清潩河流域(許昌段)水質(zhì)時空分布特征分析研究

楊志 ，張茜

(1.天津社會科學(xué)院 資源環(huán)境與生態(tài)研究所，天津300191；2.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

河流水質(zhì)可以用來反映自然和人為活動的綜合作用對河流的影響。自然條件包括降水、流量等，人為因素包括人口數(shù)量、工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)面源和生活污水等的干擾等[1]。水污染的時空分布特征與水污染影響因子有著密切的關(guān)系。對河流水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測與評價(jià)，研究其時空分布特征，分析其污染成因，已成為當(dāng)下熱點(diǎn)問題。水質(zhì)時空分布特征的研究主要是利用多個采樣點(diǎn)的多年污染指標(biāo)的數(shù)據(jù)，分析其在時間和空間尺度上的離散程度[2]，為水環(huán)境的管理提供動態(tài)信息，從而有效的控制河流污染和加強(qiáng)水質(zhì)管理[3-4]。但隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，流域水污染也日趨嚴(yán)重，并受到社會各界的廣泛關(guān)注。主成分分析是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(jì)分析方法，在水質(zhì)研究中被廣泛應(yīng)用[5]。主成分分析法具有減少原始數(shù)據(jù)信息損失、簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、避免主觀隨意性的優(yōu)點(diǎn)，目前在水質(zhì)的時空分布和環(huán)境介質(zhì)評價(jià)中有廣泛的應(yīng)用。姚維科等[6]以瀾滄江流域近十年的水質(zhì)監(jiān)測資料為依據(jù)，對各采樣點(diǎn)重金屬(銅、鉛、鋅、鉻等)以及污染因子(氮、磷)等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了時間和空間分布特征的研究；盧少勇等[7]依據(jù)10年歷史數(shù)據(jù)，對太湖河流水質(zhì)的時空變化特征進(jìn)行分析，為預(yù)防和治理太湖水體富營養(yǎng)化提供依據(jù)；李森等[8]利用主成分分析法對太湖水質(zhì)進(jìn)行分析，得出前3個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率均大于85%，且第1主成分所包含的水質(zhì)參數(shù)均相同，因而用第1主成分來反映太湖水質(zhì)狀況，并進(jìn)行克里格插值研究水質(zhì)時空分布狀況。盡管如此，由于影響特定河流水質(zhì)的因素較為復(fù)雜且受時間、空間和尺度等因素的綜合作用[9-10]，識別流域水質(zhì)時空變化特征仍很具挑戰(zhàn)性。

清潩河流域是淮河流域沙潁河水系的重污染河流之一，干流全長149 km，流域面積達(dá)2 362 km2。清潩河流域基本上無天然徑流匯入，流域多年平均徑流量僅為2.7×108m3，非汛期水源以發(fā)制品、食品、紡織、造紙及皮革等工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污水為主，河流污徑比高達(dá)84%，遠(yuǎn)高于保證河流自凈能力的污徑比值(10%)。根據(jù)流域內(nèi)主要城市十一五期間的GDP 11.0%的增速發(fā)展，可以預(yù)測出2020年底該區(qū)域的GDP生產(chǎn)總值將達(dá)到1 792億元，工業(yè)快速發(fā)展所產(chǎn)生的廢水、廢氣等可能給流域環(huán)境造成更大的危害。因此，開展水質(zhì)變化的時空分布特征和水質(zhì)污染因子研究，可為流域水污染控制和綠色發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

清潩河流域的點(diǎn)源污染主要來自流經(jīng)的河南省長葛市、許昌縣、許昌市魏都區(qū)和臨潁縣所排放的工業(yè)廢水和生活污水，流域主要污染物COD和氨氮占河南省轄沙潁河流域污染物入河量的21.1%和23.1%。其中，許昌境內(nèi)約占據(jù)了流域面積的67%，且主要污染物質(zhì)的90%來自許昌段。

本文主要采用2012-2014年清潩河流域(許昌段)水質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行污染因子時間、空間變化分析和水質(zhì)綜合評價(jià)分析。但由于對各斷面進(jìn)行污染因子空間變化分析時，僅收集到年度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)過少，因此將數(shù)據(jù)系列拓展到2000年，即采用2000-2014年的年度數(shù)據(jù)進(jìn)行污染因子空間變化分析。分析斷面為清潩河流域(許昌段)的清潩河祿馬橋斷面(A)、清潩河高村橋斷面(B)、運(yùn)糧河許由路橋斷面(C)、灞陵河南外環(huán)橋斷面(D)和小泥河大石橋斷面(E)(見圖1)。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測斷面位置圖

1.2 研究方法

本研究借助SPSS 18.0軟件，應(yīng)用主成分分析法對清潩河流域(許昌段)污染因子進(jìn)行分析。主要計(jì)算步驟[11]如下：

1)建立原始變量矩陣X，由m個樣本的n個因子構(gòu)成。

(1)

