清水河干流水質(zhì)空間分布特征及季節(jié)性變化

王世強(qiáng)，趙增鋒，邱小琮，歐陽(yáng)虹，吳岳玲

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源的過(guò)度開采與水環(huán)境污染程度加重成為我國(guó)當(dāng)前水危機(jī)中最嚴(yán)重、最緊迫的問(wèn)題[1]。針對(duì)國(guó)內(nèi)水資源開發(fā)利用及水環(huán)境污染現(xiàn)狀，關(guān)于水量-水質(zhì)的水資源調(diào)配與管理的研究成為科研的熱點(diǎn)領(lǐng)域，某一區(qū)域或者流域的水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)成為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展以及水資源優(yōu)化配置與管理的關(guān)鍵。在水文循環(huán)中，水質(zhì)受地質(zhì)、氣候等自然因素及人為因素影響，往往表現(xiàn)出季節(jié)性、區(qū)域性差異[2-4]，在治理水環(huán)境過(guò)程中應(yīng)加以重點(diǎn)考慮，因此關(guān)于水環(huán)境因子空間特點(diǎn)及季節(jié)性變化特征的研究顯得尤為重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前國(guó)內(nèi)外常用的研究方法有聚類分析[5]、主成分分析[6]、方差分析[7]、時(shí)間序列檢驗(yàn)法[8]等方法。清水河地處寧夏干旱半干旱地區(qū)中南部，屬于典型季節(jié)性河流，河道年均徑流量很小，水生態(tài)環(huán)境十分脆弱[9]。有關(guān)學(xué)者針對(duì)清水河水質(zhì)研究主要是健康評(píng)價(jià)及預(yù)警方面[10-12]，有關(guān)清水河流域的水環(huán)境空間分布及變化研究鮮見報(bào)道。水環(huán)境易受當(dāng)?shù)赝恋乩妙愋?、氣候因素影響，具有一定的時(shí)空特點(diǎn)，水資源配置過(guò)程除考慮水質(zhì)的優(yōu)劣，也要考慮水質(zhì)的空間分布以及動(dòng)態(tài)變化情況，開展有關(guān)清水河流域的水質(zhì)空分布及季節(jié)性變化研究，對(duì)于水質(zhì)評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)變化和水資源配置具有意義重大。【本研究切入點(diǎn)】本文基于野外實(shí)地采集水樣測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)，從清水河水質(zhì)空間分布及季節(jié)變化特征入手，結(jié)合流域地區(qū)特點(diǎn)及周邊存在的工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染源，采用聚類分析、主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)法，探明清水河干流水質(zhì)特征情況?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】此研究以期為清水河流域的水資源管理配置及水環(huán)境治理、保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏清水河是黃河一級(jí)支流，發(fā)源于固原開城鄉(xiāng)，位于黃土高原的西北邊緣，地勢(shì)南高北低，主要流經(jīng)固原、海原、同心、中寧4市縣，最后匯入黃河，全長(zhǎng)320 km，流域面積14 481 km2。清水河支流較多，但主要工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)在干流分布較密集。受氣候影響，清水河流域多年平均降水量?jī)H335 mm，多年平均蒸發(fā)量1272 mm，流域地表水資源量少、水質(zhì)差，苦水分布廣、含鹽量高，干旱指數(shù)為3.8，主要補(bǔ)水依靠天然降雨，且降雨主要集中在7-10月，具有時(shí)空不均勻性[13-15]。根據(jù)2018年《寧夏回族自治區(qū)清水河“一河一檔”》對(duì)清水河水資源、水域岸線功能規(guī)劃現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告，清水河的干流段受工、農(nóng)業(yè)污染較大，河岸線沿線土地利用現(xiàn)狀(保護(hù)區(qū)段是指在該段限制人類密集活動(dòng)及進(jìn)行大量工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn))。由圖1可知，清水河干流源頭及入黃口處土地被劃分為保護(hù)區(qū)，表明該區(qū)域河段受人為生活干擾會(huì)較?。晦r(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域覆蓋最廣，集中在中下游段，該區(qū)域河段受農(nóng)業(yè)影響較大；沿線的工業(yè)區(qū)主要集中在城鎮(zhèn)區(qū)域(固原市、海原縣、同心縣)，該區(qū)域河段受工業(yè)影響較大。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)清水河流域水系分布特點(diǎn)及干流各監(jiān)測(cè)控制斷面等級(jí)情況(三營(yíng)、泉眼山入黃為國(guó)控?cái)嗝?，其它為區(qū)控、縣控)，在清水河干流布設(shè)18個(gè)采樣點(diǎn)，基本覆蓋上、中、下游3段，于2018年平(4月)、豐(7月)、枯(11月)不同來(lái)水期野外采樣。

