(dāng)中[20-25]。該方法基于原始數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，在保證原始數(shù)據(jù)信息丟失最少的前提下，運用數(shù)學(xué)方法，把具有相關(guān)性的多個變量變成少數(shù)的獨立綜合變量(主成分)，達到特征提取的效果。利用SPSS Statistic主成分因子分析功能對水質(zhì)的基本指標(biāo)進行主因子提取，計算主因子對水環(huán)境質(zhì)量污染的方差貢獻率[26-27]。表1給出了對2017年水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值進行主成分因子分析后的結(jié)果，特征值大于1的主成分因子有2個，兩者的累積貢獻率達到97.094%，其中，第1主成分表征氮磷營養(yǎng)鹽指標(biāo)和有機污染指標(biāo)，第2主成分表征鹽分指標(biāo)。由于第1主成分是最重要的水質(zhì)評價因子，包含的信息最多，且能夠直接影響水質(zhì)的好壞，因此選取第1主成分所在的旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣中荷載值最大的4個指標(biāo)作為本次研究的水質(zhì)評價指標(biāo)，分別為化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)，對這4個水質(zhì)指標(biāo)進行水環(huán)境質(zhì)量評價基本可以全面反映水質(zhì)特征信息。

1.2.2 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)可以完整標(biāo)識水質(zhì)評價指標(biāo)的類別、水質(zhì)數(shù)據(jù)、功能區(qū)目標(biāo)值等重要信息，既能定量地判別水體屬于哪一類別水質(zhì)，又能定性地分析不同水質(zhì)指標(biāo)在屬于同一類別水質(zhì)中的優(yōu)劣[28]。單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Pi)由一位整數(shù)和小數(shù)點后2～3位有效數(shù)字組成，其形式為：

Pi=X1·X2·X3

(1)

(2)

式中：X1——第i項水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2——水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，即水質(zhì)趨于X1+1類水質(zhì)的程度，按四舍五入的原則計算確定；ρi——第i項水質(zhì)指標(biāo)的實測濃度值;ρik上——第k類水區(qū)間濃度的上限值;ρik下——第k類水區(qū)間濃度的下限值，其中k=X1；X3——水質(zhì)類別與功能區(qū)設(shè)定類別的比較結(jié)果，反映水質(zhì)評價指標(biāo)的污染程度，X3——1～2位有效數(shù)字。

表1 黃河托克托縣段水質(zhì)旋轉(zhuǎn)因子荷載

注：因子荷載值>0.7表示顯著相關(guān)，因子荷載值>0.5表示中等相關(guān)，因子荷載值>0.3為弱相關(guān)。

當(dāng)水質(zhì)類別介于I—Ⅴ類水之間時，可直接根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對比確定X1。當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值劣于或等于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)上限值時,X1·X2的確定公式為：

(3)

式中：ρi5上——第i項水質(zhì)指標(biāo)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)濃度值的上限。從式中可以看出，當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值正好等于Ⅴ類水上限值時，X1·X2的數(shù)值為6.0，當(dāng)ρi>6時，說明水質(zhì)處于劣Ⅴ類水，數(shù)值越大，水質(zhì)越差，污染越嚴(yán)重。

1.2.3 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù) 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Iwq)是以單因子水質(zhì)指標(biāo)Pi為基礎(chǔ)的河流水質(zhì)綜合分析評價指數(shù)[29]，其形式為：

Iwq=C1·C2·X3·X4

(4)

(5)

式中：C1·C2——綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的核心;C1——河流綜合水質(zhì)的類別;C2——綜合水質(zhì)在C1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處的位置；X3——參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項指標(biāo)個數(shù)；X4——綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果，可作為判別水質(zhì)類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)類別的依據(jù)；Pi——n個水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(即單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)中的X1·X2)。

1.2.4 水質(zhì)級別的判定 基于綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的綜合水質(zhì)級別的判定標(biāo)準(zhǔn)詳見表2，通過Iwq值的整數(shù)位和小數(shù)點后第1位即C1·C2，可判定綜合水質(zhì)級別，C1·C2數(shù)值越大，說明水質(zhì)越差。

表2 基于綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的綜合水質(zhì)級別判定

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)2017年4—8月不同采樣斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用主成分分析法得到的水質(zhì)評價指標(biāo)計算單因子(pi)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Iwq)結(jié)果詳見表3。

