南流江水質(zhì)時(shí)空變化特征及影響因素研究

林 卉，藍(lán)月存，許園園，黃伯當(dāng)，滕云梅

(廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣西 南寧 530028)

1 引言

南流江發(fā)源于玉林北流市新圩鎮(zhèn)大容山主峰蓮花頂南麓，由北向南依次流經(jīng)玉林、欽州和北海后匯入廉州灣海域。南流江是桂南沿海諸河中，流程最長(zhǎng)、流域面積最大、水量最豐富的河流，干流全長(zhǎng)285 km，流域面積9232 km2。南流江流貫的玉林盆地、博白盆地和南流江三角洲是廣西重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一[1]，下游總江口是合浦縣集中式飲用水水源地。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，大量養(yǎng)殖廢水、工業(yè)廢水、生活污水污物直接排放導(dǎo)致南流江水質(zhì)不斷惡化。南流江水質(zhì)惡化極大地制約了沿岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民的正常用水，南流江被列為廣西7條污染最為嚴(yán)重的河流之一，其治理成為廣西跨世紀(jì)綠色工程之一[2]。因此，研究近年南流江水質(zhì)的變化情況及當(dāng)前南流江水質(zhì)狀況，判定當(dāng)前水質(zhì)情況及變化，對(duì)提出應(yīng)對(duì)策略、保障南流江水質(zhì)安全具有重要意義。

水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)是根據(jù)某些水質(zhì)指標(biāo)值，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)某水體的等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)判，為水體的科學(xué)管理和污染防治提供決策依據(jù)。目前水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法很多，其中比較有代表性的方法有主成分分析法、聚類(lèi)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、質(zhì)量指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等[3～10]，這些評(píng)價(jià)方法都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。主成分分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法是基于矩陣運(yùn)算的評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)結(jié)果較符合實(shí)際，但在隸屬度矩陣、權(quán)重選擇方面存在不足；聚類(lèi)分析是根據(jù)樣本自身的屬性，將性質(zhì)相近的歸為一類(lèi)，其結(jié)果直觀(guān)，結(jié)論形式簡(jiǎn)明，但樣本量較大時(shí)，要獲得聚類(lèi)結(jié)論有一定困難；質(zhì)量指數(shù)法計(jì)算原理與過(guò)程簡(jiǎn)單，能反映河流污染狀況，但是不能直觀(guān)判斷綜合水質(zhì)類(lèi)別；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是基于樣本訓(xùn)練的評(píng)價(jià)方法，能夠很好地反映評(píng)價(jià)因子與水質(zhì)類(lèi)別間的非線(xiàn)性關(guān)系，但是評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇不確定、計(jì)算復(fù)雜、定性評(píng)價(jià)結(jié)果不直觀(guān)，在理論和方法上還不成熟。其中，主成分分析法和聚類(lèi)分析法能夠較為準(zhǔn)確地揭示水質(zhì)的時(shí)空變化趨勢(shì)，識(shí)別主要污染因子[11]。本文首次利用主成分分析法和Spearman秩相關(guān)系數(shù)法結(jié)合對(duì)南流江的水質(zhì)進(jìn)行了現(xiàn)狀和趨勢(shì)變化分析。利用主成分分析法定量評(píng)價(jià)水質(zhì)實(shí)際狀態(tài)，結(jié)合在水質(zhì)趨勢(shì)分析中廣泛運(yùn)用的Spearman秩相關(guān)系數(shù)法，可以有效判別時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化的顯著性，對(duì)主成分綜合得分進(jìn)行再分析，分析當(dāng)前南流江污染變化情況并預(yù)測(cè)其水質(zhì)變化趨勢(shì)。進(jìn)一步運(yùn)用相關(guān)性分析，探究水質(zhì)變化和污染物之間的關(guān)系，以期為南流江水質(zhì)管理提供依據(jù)。

2 分析方法

2.1 主成分法分析法

主成分分析(principal component analysis，PCA)是一種降維處理技術(shù)的數(shù)學(xué)變換方法，用在各個(gè)變量之間相關(guān)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，把原來(lái)多個(gè)變量轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的新變量，且這些新變量盡可能多地保留原來(lái)變量所反映的信息[12]。進(jìn)行主成分分析的主要計(jì)算步驟如下[13]。

