伊犁河伊寧市段夏季水環(huán)境特征分析

謝阿廷，程 艷，趙晨曦，胡 霞，張 健，王 悅

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆環(huán)境污染控制與風險預警重點實驗室，烏魯木齊 830011；3.新疆環(huán)境保護科學研究院，烏魯木齊 830011；4.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046)

0 引 言

【研究意義】水質(zhì)評價是對水環(huán)境質(zhì)量狀況的定性分析與定量評定、是關于水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀和變化的理論、方法及其應用技術的科學，對水體的污染程度進行等級劃分和確定污染類型的過程，通過對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理評價，才能制定科學的整治規(guī)劃采取有效的措施[1]。隨著水資源的匱乏，對水資源、水環(huán)境的優(yōu)劣也日益關注，水質(zhì)評價的重要性也凸顯出來了，對于流域附近的居民，河流水質(zhì)的狀況影響著生活環(huán)境的舒適，對河流水質(zhì)的評價也具有一定的實際意義。近年來對伊犁河流域的研究，大部分集中于伊犁河生物群落結(jié)構(gòu)的分析研究，鮮有對伊犁河流域的綜合水質(zhì)進行評價，而對該流域水質(zhì)的評價具有重要意義，為水環(huán)境污染防控提供科學依據(jù)和技術支撐?！厩叭搜芯窟M展】有關水質(zhì)評價的方法很多，主要分為單因子評價法[2]、綜合污染指數(shù)法、模糊評價法、灰色評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法和主成分分析法[3]。單因子評價法方法簡單，是以最差水質(zhì)指標所屬類別作為綜合水質(zhì)類別，但卻無法判斷水體的整體污染情況；污染指數(shù)法無法對斷面水質(zhì)類別進行定性判斷，卻能反映水體的相對污染程度。其他綜合評價方法是基于水質(zhì)分析是一個多因素、多指標的復雜過程，從而采用一些合理的數(shù)學模式，對這些諸多因素進行綜合，以便做出合理評價或分析，其結(jié)果往往反映的是對象的綜合性特征，及其個體在整體中的綜合表現(xiàn)，是對單因子分析、綜合指數(shù)分析等方法的合理補充。因此，采用多方法進行水質(zhì)評價是全面判別水體污染狀況的必然趨勢。例如，李曉航等[4]采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法對艾比湖流域水質(zhì)進行了水質(zhì)評價，并探討了艾比湖流域的總體污染狀況。上述綜合性方法中，主成分分析法具有從大而復雜的數(shù)據(jù)庫獲得更好的關于水質(zhì)和分析的信息分析，并能有效地識別染源[5-6]。伊元榮等[7]采用多元統(tǒng)計主成分分析方法對伊犁河進行水質(zhì)評價，結(jié)果表明，主成分分析方法能真實、準確分析出城市河流各水質(zhì)指標的內(nèi)在關系。周豐等[8]提出了一種基于多元統(tǒng)計分析和RBFNNs的水質(zhì)評價方法，對各組樣本進行水質(zhì)評價，評價結(jié)果與傳統(tǒng)單項指數(shù)法的結(jié)果基本一致。【本研究切入點】不同的方法有各自不同的優(yōu)缺點，其評價結(jié)果所表達的水環(huán)境特征也不盡相同。目前，研究所涉及到的河段僅有2個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點，而河段內(nèi)城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖等各類污染源分布較為密集，該河段夏季的水污染較為復雜和顯著，現(xiàn)有監(jiān)測點位和資料遠不能合理反映區(qū)域水質(zhì)的現(xiàn)狀特征，因此，選取多個有效斷面及水質(zhì)評價方法的聯(lián)用對伊犁河水污染管理與防控具有重要意義?！緮M解決的關鍵問題】通過在夏季7月對研究河段進行水質(zhì)加密監(jiān)測并運用單因子評價法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、重金屬水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)法、主成分分析法，對伊犁河河段水環(huán)境特征進行評價分析，全面掌握研究河段的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀特征，為水環(huán)境污染防控提供科學依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究河段位于伊犁河伊寧市段，河段總長約40 km，自東向西流，水深較淺，水流湍急，水體自凈能力較強，河道南北側(cè)均有河道或排水口匯入，南岸以休閑生活為主，多為漁業(yè)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉和景觀生活用水；北岸則以城市、工業(yè)園區(qū)為主，工業(yè)用水多由城西污水處理廠集中處理后排入河內(nèi)。為較全面評價研究河段水環(huán)境質(zhì)量狀況，考慮到河道兩側(cè)污染來源的差異性，分別于河段南北岸各選取5個斷面，北岸斷面為A1、A4、A8、A9、A10、南岸斷面為A2、A3、A5、A6、A7。