(2)

3)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣，求出其特征值，相關(guān)陣的特征值由大到小排列，即可繪制碎石圖。相關(guān)系數(shù)求解公式如下：

(3)

4)主成分?jǐn)?shù)量按照方差貢獻(xiàn)率的累積來進(jìn)行確定。

(4)

p為主成分的個數(shù)，一般按照α≥80 %～85 %來選取。

5)確定主成分Fi(i=1，2，...p)的表達(dá)式。原始變量與主成分之間的相關(guān)系數(shù)即為主成分載荷。以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，對各主成分加權(quán)求和，即可得綜合評價(jià)值。

(5)

值得注意的是，在因子分析前，需要進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和巴特利球體檢驗(yàn)。

KMO檢驗(yàn)是對原始變量之間的簡相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的相對大小進(jìn)行檢驗(yàn)。計(jì)算公式為：

(6)

Bartlett球性檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)各個變量是否各自獨(dú)立。公式為：

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 污染因子時間變化分析

對2012-2014年清潩河流域(許昌段)核心區(qū)出口高村橋斷面的生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、化學(xué)需氧量、氨氮、石油類、水溫、溶解氧、總氮、糞大腸菌群、氟化物、陰離子表面活性劑、電導(dǎo)率、pH和揮發(fā)酚，共計(jì)15項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)分別進(jìn)行主成分分析。

主成分相關(guān)系數(shù)大于0.7的指標(biāo)被認(rèn)為和主成分顯著相關(guān)[12-13]。主成分分析模型最大收斂性迭代次數(shù)為100次，抽取特征值λ>1的主成分。KMO和Bartlett檢驗(yàn)結(jié)果(如表1)表明，KMO統(tǒng)計(jì)量的取值均大于0.5，主成分分析的結(jié)果是否適用，需進(jìn)一步檢查。Bartlett球形度檢驗(yàn)的卡方值均大于卡方的臨界值58.62，顯著性小于0.001。因此數(shù)據(jù)適于主成分分析。

表1 KMO和Bartlett檢驗(yàn)

根據(jù)主成分解釋量(表2)可知，2012年、2013年和2014年累積貢獻(xiàn)率分別為80.18%,75.47%,79.43%，提取的主成分均已解釋了原始信息的75%以上，滿足主成分分析的原則，說明提取的主成分可以較好的反映清潩河主要污染負(fù)荷來源的水質(zhì)信息。

表2 主成分解釋量

根據(jù)主成分載荷圖(圖2)可知，2012年，第1主成分貢獻(xiàn)率為23.15%，顯著正相關(guān)的指標(biāo)包括生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮，說明污染物類別主要為有機(jī)污染和氮。2013年，第1主成分貢獻(xiàn)率為31.77%，顯著正相關(guān)的指標(biāo)包含氨氮、化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，說明污染物類別主要為有機(jī)污染和氮。2014年，第1主成分貢獻(xiàn)率為32.90%，顯著正相關(guān)的指標(biāo)包含高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、總磷和化學(xué)需氧量，說明污染物類別主要為有機(jī)污染和磷。綜合上述分析，清潩河流域(許昌段)的水體污染主要來源于工業(yè)廢水和生活污水。

2012年 2013年 2014年

綜上所述，根據(jù)2012-2014年清潩河流域(許昌段)高村橋斷面的14項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)主成分時間變化分析，得到2012年和2013年污染物類別主要為有機(jī)污染物和氮；2014年染物類別主要為有機(jī)污染物和磷；清潩河流域(許昌段)的水體污染呈現(xiàn)復(fù)合型特征。

2.2 污染因子空間變化分析

根據(jù)清潩河祿馬橋斷面和高村橋斷面，灞陵河南外環(huán)橋斷面和運(yùn)糧河斷面近15年(2000-2014)的化學(xué)需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、氨氮、揮發(fā)酚、pH、氟化物和石油類9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測值，進(jìn)行清潩河流域(許昌段)干支流的水質(zhì)指標(biāo)主成分分析。

主成分分析模型最大收斂性迭代次數(shù)為100次，抽取特征值λ>1的主成分。KMO和Bartlett檢驗(yàn)結(jié)果(如表3)表明，KMO統(tǒng)計(jì)量的取值均大于0.5，主成分分析的結(jié)果是否適用，需進(jìn)一步檢查。Bartlett球形度檢驗(yàn)的卡方值均大于卡方的臨界值58.62，顯著性小于0.001。因此數(shù)據(jù)適于主成分分析。

表3 KMO和Bartlett檢驗(yàn)