(1)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱數(shù)據(jù)，以消除不同指標(biāo)間的量綱和數(shù)量級(jí)影響。

(2)進(jìn)行指標(biāo)間的相關(guān)性判定，確定原始變量是否適合進(jìn)行因子分析。

(3)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和特征向量。

(4)根據(jù)各特征值占比，按從大到小排序，選取累積占比>85%的前幾項(xiàng)特征值作為主成分。

(5)特征向量除以對(duì)應(yīng)特征根的絕對(duì)值，構(gòu)成主成分系數(shù)矩陣。

(6)主成分系數(shù)矩陣與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)相乘，得到各項(xiàng)主成分得分值。

(7)各項(xiàng)主成分得分值與對(duì)應(yīng)主成分在所有主成分中的比值相乘后累加，即得到主成分綜合得分值(F)，綜合得分越高，表明污染越嚴(yán)重。

2.2 Spearman秩相關(guān)系數(shù)法

Spearman秩相關(guān)系數(shù)法是衡量環(huán)境污染變化趨勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上有無(wú)顯著性的常用方法。對(duì)給出時(shí)間周期和它們的相應(yīng)值(即月均值、季均值或年均值等), 將從大到小排列好。秩相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下:

(1)

di=Xi-Yi

(2)

式(1)、(2)中:di為變量Xi和變量Yi的差值;Xi為周期1到周期N按濃度值從小到大排列的序號(hào)；Yi為按時(shí)間排列的序號(hào)。

將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對(duì)值與Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表中的臨界值Wp進(jìn)行比較，如果rs>Wp，則表明變化趨勢(shì)有顯著意義; 如果rs為正值，則表明數(shù)據(jù)序列具有上升趨勢(shì);如果rs為負(fù)值，則表明數(shù)據(jù)序列具有下降趨勢(shì)。

2.3 皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)法

皮爾遜相關(guān)也稱(chēng)為積差相關(guān)(或積矩相關(guān))，是英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家皮爾遜于20世紀(jì)提出的一種計(jì)算直線(xiàn)相關(guān)的方法。假設(shè)有兩個(gè)變量x、y，那么兩變量間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)可通過(guò)以下公式計(jì)算：

(3)

表1 皮爾遜相關(guān)系數(shù)與相關(guān)關(guān)系程度對(duì)照

3 南流江水質(zhì)評(píng)價(jià)與分析

本文選取南流江干流上六司橋、橫塘、江口大橋、南域和亞橋5個(gè)斷面，通過(guò)這5個(gè)斷面水質(zhì)狀況來(lái)代表南流江干流整體的水質(zhì)現(xiàn)狀。分析數(shù)據(jù)采用上述5個(gè)斷面2011～2019年的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷等6個(gè)指標(biāo)年均值。相關(guān)性分析選取2011～2018年玉林、欽州和北海3市污染物排放總量，分析近幾年來(lái)污染物排放與南流江干流水質(zhì)變化相關(guān)性。數(shù)據(jù)主要來(lái)自河流例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒。各監(jiān)測(cè)斷面見(jiàn)圖1。

3.1 2011～2019年水質(zhì)狀況

采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)不同時(shí)間不同監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)可得(表2)，2011～2013年南流江干流上各斷面均能保持Ⅲ類(lèi)水質(zhì)，2014年以后，南流江干流上六司橋、橫塘、江口大橋和南域4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均有不同程度地惡化，亞橋斷面水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，南流江干流整體水質(zhì)由優(yōu)到2015年下降為輕度污染，到2018年甚至惡化至中度污染，主要污染物為總磷。單因子評(píng)價(jià)法僅能評(píng)價(jià)對(duì)比分析水質(zhì)類(lèi)別，但無(wú)法定量分析水質(zhì)監(jiān)測(cè)值，會(huì)因缺乏對(duì)眾多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)而難以從全局掌握污染狀況。

