長江宜賓段水質(zhì)時(shí)空分布特性分析
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龔清蓮， 劉穎+， 湯冰冰
（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都610000）
摘要：依據(jù)長江宜賓段出入境監(jiān)測斷面2004年、2008年和2012年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了該江段的綜合水質(zhì)、主要污染因子及水質(zhì)時(shí)空分布特性。選取高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、石油類、TN、TP和糞大腸菌群6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，通過綜合污染指數(shù)法對水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)得出：該江段2008年水質(zhì)清清，2004年和2012年水質(zhì)輕污染。選取pH值、DO、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、石油類、TN、TP和糞大腸菌群8個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，利用SPSS17.0軟件和主成分分析方法對該江段的主要污染因子和水質(zhì)時(shí)空分布特性進(jìn)行分析得出：主成分分析將8個(gè)水質(zhì)指標(biāo)概括為4個(gè)主成分；水質(zhì)年內(nèi)變化特點(diǎn)為夏季水質(zhì)最差，其它季節(jié)較夏季水質(zhì)更好；水質(zhì)年際變化為2008年的水質(zhì)優(yōu)于2012年的水質(zhì)，2012年的水質(zhì)優(yōu)于2004年的水質(zhì)；掛弓山斷面的水質(zhì)優(yōu)于井口斷面的水質(zhì)。
關(guān)鍵詞：水質(zhì)；時(shí)空分布；綜合污染指數(shù)法；主成分分析；長江宜賓段
長江是我國水量最豐富的地區(qū)，其流域面積約占全國總面積的1/5，人口占全國的42.7%，長江經(jīng)濟(jì)帶覆蓋的11�。ㄊ校┑腉DP總量占全國的45.5%，排污量也占到了中國總量的43.1%。宜賓市地處四川盆地的西南部邊緣，位于金沙江、岷江、長江匯合處，是長江干流的起始點(diǎn)，長江在其境內(nèi)的流程為83.6 km。宜賓作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大市，隨著其社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，該段水體的氮、磷負(fù)荷不斷增加。宜賓獨(dú)特的地理位置使其成為長江水環(huán)境監(jiān)測及水質(zhì)控制的重要地區(qū)（見圖1），因此對長江流域宜賓段的水質(zhì)時(shí)空分布特性進(jìn)行分析，可以了解該江段的綜合污染狀況、主要污染因子及水質(zhì)時(shí)空分布特性，為調(diào)節(jié)優(yōu)化沿江產(chǎn)業(yè)布局、制定合理的城市管理方案、控制水體污染及加強(qiáng)水質(zhì)管理提供科學(xué)依據(jù)。
1研究方法
1.1綜合污染指數(shù)法
綜合污染指數(shù)法是對各污染指標(biāo)的相對污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出代表水體污染程度的數(shù)值。該方法計(jì)算方法簡單，適用范圍廣，可以有效地衡量水質(zhì)總體狀況，確定水體的污染程度，并對水污染狀況進(jìn)行綜合判斷，也便于進(jìn)行同一水系時(shí)間上的基本污染狀況和變化的比較。計(jì)算公式如下：
式(1)中，P，為，斷面的水污染綜合指數(shù)；G為j斷面f項(xiàng)指標(biāo)年平均值；C,o為f項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)值；，z為參與評價(jià)的指標(biāo)項(xiàng)數(shù)。
水質(zhì)狀況分級標(biāo)準(zhǔn)如表1。
文章根據(jù)長江宜賓段上游掛弓山和下游井口2個(gè)監(jiān)測斷面2004年、2008年和2012年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、石油類、TN、TP和糞大腸菌群6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)（pH值和DO達(dá)到一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，重金屬鉛、鎘未檢出，故未選取），通過綜合污染指數(shù)法對該江段的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)。
1.2主成分分析法