2015年7月20～25日，按照《水質(zhì)采樣技術指導》(HJ 494-2009)要求，現(xiàn)場用PH-B-1型酸度計和YSI-85-25型便攜式多功能水質(zhì)分析儀對pH值、水溫、溶氧、電導率、進行現(xiàn)場測定；采集0～50 cm的上層水，水樣封存于不同材質(zhì)的瓶子中，依次編號，加適量保護劑后，低溫保存(4℃)。圖1

圖1 采樣點位置
Fig.1 Location of sampling points

1.2 方 法

1.2.1 水樣指標的選擇

根據(jù)西北地區(qū)水體污染情況和有關水質(zhì)評價的文獻[9-11]，選取具有該河段特征污染性質(zhì)的氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、陰離子表面活性劑、溶解氧、氯化物、以及重金屬六價鉻、銅、鉛、鋅、鎘、錳、砷、鐵等指標為該河流段的水質(zhì)評價指標。

1.2.2 評價標準的確定

該河段水質(zhì)目標為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中的Ⅱ類標準，則以此標準作為研究河段水質(zhì)評價的依據(jù)標準。

1.2.3 評價方法

1.2.3.1 單因子評價法

單因子評價法是最直接、簡單明了的水質(zhì)評價方法，是《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中推薦的水質(zhì)評價方法之一。其方法為在所有參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標中選擇水質(zhì)最差的單項指標所屬類別來確定所屬水域綜合水質(zhì)類別。

計算公式如下：

式中，Sij：單項水質(zhì)評價因子i在第j取樣點的標準指數(shù)；Cij：水質(zhì)評價因子i在第j取樣點的濃度，(mg/L)；Csi：水質(zhì)評價因子i的評價標準，(mg/L)。

1.2.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)

內(nèi)梅羅指數(shù)是兼顧極值和平均值的一種計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評價法，能夠全面反映水體污染現(xiàn)狀并甄別出主要污染物，是水質(zhì)評價的常用方法之一。計算表達式為：

式中，Ci為項目i的實測濃度；Cs為項目i的標準值；max(Pi)為項目單因子污染指數(shù)的最大值；ave(Pi)為各項目單因子污染指數(shù)的平均值。內(nèi)梅羅指數(shù)的評價標準[11]：當PN≤0.7時，表示無污染；當0.72時，表示強污染。

1.2.3.3 重金屬污染水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)

以1.2.2中的Ⅱ類水質(zhì)標準作為該河流域水中重金屬污染評價參照標準，使用水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)法對水中的重金屬污染進行評價：

式中，Ci為重金屬i的實測濃度；Qi為重金屬i對應的水質(zhì)標準；Ai為重金屬i的污染指數(shù)；WQI為水中重金屬的水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)。

根據(jù)WQI的值，將河水中的重金屬污染情況分為4個等級[12]，當WQI≤1時，表示無污染；當13時，表示強污染。

1.2.3.4 主成分分析法

是英國生物學家Kart Pearson在20世紀初提出來的。能夠綜合評價指標，分析多種水污染因子在各斷面的污染程度，并能有效的識別污染源。即能減少參與數(shù)據(jù)分析的變量個數(shù)，同時也不會造成統(tǒng)計信息的大量浪費和丟失。在進行因子分析之前先對數(shù)據(jù)進行KMO和巴特利特檢驗，KMO檢驗是為了看數(shù)據(jù)是否適合因子分析，結(jié)果為KMO值為0.624，一般認為在0.6左右適合做因子分析，Sig.值為0小于0.001，表明監(jiān)測數(shù)據(jù)適合做因子分析。計算步驟如下：

(1)將原始數(shù)據(jù)xij標椎化，以后的變量為z1，z2，……zp，標準化數(shù)據(jù)矩陣，以消除變量間在數(shù)量級和量綱上的不同。

(2)求標準化數(shù)據(jù)的相關矩陣rij及相關矩陣的特征值λ和特征向量。

(3)計算方差貢獻率與累積方差貢獻率。

(4)確定因子：設F1，F(xiàn)2，....，F(xiàn)p為p個主成分，其中前m個因子包含的數(shù)據(jù)信息總量(及累計貢獻率)不低于85%，從而選取主成分個數(shù)。