3.2 主成分分析結(jié)果

基于IBM SPSS Statistic 19軟件，對(duì)上述5個(gè)斷面的6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，均提取2個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率均在85%以上，說(shuō)明提取的主成分可以很好地反映南流江各斷面不同時(shí)間的水質(zhì)信息。從主成分綜合得分值結(jié)果(表3和圖2)來(lái)看，南流江干流水質(zhì)綜合得分有明顯的空間變化，總體從上游到下游呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，水質(zhì)污染程度排序?yàn)榱緲?橫塘>江口大橋>亞橋>南域，表明干流沿程水質(zhì)存在變好的趨勢(shì)，中上游六司橋和橫塘2個(gè)斷面綜合得分均為正數(shù)，水質(zhì)較差，下游江口大橋、南域和亞橋3個(gè)斷面綜合得分均為負(fù)數(shù)，水質(zhì)較好，其中水質(zhì)最差的六司橋斷面綜合得分為1.135；水質(zhì)最好的南域斷面綜合得分為-0.580，兩者相差1.715。

3.3 南流江干流水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對(duì)南流江干流5個(gè)斷面9年的主成分得分值進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3及表3。從圖3可知，六司橋、南域、亞橋3個(gè)斷面主成分綜合得分值表現(xiàn)出波動(dòng)減小的趨勢(shì)，2019年與2011年相比，這3個(gè)斷面主成分綜合得分值分別減少了0.08、0.401、0.137，表明水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。六司橋斷面得分值在2013年出現(xiàn)1個(gè)波峰，最大值為2013年得分值1.599，表明六司橋斷面在2013年有大量外來(lái)污染物排入，隨著南流江的整治水質(zhì)得到好轉(zhuǎn)，2014～2017年六司橋斷面水質(zhì)持續(xù)變好，但近兩年有反彈趨勢(shì)；南域斷面9年來(lái)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，水質(zhì)變化不大；亞橋斷面2011～2018年水質(zhì)一致持續(xù)變好，但在2019年有較大的反彈，表明這一年污染物濃度有所增加。橫塘和江口大橋2個(gè)斷面主成分綜合得分值存在增大趨勢(shì)，與2011年相比，2個(gè)斷面的主成分綜合得分值分別增加了0.427和0.191，表明水質(zhì)有所惡化，其中橫塘斷面水質(zhì)惡化最明顯。2011～2014年，橫塘斷面水質(zhì)不斷惡化，主成分綜合得分值于2014年達(dá)到最大值1.096，與2011年差值高達(dá)1.179，2015～2019年得分值持續(xù)下降，說(shuō)明橫塘斷面在2015～2019年可能得到了有效治理；江口大橋斷面在2011～2017年期間水質(zhì)呈持續(xù)惡化趨勢(shì)，近2年水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。

各斷面的主成分綜合得分值趨勢(shì)變化顯著性結(jié)果表明(表4)：南流江干流六司橋、南域和亞橋斷面主成分綜合得分值呈下降趨勢(shì)，3個(gè)斷面在置信水平90%時(shí)均有顯著意義；橫塘和江口大橋斷面主成分綜合得分值呈上升趨勢(shì)，其中橫塘斷面無(wú)顯著意義，江口大橋斷面在置信水平95%時(shí)有顯著意義。表明六司橋、南域、亞橋斷面水質(zhì)變好趨勢(shì)顯著，江口大橋斷面水質(zhì)惡化趨勢(shì)顯著，橫塘斷面有水質(zhì)惡化趨勢(shì)，但相對(duì)較微弱。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意

表2 2011～2019年各斷面水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 2011～2019年各斷面的主成分得分值

3.4 南流江干流水質(zhì)變化相關(guān)性分析

為了分析南流江水質(zhì)變化與水中主要污染物濃度及排放量的關(guān)系，本文對(duì)其相互關(guān)系進(jìn)行了探討。對(duì)南流江主成分綜合得分值、水中溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總磷、氨氮和化學(xué)需氧量濃度進(jìn)行Person相關(guān)系數(shù)，雙側(cè)檢驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表5。皮爾遜相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：主成分綜合得分值與氨氮濃度呈高度正相關(guān)，與總磷和五日生化需氧量濃度呈顯著正相關(guān)，與溶解氧呈高度負(fù)相關(guān)，與高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量濃度呈微弱負(fù)相關(guān)。隨著氨氮、總磷、五日生化需氧量等營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì)的增加，主成分綜合得分值也增大，表明氨氮、總磷和五日生化需氧量是南流江水質(zhì)惡化的主要污染因子。

