基于多元統(tǒng)計(jì)的長(zhǎng)江干流荊州斷面水質(zhì)分析

戴捷,陳麗君，吳先威，王燕易俊，謝遠(yuǎn)莎，吳夢(mèng)霞(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與化境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

長(zhǎng)江發(fā)源于青藏高原格拉丹東山脈，由西向東在上海匯入東海，全長(zhǎng)約6300km。隨著長(zhǎng)江流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及人口增長(zhǎng)，沿江工業(yè)廢水和生活污水的排放逐年增加，水質(zhì)污染日趨嚴(yán)重[1]。為了有效反映水質(zhì)變化趨勢(shì)，指導(dǎo)長(zhǎng)江干流荊州斷面污染防治工作，筆者用2011～2017年長(zhǎng)江干流荊州斷面的常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法(系統(tǒng)聚類分析法、相關(guān)性分析法和主成分分析法)對(duì)斷面水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，以期為長(zhǎng)江干流水資源保護(hù)與可持續(xù)利用決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

荊州市地處湖北省中南部、長(zhǎng)江中游、漢江平原腹地，長(zhǎng)江自西向東橫貫全市，全長(zhǎng)483km，多年平均徑流量4689×108m3。地理位置為東經(jīng)111°14′～114°05′，北緯29°26′～31°37。長(zhǎng)江流域荊州段是自松滋車陽(yáng)河進(jìn)入境內(nèi)，經(jīng)江陵、公安、石首、監(jiān)利，于洪湖市胡家灣出境，境內(nèi)長(zhǎng)483km(主航道441km)。圖1為荊州市境內(nèi)長(zhǎng)江干流分布圖。

1.2 研究方法

1.2.1系統(tǒng)聚類分析法

系統(tǒng)聚類分析法是一種廣泛應(yīng)用的聚類分析方法，分為變量聚類和樣品聚類。其思想是先將每一個(gè)個(gè)體看作一類，然后將相近程度最高的兩類進(jìn)行合并組成新類，再將該新類與相似度最高的類進(jìn)行合并。不斷重復(fù)此過(guò)程，直到所有的個(gè)體都?xì)w為一類[2]。筆者采用廣泛的等級(jí)聚類法，以歐氏距離度量樣本之間的距離，運(yùn)用Ward算法生成具有層次結(jié)構(gòu)的聚類樹(shù)。

1.2.2相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是指對(duì)2個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量2個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。相關(guān)性的元素之間需要存在一定聯(lián)系或者概率才可以進(jìn)行相關(guān)性分析[3]。

圖1 荊州市境內(nèi)長(zhǎng)江干流分布圖

1.2.3主成分分析

主成分分析是一種數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化技術(shù)，通過(guò)研究眾多變量之間的內(nèi)部依賴關(guān)系，探求觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的基本結(jié)構(gòu)，并用少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立的不可觀測(cè)變量來(lái)表示其基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這幾個(gè)假想變量因子能夠反映原來(lái)眾多變量的主要信息，原來(lái)的變量可以用這些提取出來(lái)的因子的線性組合表示。水質(zhì)分析中常用因子分析提取污染因子對(duì)污染源定性識(shí)別，也有研究者采用該方法評(píng)價(jià)河流監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)的合理性和識(shí)別水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)重要性[4]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

選取的指標(biāo)包括pH值、總氮含量、總磷含量、生化需氧量、氨氮含量、化學(xué)需氧量、高錳酸鉀指數(shù)、溶解氧含量、電導(dǎo)率、總氰化物含量以及砷、硒、汞、銅、鋅、鉛和鎘等的含量，采樣時(shí)間為2011年至2017年，每月采集一次，每次采集3個(gè)水樣，采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)方法進(jìn)行測(cè)定與分析。通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用Kurtosis 和Skewness 檢驗(yàn)污染指標(biāo)的分布特征，數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)結(jié)果分別為-0.625～1.526 和-1.02～1.173(置信區(qū)間為95%)，可認(rèn)為近似于正態(tài)分布，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值為0 、方差為1標(biāo)準(zhǔn)化處理。主成分分析前先進(jìn)行KMO和巴特利球體檢驗(yàn)，KMO檢驗(yàn)系數(shù)>0.5，P<0.05(P值代表將觀察結(jié)果認(rèn)為有效即具有總體代表性的犯錯(cuò)概率)時(shí)表示數(shù)據(jù)取自正態(tài)分布，變量之間的相關(guān)性得到認(rèn)可，原始數(shù)據(jù)適合進(jìn)行主成分分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 長(zhǎng)江干流荊州段2011～2017年水質(zhì)變化情況