1.3 水樣采集與測(cè)定

按照《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(HJ 495-2009)要求，采用1 L采水器采集表層水下50 cm深處的水樣。若水深小于50 cm，則采集表層的水樣；若水深大于50 cm，則采集表層下50 cm與底層上50 cm混合水樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

表1 各采樣點(diǎn)編號(hào)及位置

根據(jù)孟祥儀[16]關(guān)于清水河水質(zhì)預(yù)警研究，并考慮到河岸帶附近工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水質(zhì)的主要影響作用，本次研究選取氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、水溶態(tài)氟化物(以F-計(jì))及五日生化需氧量(BOD5)6個(gè)主要污染水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定分析。NH3-N采用納氏試劑分光光度(HJ535-2009)測(cè)定，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ632-2012)測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法(HJ670-2013)測(cè)定，CODMn采用高錳酸鉀法(GB11892-89)測(cè)定，BOD5采用稀釋與接種法(HJ505-2009)測(cè)定，F(xiàn)-采用HACH氟化物分析儀測(cè)定。

1.4 分析方法

采用層次聚類分析法[17]，以歐氏距離度量樣本間距離，按照樣本特征進(jìn)行分類，同一類別具有一定相似性。依據(jù)聚類分析的原理，研究水質(zhì)空間分布

相似性特征。采用主成分分析法[18]，確定影響清水河干流水質(zhì)的主要水環(huán)境因子，結(jié)合聚類分析的結(jié)果分析空間上水環(huán)境因子的在各組中分布特征及出現(xiàn)這種情況的可能原因?；诰垲惙治龅贸龅乃|(zhì)空間特征情況，把空間上分布特征相似的斷面進(jìn)行分組，主成分分析法確定出主要水環(huán)境因子。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法[19]，以河流的來(lái)水期：平水期，豐水期，枯水期為季節(jié)變化時(shí)期，分析空間上各組的水質(zhì)在不同來(lái)水期季節(jié)性變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣點(diǎn)空間聚類分析

根據(jù)2018年各來(lái)水期采集的水樣，以測(cè)定的NH3-N、TN、TP、CODMn、F-及BOD56個(gè)水質(zhì)指標(biāo)平均值對(duì)18個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行空間聚類(圖3)。 根據(jù)聚類情況，以聚類距離進(jìn)行重新標(biāo)定，選取閾值為5，將本次研究的區(qū)域樣點(diǎn)在空間上分為G1[A1、A2、C4、C5、C6] 、G2[A3、A4、A5、A6] 、G3[B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2、C3] 3組，由聚類原理可得A1、A2、C4、C5、C6 5個(gè)斷面污染程度接近，A3、A4、A5、A6 4個(gè)斷面污染程度接近，B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2、C3 9個(gè)斷面污染程度接近。

表2 主成分分析及因子旋轉(zhuǎn)荷載矩陣

結(jié)合清水河流域自然地理特征和河岸帶沿線功能規(guī)劃現(xiàn)狀分析聚類可知，聚類結(jié)果與清水河河岸線沿線土地利用情況具有一定關(guān)聯(lián)性。G1組中各斷面主要分布在清水河源頭和泉眼山入黃口附近，水質(zhì)較好。源頭處人類活動(dòng)較少，水環(huán)境受影響較小，且附近植被覆蓋度相對(duì)較高，起到一定的水源涵養(yǎng)作用。泉眼山入黃口斷面屬于國(guó)控?cái)嗝?，根?jù)《寧夏生態(tài)保護(hù)與建設(shè)“十三五”規(guī)劃》，泉眼山入黃口斷面附近的工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水排水管控嚴(yán)格，廢水排放量少。G2組各斷面主要分布在流經(jīng)沿岸附近部分工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)灌區(qū)的部分區(qū)域。G3組各斷面集中分布在清水河揚(yáng)水灌區(qū)段[20]，流經(jīng)沿河岸分布的工業(yè)聚集區(qū)，受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大，水質(zhì)較差。 聚類結(jié)果表明，清水河干流水環(huán)境污染情況的空間分布特征明顯，與功能規(guī)劃現(xiàn)狀關(guān)系較大。