(5)用原指標的線性組合來求各主成分得分F，以各主分的方差貢獻率為權(quán)，由各因子的線性組合得到綜合評價指標函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬污染水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)

通過對重金屬指標進行評價，各采樣點位水體中重金屬的水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)值較低，WQI范圍為：0.001～0.63，表明研究河段不存在重金屬污染。表1

表1 重金屬污染水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)
Table 1 Ater quality index of heavy metal pollution

指標Index六價鉻Cr6+銅Cu鋅Zn鎘Cd錳Mn砷AsWQI0.120.0010.0010.50.630.06

2.2 單因子評價法

研究表明，氨氮除A8斷面處于Ⅱ類水體外，其它斷面均在Ⅰ類水平?？偟狝3、A4屬于Ⅱ類水體，A1、A2、A10、屬于Ⅲ類水體，A7、A9為Ⅳ類水體，A8、A5為Ⅴ類水體，A6為劣Ⅴ類水體，90%的斷面未達到標準要求，總氮污染較為突出?？偭讓儆冖蝾愃w的斷面有A3、A7、A8、A10，屬于Ⅲ類水體的有A1、A2、A4、A6、A9，A5達到Ⅳ類水體，存在超標現(xiàn)象。高錳酸鹽除A5斷面Ⅱ類水體外，其它斷面均為Ⅰ類水體；化學需氧量A3、A4、A7屬于Ⅲ類水體，A1、A2、A9、A8、A6、A10屬于Ⅳ類水體，A5屬于Ⅴ類水體，超標較為普遍。陰離子表面活性劑均處于Ⅰ類水平。

主要污染指標的空間分布情況為：總氮處于中度污染，其最大值(4.10)出現(xiàn)在采樣點A6，為劣Ⅴ類水體；總磷處于輕度污染，其最大值(2.40)出現(xiàn)在采樣點A5，為Ⅳ類水體；化學需氧量處于輕度污染，其最大值(2.12)出現(xiàn)在采樣點A5，為Ⅴ類水體。圖2

圖2 單因子指數(shù)
Fig.2 Single factor index

2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)

研究表明，河段水體綜合水平良好，整體表現(xiàn)為耗氧性有機污染；水體中主要污染物為總氮、總磷、化學需氧量，其中總氮為強污染物。研究河段總氮、總磷、化學需氧量的污染與農(nóng)業(yè)用水中作物沒吸收的化肥和農(nóng)藥的殘留及居民污水和牲畜糞便等流入流域的污染源息息相關，也與岸邊植被樹木凋落的腐殖物質(zhì)有關。表2

表2 評價因子內(nèi)梅羅指數(shù)
Table 2 Nemerow index evaluation factor

評價因子Factor氨氮NH4+總氮TN總磷TP化學需氧量COD陰離子表面活性劑An-ionic surfactan溶氧Do氯化物Cl高錳酸鹽指數(shù)KMno4Pn0.562 53.276 91.881 81.824 20.348 70.731 30.088 10.482 3污染程度無污染強污染中污染中污染無污染低污染無污染無污染

內(nèi)梅羅指數(shù)的評價結(jié)果與單因子評價法結(jié)果具有一致性。研究河段總氮為強污染，總磷、化學需氧量為低污染。表明研究河段水體以營養(yǎng)鹽污染和有機污染為主。

2.4 主成分分析

為進一步明確影響不同監(jiān)測斷面的主要污染指標，及其主要污染因子的空間分布綜合特征，用主成分分析對10個斷面的8個水質(zhì)指標進行因子分析，提取特征值大于1的若干個主成分，同時得到各組分貢獻率與各指標的關系。依據(jù)Kaiser-Harris準則提取特征值大于1的主成分，所以只選擇了前兩個主成分，第一個主成分的方差貢獻率是71.269%，前兩個主成分方差占所有主成分方差的87.849%，由此可見，選前兩個主成分足夠替代原來的變量，幾乎涵蓋了原變量的全部信息。其中第一個主成分在氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量變量上有較大的載荷，所以其反映的是這些變量的信息，第二個因子反映的是總氮的變量信息。表3

根據(jù)監(jiān)測指標數(shù)據(jù)的標椎化與成分得分系數(shù)，由此直接寫出各公因子的表達式

F1=0.252×Z氨氮-0.166×Z總氮+0.182×Z總磷+0.089×Z化學需氧量-0.311×Z溶氧+0.118×Z高錳酸鹽指數(shù)-0.174×Z氯化物+0.251×陰離子表面活性劑

F2=-0.095×Z氨氮+0.489×Z總氮+0.002×Z總磷+0.12×Z化學需氧量+0.215×Z溶氧+0.122×Z高錳酸鹽指數(shù)+0.511×Z氯化物-0.093×Z陰離子表面活性劑

F=[λ1/(λ1+λ2)]F1[λ2/(λ1+λ2)]F2.