對(duì)2011～2017年期間長(zhǎng)江干流5個(gè)斷面水質(zhì)參數(shù)年變化量進(jìn)行分析。由于總氰化物、砷、硒、汞、銅、鋅、鉛、鎘等的年含量變化不明顯且對(duì)照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都符合Ⅲ類水質(zhì)，故不對(duì)其進(jìn)行分析。選取pH值、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧含量、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮含量、總氮含量、總磷含量等進(jìn)行年變化分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)江干流荊州斷面水質(zhì)參數(shù)年變化

長(zhǎng)江干流荊州河段2011～2017年5個(gè)斷面的pH值均在7～9，偏堿性。5個(gè)斷面全年溶解氧含量均高于7.3mg/L(2012年觀音寺斷面溶解氧含量高達(dá)10.32mg/L)，優(yōu)于地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，也遠(yuǎn)高于大多數(shù)魚(yú)類生存的限值3mg/L。高錳酸鹽指數(shù)是反映水體中有機(jī)及無(wú)機(jī)可氧化物質(zhì)污染的常用指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)其富營(yíng)養(yǎng)化程度的指標(biāo)之一[5]，5個(gè)斷面的高錳酸鹽指數(shù)均低于地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(4mg/L)。2011～2012年生化需氧量均符合地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，而2013～2017年5個(gè)斷面均符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。總氮含量和總磷含量是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素，5個(gè)斷面的總氮含量均高于地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(1mg/L)，2015年五嶺子斷面總氮含量高達(dá)2.38mg/L；5個(gè)斷面總磷含量均不符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，這是由于長(zhǎng)江流域廢污水排放量逐年增加的結(jié)果，長(zhǎng)江干流及較大支流存在富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[6]。另外，五嶺子斷面氨氮含量、高錳酸鉀指數(shù)、生化需氧量以及總氮含量均高于其他4大斷面，由此說(shuō)明其富營(yíng)養(yǎng)化程度較其他斷面高。

3.2 聚類分析

以往研究尚未充分考慮時(shí)間尺度的影響，而是按照4個(gè)季度或汛期/非汛期分別進(jìn)行空間分析，然而，水質(zhì)的時(shí)間尺度分布特征在特定的區(qū)域并非完全與4個(gè)季度或汛期/非汛期保持一致[7]，以2016年觀音寺斷面12個(gè)月常規(guī)水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)為例對(duì)此進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可知，2016年觀音寺斷面12個(gè)月分為3個(gè)類：第1類是2、4和6～12月；第2類是5月；第3類是1月和3月。因此，筆者不按季節(jié)分類直接用聚類分析結(jié)果進(jìn)行分析。

圖3 2016年觀音寺斷面水質(zhì)聚類分析結(jié)果

圖4 2011～2017年水質(zhì)聚類分析結(jié)果

2011～2017年水質(zhì)聚類分析結(jié)果如圖4所示。從聚類分析結(jié)果上看，長(zhǎng)江干流荊州斷面2011～2017年5個(gè)斷面可分為3類(如圖4所示)，依次定義為Ⅰ級(jí)(良好)、Ⅱ級(jí)(一般)、Ⅲ級(jí)(較差)[8]。

調(diào)關(guān)斷面2011～2017年、五嶺子斷面2011～2012年和江陵柳口斷面2011年分為第1類，這一類流域水質(zhì)較于其他較差；其中五嶺子斷面2011～2012年、調(diào)關(guān)斷面2011～2017年的總氮含量嚴(yán)重超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可判斷為Ⅲ級(jí)水質(zhì)。江陵柳口斷面和五嶺子斷面部分水質(zhì)指標(biāo)也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但水質(zhì)總體良好。磚瓦廠斷面(2011、2012、2014年)和觀音寺斷面2012年為第2類，水質(zhì)較第1類有明顯好轉(zhuǎn)，總磷含量和氨氮含量均比第1類低且達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但總氮含量依然超標(biāo)嚴(yán)重可判斷為Ⅱ級(jí)水質(zhì)。觀音寺斷面(2011、2013～2017年)、五嶺子斷面2013～2017年、江陵柳口斷面2012～2016年和磚瓦廠(2013、2015～2017年)為第3類，水質(zhì)較第2類有顯著改善，2016～2017年江陵柳口斷面、觀音寺斷面、五嶺子斷面和磚瓦廠斷面流域的總磷含量和生化需氧量繼續(xù)大幅度降低，可判斷為Ⅰ級(jí)水質(zhì)。該分析的結(jié)果說(shuō)明水質(zhì)近年來(lái)有變好趨勢(shì)，這與近年荊州市創(chuàng)建環(huán)保模范城市、國(guó)家級(jí)生態(tài)市以及荊州市環(huán)保違法違規(guī)建設(shè)項(xiàng)目清理整頓有一定關(guān)系。