2.2 基于主成分分析的主要水環(huán)境因子空間分布情況

對(duì)聚類前的18個(gè)采樣點(diǎn)的6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)

數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行主成分分析，篩選出對(duì)整個(gè)干流水質(zhì)影響大的水環(huán)境因子分析。 基于旋轉(zhuǎn)后累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于 85 %，提取主成分，根據(jù)旋轉(zhuǎn)后因子荷載大于0.6的原則選取各主成分影響較大的水環(huán)境因子結(jié)果如表2所示。

分析提取出4個(gè)主成分(F1、F2、F3、F4)，第1主成分F1包含的主要因子是BOD5和F-，其反映的主要是有機(jī)物污染水平及水體礦化度。第2主成分F2包含的主要因子是CODMn，其反映的主要是有機(jī)物污染水平。第3主成分F3包含的主要因子是TN，其反映的主要是水體氮污染水平。第4主成分F4包含的主要因子是NH3-N，其反映的主要是水體氮污染水平。根據(jù)主成分分析結(jié)果，說(shuō)明清水河污染主要是有機(jī)物污染及氮含量超標(biāo)所致。

G1、G2、G3各個(gè)組4個(gè)主成分的主要水環(huán)境因子平均濃度空間變化(圖4～7)。從圖4～5可以看出，G3組的TN、NH3-N的濃度均明顯高于G1組和G2組，這種氮元素含量的明顯差異可能是由于G3組主要流經(jīng)揚(yáng)黃灌區(qū)，水體流經(jīng)此處，大量含氮元素的物質(zhì)排入，各斷面的水質(zhì)受灌溉回水中殘留的農(nóng)藥、化肥影響較大。從圖6～7可以看出，G2、G3組的BOD5、F-的平均濃度明顯高于G1組，主要是由于G1組各斷面附近工廠較少，排放的廢物少，而G2和G3組相反，均流經(jīng)農(nóng)田、城鎮(zhèn)集中的區(qū)域，受其生產(chǎn)影響較大，大量工業(yè)有機(jī)廢物、農(nóng)業(yè)的有機(jī)農(nóng)藥流入水中，導(dǎo)致有機(jī)污染嚴(yán)重。根據(jù)《寧夏環(huán)境保護(hù)廳公報(bào)》，氟化物污染對(duì)清水河水質(zhì)影響較大，可能主要是地下水含氟量較高以及礦物質(zhì)中含有的F-流進(jìn)水中造成的氟化物濃度超標(biāo)。

表3 各月份各組關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

2.3 基于灰色關(guān)聯(lián)的水質(zhì)季節(jié)性變化情況

選用主成分分析法確定的NH3-N、TN、CODMn、BOD5及F-5個(gè)水環(huán)境因子作為評(píng)價(jià)因子。采用灰色關(guān)聯(lián)法，依據(jù)實(shí)測(cè)濃度與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度的關(guān)聯(lián)度值對(duì)G1、G2、G3各組不同來(lái)水期的水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其不同季節(jié)來(lái)水期的水質(zhì)情況。

由表3可知，平水期G1組整體接近Ⅲ類水，G2組整體為Ⅳ類水，G3組整體接近Ⅴ類水；豐水期G1組整體接近Ⅱ類水，G2組整體為Ⅲ類水，G3組整體依然接近Ⅴ類水，無(wú)明顯變化；枯水期G1組整體接