表3 F綜合得分
Table 3 F Comprehensive Score

水樣編號Sample numberF1得分F1 scoreF1排名F1 rankingF2得分F2 scoreF2排名F2 ranking綜合得分FComprehensive scoreF排名F rankingA1-0.1215-0.4547-0.1835A2-0.1286-0.5408-0.2056A3-0.2678-0.97210-0.4008A4-0.0074-0.8099-0.1584A52.16011.54212.0431A60.03931.06020.2323A7-0.2547-0.2226-0.2487A8-0.945100.4263-0.68710A90.05020.18640.6932A10-0.5279-0.2185-0.4699

研究表明(1)研究河段整體表現(xiàn)為河段北岸污染高于南岸。(2)由于水體流速的作用，將上游污染物帶到下游水域，上游水質(zhì)好于下游。(3)A5斷面F1得分較高，說明該斷面受氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量影響較大，該斷面主要是受農(nóng)田退水及生活污水的影響，該斷面上游為污水處理廠及工業(yè)集中區(qū)。A5、A6斷面F2得分較高，表示該斷面受總氮影響較大?？偟奈廴九c農(nóng)業(yè)污水和居民污水牲畜糞便有關，這兩個斷面均在污水處理廠附近。A5斷面的綜合得分第一，且遠甚于其它斷面，污染較其它斷面來說比較嚴重，主要的影響因子分別是總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量，流域污染表現(xiàn)為有機污染。

主成分分析法的結(jié)果表明，研究河段的A5、A9、A6斷面水質(zhì)較差，主要的影響因子分別是總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量，表明研究河段水體以有機污染為主，河段的上游區(qū)域水質(zhì)好于下游區(qū)域。

3 討 論

主成分分析法目前是運用較多的評價方法之一，操作簡單，減少主觀誤差這與廉鐵輝等[13](2017)對主成分分析法的評價結(jié)論一致。而除了采用主成分分析法之外，更結(jié)合單因子評價法和綜合污染指數(shù)法聯(lián)合評價河流流域，使結(jié)果更具有準確性。

孫博等(2016)[14]和王洪濤等(2016)[15]采用主成分分析法對河流沉積物中的重金屬污染進行評價，得到污染強度的結(jié)論，而研究采用主成分分析法對水質(zhì)指標進行評價，因為該流域的重金屬無污染。得到伊犁河流域的氮元素污染最為嚴重，總氮的污染程度是強污染，但該流域卻并不只是受氮元素的單一污染，除了氮元素污染外，還伴隨著總磷，化學需氧量等其他污染物質(zhì)，流域變現(xiàn)為典型的有機污染的結(jié)論。因此，采用多方法對河流進行水質(zhì)評價是全面判別水體污染狀況的必然趨勢。

4 結(jié) 論

4.1 通過單因子評價法和內(nèi)梅羅指數(shù)法可以明確該河流段的主要污染因子為總氮、總磷、化學需氧量，其中總氮最大超標倍數(shù)為4.36，超標率達93.8%；總磷最大超標倍數(shù)為6.37，超標率達75%；化學需氧量最大超標倍數(shù)為3.2，超標率達100%。表明研究河段水體以營養(yǎng)鹽污染和有機污染為主，河段的中下游區(qū)域為污染較為嚴重的區(qū)域。

4.2 通過重金屬污染水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)法對該流域重金屬污染程度進行評價，研究河段水體中6種重金屬的水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)數(shù)值較低，各指標均能達到Ⅱ類水質(zhì)標準；WQI范圍為：0.001～0.63，整體污染水平為無污染。

4.3 綜合F得分中A5為最大值(2.043)，由于A5斷面水質(zhì)受工業(yè)污水與農(nóng)業(yè)污水的影響，該斷面水質(zhì)在該流域中水質(zhì)最差，A6斷面F綜合得分為0.232，主要與農(nóng)業(yè)污水和居民污水有關；整體水域表現(xiàn)為河段北面整體污染高于南面，水體污染原因與生活污水和農(nóng)業(yè)活動及工業(yè)污水有關。