根據(jù)四個斷面的特征值的碎石圖(圖3)，選取各斷面特征值較大的主成分，祿馬橋、南外環(huán)橋和運(yùn)糧河斷面選取第1個、第2個和第3個主成分，高村橋斷面選取第1個和第2個主成分。表4為各個斷面主成分與各指標(biāo)的相關(guān)性，以及各個主成分對原始信息的解釋量，其中祿馬橋、南外環(huán)橋和運(yùn)糧河斷面均可較好的解釋原始信息，累計(jì)解釋量均大于85%，高村橋斷面的主成分累計(jì)解釋量為82.33%。四個斷面的第1主成分均可解釋50%以上的原始信息，主要污染因子為化學(xué)需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮。

圖3 特征值的碎石圖

表4 主成分及解釋量

根據(jù)主成分載荷圖(圖4)可知，清潩河祿馬橋斷面，生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)與第1主成分化學(xué)需氧量呈顯著正相關(guān)，溶解氧與第1主成分呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上，說明該斷面主要污染因子來源于有機(jī)污染，這與其上游長葛段的制革工業(yè)和農(nóng)副食品業(yè)排污有關(guān)[14]。清潩河高村橋斷面，高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量與第1主成分生化需氧量呈顯著正相關(guān)，溶解氧與第1主成分呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上，說明清潩河許昌段整體有機(jī)污染嚴(yán)重，這與管新建等[15]研究結(jié)果具有一致性。運(yùn)糧河斷面，生化需氧量和高錳酸鹽指數(shù)與第1主成分化學(xué)需氧量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上；灞陵河南外環(huán)橋斷面，高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和化學(xué)需氧量與第1主成分氨氮呈顯著正相關(guān)，溶解氧與第1主成分呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上，說明該斷面主要污染因子來源于農(nóng)業(yè)面源污染和有機(jī)污染。這與清異河流域(許昌段)毛發(fā)制品、造紙和皮革等行業(yè)結(jié)構(gòu)性污染突出，以及該段處于中原糧食主產(chǎn)區(qū)，其農(nóng)田集約化程度和復(fù)種指數(shù)高，但氮肥利用率較低有關(guān)[16]。

a.化學(xué)需氧量; b.生化需氧量; c.高錳酸鹽指數(shù); d.溶解氧; e.氨氮; f.揮發(fā)酚; g.pH; h.氟化物; i.石油類。

綜上所述，根據(jù)清潩河流域(許昌段)近15年9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的主成分分析，得到清潩河流域(許昌段)主要污染因子為化學(xué)需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮，來源于有機(jī)污染和農(nóng)業(yè)面源污染，這與上游長葛段的制革工業(yè)和農(nóng)副食品業(yè)排污、許昌段工業(yè)結(jié)構(gòu)性污染突出，以及該段位于中原糧食主產(chǎn)區(qū)有關(guān)。

2.3 水質(zhì)綜合評價(jià)

對2012-2014年清潩河流域(許昌段)的運(yùn)糧河許由路橋(5)、灞陵河南外環(huán)橋(4)、小泥河大石橋(3)、清潩河祿馬橋(2)和清潩河高村橋(1)，共計(jì)5個監(jiān)測斷面的生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、化學(xué)需氧量、氨氮、溶解氧、總氮和pH，共計(jì)8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)綜合分析(如圖5)。

圖5 各斷面水質(zhì)整體分布

2012-2014年各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果的整體水平表明：干流的高錳酸鉀指數(shù)、生化需氧量和總磷明顯高于支流各斷面，祿馬橋斷面的氨氮和總氮顯著高于其他斷面。氮磷污染清潩河上游(祿馬橋)>下游(高村橋)，有機(jī)污染清潩河下游(高村橋)>上游(祿馬橋)。pH值整體上呈弱堿性。溶解氧均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中運(yùn)糧河滿足Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，清潩河干流和小泥河滿足地表Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。高錳酸鹽指數(shù)清潩河干流滿足地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，支流滿足地表Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?；瘜W(xué)需氧量除運(yùn)糧河滿足地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，灞陵河、大石橋、祿馬橋和高村橋斷面分別超過地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的16.93%、25.57%、18.03%和24.73%。生化需氧量各斷面均滿足地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中運(yùn)糧河滿足地表Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。氨氮除運(yùn)糧河和高村橋斷面滿足地表Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余斷面均為劣Ⅴ類?？偟鲾嗝婢鶠榱英躅?。總磷支流均滿足地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，干流祿馬橋斷面為劣Ⅴ類，高村橋斷面為Ⅴ類。

年際間，清潩河流域(許昌段)水質(zhì)在整體上呈現(xiàn)2013年和2012年基本持平，但2014年水質(zhì)惡化嚴(yán)重。溶解氧2012年滿足地表Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2013年和2014年滿足地表Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。高錳酸鹽指數(shù)和生化需氧量均滿足地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2012-2014年化學(xué)需氧量分別超地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的16.40%、14.30%和22.07%。氨氮和總氮均為劣Ⅴ類。2012年總磷滿足地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2013年和2014年分別超地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的10%和40%。