3.3 相關(guān)性分析

將常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示，pH值與硒含量、汞含量、化學(xué)需氧量和電導(dǎo)率呈正相關(guān)，與銅含量、砷含量、總磷含量、高錳酸鉀指數(shù)、氨氮含量、鉛含量和鎘含量呈負(fù)相關(guān)；說(shuō)明pH值是影響這幾種重金屬分布的重要因素，當(dāng)pH值較高時(shí)，氨氮可以返回大氣或者以氮?dú)庑问交氐酱髿庵?，也有部分被水生植物所消耗，部分被底質(zhì)吸附，從而引起氨氮含量降低[9]。溶解氧含量與砷含量、化學(xué)需氧量、鉛含量和鎘含量呈負(fù)相關(guān)；溶解氧含量越高表示水體含氧越豐富，水質(zhì)也相對(duì)較好?；瘜W(xué)需氧量與鉻、硒、汞和銅等的含量呈正相關(guān)，與砷、鉛和鎘的含量呈負(fù)相關(guān)。生化需氧量與氨氮、總磷、硒、汞和銅的含量呈正相關(guān)，與電導(dǎo)率和砷、鉛和鎘的含量呈負(fù)相關(guān)。氨氮含量與總磷和鋅的含量呈正相關(guān)，與電導(dǎo)率和砷、鎘的含量呈負(fù)相關(guān)，與總氮含量呈正相關(guān)。電導(dǎo)率與砷、鉛、鎘的含量呈正相關(guān)，與銅、總氮的含量呈負(fù)相關(guān)。砷含量與鉛、鎘的含量呈正相關(guān)；硒含量與汞含量呈正相關(guān)，與鎘含量呈負(fù)相關(guān)；汞含量與銅、鎘的含量呈負(fù)相關(guān)；鋅、鎘的含量與鉛含量呈正相關(guān)。表明重金屬之間也有不同程度的相關(guān)性，其分布可能受同樣的因素控制(如礦物質(zhì))或具有相似的來(lái)源[10]。

表1 相關(guān)性分析結(jié)果

注:＊＊為在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)(極顯著) ; *為在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)(顯著) 。

3.4 主成分分析

表2 KMO和巴特利球體檢驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步了解長(zhǎng)江干流荊州斷面水質(zhì)主要污染物，采用主成分分析法識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)因子。利用SPSS22.0軟件包分別計(jì)算特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率、旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣。KMO和Bartlett檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

長(zhǎng)江干流荊州河段2011年水質(zhì)KMO檢驗(yàn)系數(shù)為0.652，大寧調(diào)蓄水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)KMO檢驗(yàn)系數(shù)為0.652，P<0.05，可以采用因子分析識(shí)別水體主要污染物。根據(jù)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%即可保留原有水質(zhì)參數(shù)的有效信息的原理[11，12]，將其提取公因子6個(gè)(特征值>1)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.083%，能反映原始數(shù)據(jù)的基本信息。采用最大方差法旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣如表3所示，影響長(zhǎng)江干流有6個(gè)主要因子F1、F2、F3、F4、F5和F6。

表3 空間分析的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

文獻(xiàn)[13]認(rèn)為當(dāng)因子載荷值在大于0.75、0.75～0.5和0.5～0.3時(shí)，分別代表強(qiáng)相關(guān)、中度相關(guān)和弱相關(guān)。該研究主要考慮中度相關(guān)與強(qiáng)相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)，從表3可知，長(zhǎng)江干流荊州斷面提取的6個(gè)主要因子中，F(xiàn)1的貢獻(xiàn)率為20.613%，其中因子載荷值在大于0.75和0.75～0.5的3個(gè)指標(biāo)分別為生化需氧量、硒含量和汞含量，其中生化需氧量(0.667)與F1呈中度正相關(guān)關(guān)系，硒含量 (0.937)和汞含量 (0.938)與F1呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系；F2的貢獻(xiàn)率為17.573%，分別與總氰化物含量(0.595)、鋅含量 (0.512)呈中度正相關(guān)，與鉛含量 (0.799)和砷含量 (0.775)呈強(qiáng)正相關(guān)；F3的貢獻(xiàn)率為14.404%，與高錳酸鉀指數(shù)(0.614)、氨氮含量 (0.747)和總磷含量 (0.620)呈中度正相關(guān)；F4的貢獻(xiàn)率為12.278%，與銅含量 (0.75)呈強(qiáng)正相關(guān)，與鋅含量 (0.503)和總氮含量 (0.684)呈中度正相關(guān)；F5的貢獻(xiàn)率為10.913%，與溶解氧含量 (0.804)呈強(qiáng)正相關(guān)；F6的貢獻(xiàn)率為9.332%，與化學(xué)需氧量 (0.614)和鉻含量(0.639)呈中度正相關(guān)。