2.2 黃河托克托段干流主要污染物分析評價

黃河托克托段2017年暢流期4—8月水質(zhì)采樣求得的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)平均值如圖1所示。由圖1可知，總氮的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)最高，表明河段總氮的污染最為嚴(yán)重，其次是總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)，說明該河段屬于有機型及富營養(yǎng)化污染。黃河托克托段屬于集中飲用水地表水源地二級保護區(qū)，因此以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》Ⅲ類要求作為黃河托克托段的目標(biāo)水質(zhì)。而整個監(jiān)測河段總氮(TN)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù) 在4.31～8.25間，平均值為5.766，劣于目標(biāo)水質(zhì)2個等級。45次水質(zhì)采樣測定總氮(TN)的濃度值最高出現(xiàn)在8月份大黑河斷面，高出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)上限(2 mg/L)約10倍?？偭?TP)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù) 范圍介于2.00～8.35，平均值為5.44，劣于目標(biāo)水質(zhì)2個等級。化學(xué)需氧量(COD)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù) 范圍介于3.10～6.83，化學(xué)需氧量(COD)濃度均值32.84 mg/L已接近Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值的上限(40 mg/L)，最高濃度值高出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值近7倍。氨氮(NH3-N)的水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)范圍1.20～5.23，單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù) 平均值為2.55，符合水質(zhì)目標(biāo)要求。

表3 黃河托克托縣段單因子(Pi)及綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Iwq)評價結(jié)果

圖1 黃河托克托段水質(zhì)指標(biāo)單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)(Pi)平均值

2.3 水質(zhì)狀況時空分布特征

依據(jù)表4中Iwq值的分級標(biāo)準(zhǔn)，判別內(nèi)蒙古托克托河段的水質(zhì)類別。由表4可知，不同時間不同采樣斷面所有的水質(zhì)級別中達到Ⅲ目標(biāo)水質(zhì)的比例僅占13%，水質(zhì)整體處于Ⅳ類水，大黑河采樣斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Iwq值達到5.74，屬于劣Ⅴ類水體。對同一采樣時間不同斷面的Iwq值取平均值，大小順序依次為8月(5.19)>4月(5.09)>6月(4.49)>5月(4.42)>7月(4.29)，說明托克托河段的水質(zhì)總體上是8月的水質(zhì)最差，4月次之，5，6和7月水質(zhì)稍好。

表4 黃河托克托縣段綜合水質(zhì)級別

從空間分布上看，水質(zhì)最差的8月河段各斷面水質(zhì)級別Iwq值均在4.4以上，其中大黑河斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)達到7.12，為劣Ⅴ類(黑臭)如圖2所示。野外采樣觀測大黑河斷面的水體成黑色并伴有惡臭味，該計算結(jié)果與實際情況相吻合，水體呈黑色并伴有惡臭味。其原因為大黑河支流是黃河托克托河段干流唯一的季節(jié)性匯入河流，大黑河接納的水體主要來源于降水地表徑流、城區(qū)的工業(yè)和生活污水，進入8月份雨季后，攜帶污染物的雨污水經(jīng)大黑河排入黃河干流，對下游蒲灘拐斷面處“引黃入呼”取水口取用水產(chǎn)生影響。對采集水樣進行水質(zhì)指標(biāo)測定分析可知大黑河斷面對該河段有機型及富營養(yǎng)化污染的主要貢獻因子為TN和COD。根據(jù)各水質(zhì)斷面Iwq值的平均值可知，河段各斷面的污染程度從大到小依次為大黑河、頭道拐、柳林灘、付家河頭、河口鎮(zhèn)、巨合灘大橋、黑圪澇灣、神泉、蒲灘拐，下游的水質(zhì)整體上好于上游段水質(zhì)。從4月份 值來看，河段各斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)介于4.7～5.8，水質(zhì)屬于Ⅳ—Ⅴ類水。黃河干流4月上游來水量較少，河道流量小，加之水位溫度低自凈能力比較弱，水質(zhì)較差。其他月份各斷面的 值，大黑河入河口斷面處的Iwq值均最大，該斷面處的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)介于4.5～7.1，屬于Ⅳ—劣Ⅴ類水。以大黑河斷面為界，下游水質(zhì)受水體自凈作用影響而逐漸變好，上游各斷面水質(zhì)基本上為Ⅳ—Ⅴ類水，下游各斷面水質(zhì)基本上為Ⅲ—Ⅳ類水。

圖2 黃河托克托段沿程綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的比較

注：1頭道拐； 2柳林灘； 3付家河頭； 4大黑河；5河口； 6巨河灘； 7黑圪澇灣； 8神泉； 9蒲灘拐。

3 結(jié) 論

(1) 黃河托克托段水質(zhì)狀況整體是Ⅳ類水，8月份水質(zhì)最差，4月份次之，5—7月略好；水體的主要污染因子為TN，TP，COD，說明黃河托克托段屬于有機型及富營養(yǎng)化污染。

(2) 由于大黑河接納了周邊城鎮(zhèn)工業(yè)和生活污水，導(dǎo)致該斷面在各個月份 值最大，水質(zhì)最差，達到劣五類水，其上、下游各斷面水質(zhì)好于該斷面，為Ⅳ—Ⅴ類水。

(3) 基于主成分因子分析和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的水質(zhì)評價方法可以篩選出主要的污染指標(biāo)并建立評價體系，準(zhǔn)確客觀反映水質(zhì)特征的同時可對不同斷面水質(zhì)進行比較。