年內(nèi)污染物質(zhì)分布呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，分豐水期(7-10月)、平水期(11月-次年2月)和枯水期(3-6月)來看，污染程度整體上豐水期<平水期<枯水期，這與清潩河流域(許昌段)工業(yè)點(diǎn)源污染>農(nóng)業(yè)點(diǎn)源污染相吻合。三個水期的pH值基本穩(wěn)定在7.53～7.76之間，其中豐水期pH值最大。豐水期溶解氧最小為4.48 mg/L，平水期最大為6.95 mg/L。高錳酸鹽指數(shù)豐水期(4.74 mg/L)<平水期(5.95 mg/L)<枯水期(7.16 mg/L)，均滿足地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?；瘜W(xué)需氧量平水期最大為37.3 mg/L，豐水期最小為30.77 mg/L，均為Ⅴ類水體。生化需氧量枯水期最大為5.29 mg/L，平水期最小為4.11 mg/L，均滿足地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。氨氮豐水期(2.98 mg/L)<平水期(4.00 mg/L)<枯水期(4.46 mg/L)，均為劣Ⅴ類?？偟剿谧畲鬄?.64，豐水期最小為7.37，均為劣Ⅴ類?？偭卓菟谧畲鬄?.36 mg/L(劣Ⅴ類)，平水期最小為0.27 mg/L(Ⅳ類)，豐水期為0.30 mg/L(Ⅳ類)。綜上所述，化學(xué)需氧量和氮污染尤為嚴(yán)重，磷污染偶有超標(biāo)。

綜上所述，2012-2014年清潩河流域(許昌段)干流的高錳酸鉀指數(shù)、生化需氧量和總磷明顯高于支流各斷面，祿馬橋斷面的氨氮和總氮顯著高于其他斷面，氮磷污染清潩河上游(祿馬橋)>下游(高村橋)，有機(jī)污染清潩河下游(高村橋)>上游(祿馬橋)。年際間有惡化趨勢，年內(nèi)污染物質(zhì)分布呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，污染程度整體上豐水期<平水期<枯水期。

3 結(jié)論

根據(jù)清潩河流域(許昌段)高村橋斷面的15項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)主成分時間變化分析，得到2012年和2013年污染物類別主要為有機(jī)污染物和氮；2014年染物類別主要為有機(jī)污染物和磷；清潩河流域(許昌段)的水體污染呈現(xiàn)復(fù)合型特征。

根據(jù)清潩河流域(許昌段)9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的主成分空間變化分析，得到清潩河流域(許昌段)主要污染因子為化學(xué)需氧量、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮。清潩河流域(許昌段)主要污染因子來源于有機(jī)污染，這與上游長葛段的制革工業(yè)和農(nóng)副食品業(yè)排污、許昌段工業(yè)結(jié)構(gòu)性污染突出有關(guān)。其中，灞陵河南外環(huán)橋斷面主要污染因子還源于農(nóng)業(yè)面源污染，這與該段處于中原糧食主產(chǎn)區(qū)，其農(nóng)田集約化程度和復(fù)種指數(shù)高，但氮肥利用率較低有關(guān)。

根據(jù)清潩河流域(許昌段)的水質(zhì)綜合評價(jià)，2012-2014年各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果的整體水平表明：干流的高錳酸鉀指數(shù)、生化需氧量和總磷明顯高于支流各斷面，祿馬橋斷面的氨氮和總氮顯著高于其他斷面，氮磷污染清潩河上游(祿馬橋)>下游(高村橋)，有機(jī)污染清潩河下游(高村橋)>上游(祿馬橋)。年際間清潩河流域(許昌段)水質(zhì)整體上與2012年基本持平，2013年略有好轉(zhuǎn)，但2014年水質(zhì)惡化嚴(yán)重。年內(nèi)污染物質(zhì)分布呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，污染程度整體上豐水期<平水期<枯水期，這與清潩河流域(許昌段)工業(yè)點(diǎn)源污染>農(nóng)業(yè)點(diǎn)源污染相吻合，化學(xué)需氧量和氮污染尤為嚴(yán)重，磷污染偶有超標(biāo)。

清潩河流域(許昌段)水系連通工程于2015年后逐步通水運(yùn)行，本研究基于2012-2014年清潩河流域(許昌段)水質(zhì)數(shù)據(jù)，可全面系統(tǒng)的反映水系連通前的水質(zhì)環(huán)境狀況，為水系連通工程實(shí)施效果的評估提供重要參照，為地方政府針對性優(yōu)化水系連通措施提供決策依據(jù)。同時，隨著水環(huán)境提升工程的實(shí)施，水環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)較大變化，后續(xù)水環(huán)境質(zhì)量評估與對比分析將是下一步研究的跟蹤方向。