F1和F2中生化需氧量與硒和汞的含量呈顯著正相關(guān)，總氰化物含量與鋅、鉛和砷的含量呈顯著正相關(guān)，表明生化需氧量可能是影響硒和汞分布的重要因素，總氰化物的含量可能是影響鋅、鉛和砷分布的重要因素[14]；F3包括氨氮含量、高錳酸鉀指數(shù)和總磷含量，其中氨氮的點(diǎn)源污染主要來(lái)自城鎮(zhèn)排放的含有大量有機(jī)總氮和無(wú)機(jī)總氮污染物的工業(yè)廢水和生活污水，這些污染物在微生物的作用下分解成氨氮[15]，若是水體中總氮和總磷的含量較高，且同時(shí)具備水溫較高、水體流動(dòng)慢等適宜條件則易引起水華，影響供水水質(zhì)，威脅供水安全，因此需要密切關(guān)注[16]；F4中總氮含量與銅、鉛的含量呈顯著正相關(guān)，總氮含量可能是影響銅和鉛分布的重要因素[17]；F5中為水質(zhì)檢測(cè)的常規(guī)指標(biāo)溶解氧含量，溶解氧含量越高表明水質(zhì)越好[18]；F6中重金屬鉻與化學(xué)需氧量可能同源，而觀音寺斷面、江陵柳口斷面、五嶺子斷面、調(diào)關(guān)斷面和磚瓦廠斷面均具有工業(yè)生產(chǎn)集中和人口密集等特點(diǎn)。

因子得分反映各監(jiān)測(cè)斷面的污染狀況(見(jiàn)表4)，因子得分越高表明水質(zhì)越差，2016年和2017年調(diào)關(guān)斷面及2011年五嶺子斷面得分最高，污染最為嚴(yán)重；2017年江陵柳口斷面、2017年磚瓦廠斷面和2011年調(diào)關(guān)斷面得分最小，水質(zhì)最好。這與圖2的分析結(jié)果一致。

表4 監(jiān)測(cè)斷面因子得分表

4 結(jié)論

選取了長(zhǎng)江干流荊州斷面2011～2017年觀音寺、江陵柳口、調(diào)關(guān)、五嶺子和磚瓦廠等5個(gè)斷面的常規(guī)指標(biāo)，運(yùn)用聚類分析、Pearson相關(guān)性分析和主成分析法對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

1)pH值、溶解氧含量、高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量均保持在地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以上，氨氮含量、生化需氧量和總磷含量保持地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以上，總氮含量均超過(guò)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)的Ⅲ類水質(zhì)，呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

2)聚類分析結(jié)果表明，長(zhǎng)江干流荊州河段2011～2017年水質(zhì)在時(shí)間和空間上可分為3類(見(jiàn)圖4)，依次定義為Ⅰ級(jí)(良好)、Ⅱ級(jí)(一般)、Ⅲ級(jí)(較差)。五嶺子斷面和調(diào)關(guān)斷面2011～2017年的總氮含量超過(guò)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，屬于第Ⅲ級(jí)水體。

3)通過(guò)相關(guān)性分析與主成分分析，因子F1和F2中有機(jī)質(zhì)含量與硒、汞的含量呈顯著正相關(guān)，表明有機(jī)質(zhì)可能是影響硒和汞分布的重要因素，F(xiàn)3中包括氨氮含量、高錳酸鉀指數(shù)和總磷含量；F4中總氮含量與銅、鉛的含量呈顯著正相關(guān)，總氮含量可能是影響銅和鉛分布的重要因素；F5中為水質(zhì)檢測(cè)的常規(guī)指標(biāo)溶解氧含量，溶解氧含量越高表明水質(zhì)越好；F6中重金屬鉻含量與化學(xué)需氧量同源，觀音寺、江陵柳口、五嶺子、調(diào)關(guān)和磚瓦廠這5個(gè)斷面均具有工業(yè)生產(chǎn)集中、人口密集等特點(diǎn)。調(diào)關(guān)斷面2016年和2017年、五嶺子斷面2011年污染最為嚴(yán)重，2017年江陵柳口斷面、2017年磚瓦廠斷面和2011年的調(diào)關(guān)斷面水質(zhì)較好。

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