圖2 各斷面主成分綜合得分均值

南流江水中污染物濃度和污染物排放量進(jìn)行Person相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果顯示(表6)：綜合得分值與化學(xué)需氧量、氨氮的生活源排放量均呈正相關(guān)，與化學(xué)需氧量、氨氮的工業(yè)源和農(nóng)業(yè)源排放量均呈負(fù)相關(guān)；水中氨氮濃度與生活源氨氮排放量呈正相關(guān)，與工業(yè)源和農(nóng)業(yè)源排放量均呈負(fù)相關(guān)；水中化學(xué)需氧量濃度與工業(yè)源和農(nóng)業(yè)源化學(xué)需氧量排放量呈正相關(guān)，與生活源化學(xué)需氧量排放量呈負(fù)相關(guān)。說(shuō)明生活污染是南流江水中氨氮的主要來(lái)源，工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染是水中化學(xué)需氧量的主要來(lái)源。據(jù)調(diào)查分析，南流江流域存在大量的畜禽散戶(hù)養(yǎng)殖，多分布在南流江干流或主要支流附近，僅玉林市存欄11頭以上生豬的養(yǎng)殖戶(hù)就達(dá)10000多戶(hù)，存欄量230余萬(wàn)頭，其中小散養(yǎng)戶(hù)的生豬存欄量約77萬(wàn)頭，占33.5%。大量畜禽養(yǎng)殖廢水直排入河，導(dǎo)致水中磷、氮等營(yíng)養(yǎng)物濃度超標(biāo)，畜禽養(yǎng)殖來(lái)源的總磷污染物占南流江流域總量的48.8%，氨氮占27.6%，成為首要污染源，對(duì)水質(zhì)造成極大影響；其次沿江48個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道的生活污水受納水體主要為南流江流域，41個(gè)鎮(zhèn)級(jí)污水處理廠(chǎng)已建成未運(yùn)行，已投入運(yùn)行的17個(gè)污水處理廠(chǎng)處理能力不足或污水收集率低，導(dǎo)致生活污水直排南流江及其支流，生活污染占總量的30%。畜禽養(yǎng)殖和生活廢水的排入是導(dǎo)致南流江水質(zhì)惡化的主要原因。按照從源頭控制的原則，南流江的治理必須大力開(kāi)展畜禽養(yǎng)殖污染治理，推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖方式轉(zhuǎn)變；加快流域內(nèi)城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施建設(shè)，提高城市生活污水處理能力，完善雨污分流管網(wǎng)建設(shè)和污水處理配套管網(wǎng)建設(shè)。

圖3 各斷面主成分綜合得分值變化曲線(xiàn)

表4 各斷面主成分綜合得分值變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)

表5 主成分綜合得分值與GDP及水中污染物濃度相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

表6 水中污染物濃度與污染物排放量相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

本文采用主成分分析法對(duì)南流江干流2011～2019年水質(zhì)進(jìn)行了分析，在此分析結(jié)果基礎(chǔ)上采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對(duì)綜合得分值進(jìn)行再分析，分析了當(dāng)前南流江污染變化情況及其水質(zhì)變化趨勢(shì)。進(jìn)一步運(yùn)用相關(guān)性分析，探究水質(zhì)變化和污染物的關(guān)系，結(jié)果表明：六司橋和橫塘2個(gè)斷面綜合得分均為正數(shù)，下游江口大橋、南域和亞橋3個(gè)斷面綜合得分均為負(fù)數(shù)，南流江干流水質(zhì)呈現(xiàn)下游水質(zhì)優(yōu)于中上游水質(zhì)的空間分布；六司橋、南域和亞橋3個(gè)斷面水質(zhì)有明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，江口大橋斷面水質(zhì)有明顯惡化趨勢(shì)，橫塘斷面水質(zhì)存在變差趨勢(shì)；南流江干流水體自?xún)裟芰^差，在外來(lái)污染影響下，水質(zhì)的好轉(zhuǎn)需要人為治理；南流江水體中氨氮、總磷和五日生化需氧量是南流江的主要污染因子，生活污水和養(yǎng)殖廢水的排入是導(dǎo)致南流江水質(zhì)惡化的根本原因。研究結(jié)果為探究南流江水質(zhì)變化趨勢(shì)，給南流江水質(zhì)管理提供依據(jù)。