近Ⅱ類水，G2組整體為Ⅲ類水，G3組整體依然接近Ⅳ類水。綜合分析比較，不同來(lái)水期空間各組的水質(zhì)情況變化明顯，G3組的水質(zhì)最差，在平水期和豐水期份均為Ⅴ類水，枯水期得到改善變?yōu)棰纛愃?；G1組最好，在豐水期和枯水期均達(dá)到了Ⅱ類水質(zhì)，水質(zhì)情況與功能規(guī)劃有密切關(guān)聯(lián)。G1和G2組豐水期的水質(zhì)情況比枯水期月份水質(zhì)好，造成這種變化主要是由于豐水期降雨多，河道徑流量增加，水體對(duì)污染物的稀釋作用加大，使水體污染程度降低，水質(zhì)得到改善，但G3組在豐水期水質(zhì)并沒(méi)明顯變化，這種差異可能是由于水質(zhì)受氣候環(huán)境和人為干擾綜合影響，即使豐水期來(lái)水較多，但G3組各監(jiān)測(cè)斷面受人類活動(dòng)影響也較大，其周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中，豐水期也正處于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌水施肥期間，大量含氮有污染性的物質(zhì)流入水中，對(duì)水環(huán)境造成較大影響。到枯水期G3組水質(zhì)有所改善，變?yōu)棰纛?，且G1、G2組水質(zhì)明顯好于平水期，分別達(dá)到Ⅱ類、Ⅲ類。

3 討 論

結(jié)合清水河流域自然地理特征和河岸帶沿線土

地利用現(xiàn)狀對(duì)聚類后的3組情況進(jìn)行分析可知，各組清水河干流水質(zhì)空間分布特征明顯，與清水河河岸線土地利用現(xiàn)狀確有一定的關(guān)聯(lián)性，這與冉桂花等[21]在對(duì)三峽庫(kù)區(qū)不同斷面的水質(zhì)分類情況研究時(shí)得出空間上水環(huán)境污染情況與土地利用類型關(guān)系較大的結(jié)論具有一致性。

依據(jù)主成分分析的基本原理，分析提取的4個(gè)主成分包含的主要水質(zhì)污染指標(biāo)為總氮、氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物(F-)，說(shuō)明清水河的氮污染、有機(jī)污染和氟化物污染對(duì)干流水環(huán)境影響較大。為改善水質(zhì)，應(yīng)減少水體廢物排放，加大治理氟化物污染強(qiáng)度。

由灰色關(guān)聯(lián)法分析可知，清水河干流水質(zhì)在不同來(lái)水期季節(jié)性變化較明顯。根據(jù)鄧樹松[22]對(duì)清水河實(shí)行河長(zhǎng)制管理的效果評(píng)價(jià)以及2018年中衛(wèi)市政府制定《清水河流域水污染防治工作方案》的實(shí)施，說(shuō)明清水河水質(zhì)的改善與政府的管理工作、治污力度密不可分。平水期時(shí)上中游、下游段水質(zhì)較差,上中游為Ⅳ類水，下游段為Ⅴ類水，豐水期上中游段得到改善達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但下游仍為Ⅴ類水。枯水期上中游段達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，下游段也逐漸變好達(dá)到Ⅳ類水。清水河干流水質(zhì)整體表現(xiàn)為平水期較差，到枯水期時(shí)逐漸變好，季節(jié)性差異較大。

4 結(jié) 論

(1) 清水河干流18個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在空間上分為3組，G1組為植被覆蓋度高、人類活動(dòng)少的清水河源頭和泉眼山入黃口；G2組為流經(jīng)部分工業(yè)區(qū)和部分揚(yáng)水灌區(qū)的上、中游段；G3組為流經(jīng)大部分工業(yè)聚集區(qū)和揚(yáng)水灌區(qū)的下游段。G1組水質(zhì)較好，G3組水質(zhì)較差，清水河干流水質(zhì)空間分布特征與河岸線功能規(guī)劃關(guān)系密切，表明土地利用情況對(duì)清水河水質(zhì)空間分布影響較大。

(2)清水河水質(zhì)主要污染源為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的氮元素污染和工業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)污染，其主要水環(huán)境污染因子為總氮、氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物(F-)；各水環(huán)境因子空間分布異質(zhì)性較明顯。總體表現(xiàn)為下游水環(huán)境因子濃度高于上游和中游，下游受污染程度較大。

(3)清水河干流水質(zhì)在不同來(lái)水期季節(jié)性變化較明顯?？菟谒|(zhì)最好，平水期最差。豐水期大量的天然降雨對(duì)污染物由稀釋作用，使上、中游段水環(huán)境污染程度明顯得到改善，但下游段水質(zhì)仍較差，為Ⅴ類水。