河流水質(zhì)污染是由許多因素綜合而成的，水質(zhì)系統(tǒng)是一個(gè)由多維因子（多種污染物含量、指標(biāo)變量）組成的復(fù)雜系統(tǒng)，因子間具有不同程度的相關(guān)性，每一因子從某個(gè)方面反映了水質(zhì)質(zhì)量。依據(jù)這些變量做綜合評價(jià)有一定的難度，尤其是在變量和樣本繁多的情況下。主成分分析法( principal component analysis，PCA)是通過對各水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，將原來眾多的具有一定相關(guān)性的變量重新組合成新的少數(shù)幾個(gè)相互無關(guān)的綜合變量，來代替原來變量的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。這些新的綜合變量稱之為主成分，主成分包含主要的污染物信息既彼此獨(dú)立，又能夠反映主要問題，還能有效排除不相關(guān)指標(biāo)的影響，具有較好的客觀性。水質(zhì)時(shí)空分布研究是分析水質(zhì)在時(shí)間、空間尺度上的離散與分布特征，包括空間相似性和差異。
文章根據(jù)長江宜賓段上游掛弓山和下游井口2個(gè)監(jiān)測斷面2004年、2008年和2012年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取pH值、DO、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、石油類、TN、TP、糞大腸菌群共8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)（重金屬鉛、鎘未檢出，故未選�。肧PSS 17.0軟件，通過主成分分析法分析了該江段的主要污染因子和時(shí)空分布特性。
2結(jié)果分析
2.1水質(zhì)評價(jià)
將掛弓山斷面和井口斷面2004年、2008年和2012年各年全年的監(jiān)測數(shù)據(jù)年平均后進(jìn)行分析得到結(jié)果如表2。
評價(jià)結(jié)果顯示，長江宜賓段水質(zhì)較好。2008年水質(zhì)最優(yōu)，清潔無污染，2004年和2012年水質(zhì)輕污染。
水污染綜合指數(shù)越大，說明污染程度越嚴(yán)重。通過比較水污染綜合指數(shù)可以看出，2004年和2012年、掛弓山斷面和井口斷面的水污染綜合指數(shù)相差并不明顯。污染指數(shù)法本身隱含著這樣一個(gè)假設(shè)：污染物對環(huán)境的影響與污染物的濃度是嚴(yán)格呈線性的；但事實(shí)并非完全如此，這種綜合污染指數(shù)法掩蓋了量少但危害大的污染物，且該方法還存在未考慮多個(gè)不同污染指標(biāo)對水質(zhì)影響程度差異的局限性。因此，為進(jìn)一步準(zhǔn)確分析污染長江宜賓段水質(zhì)的主要因子和該江段的時(shí)空分布，研究選擇采用主成分分析法進(jìn)行深入分析。
2.2主要污染因子
將2004年、2008年和2012年掛弓山斷面和井口斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)每4個(gè)月做一次平均（1-4月，5-8月，9-12月），每4個(gè)月的平均數(shù)據(jù)見表3。
考慮到水質(zhì)指標(biāo)數(shù)量級和大小上的差異，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后再用SPSS17.0進(jìn)行主成分分析。利用SPSS 17.0求得的主成分提取分析表見表4。
由于僅當(dāng)特征值大于l時(shí)，所對應(yīng)的主成分才有意義，因此，根據(jù)分析結(jié)果選取了4個(gè)主成分。這4個(gè)主成分累積的方差貢獻(xiàn)率為89.6430A，它們所對應(yīng)的主成分已經(jīng)能夠反映原始指標(biāo)的絕大部分信息。研究將與主成分相關(guān)系數(shù)的絕對值大于0.6的指標(biāo)認(rèn)定為與該主成分顯著相關(guān)的指標(biāo)。成分矩陣見表5。
根據(jù)表4和表5可知，第一主成分F1的方差貢獻(xiàn)率為33.589%，為第一類主要污染源，F(xiàn)1與高錳酸鹽指數(shù)和TP呈顯著正相關(guān)，與DO呈顯著負(fù)相關(guān)，說明在F1中高錳酸鹽指數(shù)、TP和DO是影響水質(zhì)的主要因子。第二主成分F2的方差貢獻(xiàn)率為28.370%，為第二類主要污染源，F(xiàn)2與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，與氨氮和TN呈顯著正相關(guān)，說明在F2中pH值、氨氮及TN是影響水質(zhì)的主要因子，其中TN的影響作用最大。第三主成分F3的方差貢獻(xiàn)率為14.944%，為第三類主要污染源，F(xiàn)3與糞大腸菌群呈顯著正相關(guān)，說明在F3中糞大腸菌群為影響水質(zhì)的主要因子。第四主成分F4的方差貢獻(xiàn)率為12.741%，為第四類主要污染源，F(xiàn)4與石油類呈顯著正相關(guān)，說明在F4中石油類為影響水質(zhì)的主要因子。
F1、F2代表了有機(jī)污染物和富營養(yǎng)污染。從DO和高錳酸鹽指數(shù)在F1上的載荷可以看出F1代表的有機(jī)污染物多為好氧有機(jī)污染物。這些污染物主要來源于工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水及農(nóng)業(yè)面源污染輸入的氮磷。
2.3 時(shí)空分布特性分析
將成分矩陣中的4列數(shù)據(jù)分別命名為Bi、B2、B3、B4后錄入SPSS17.0，經(jīng)“A,=B,/SQRT(A)”(/=1、2、3、4；A為特征值)得到特征向量。表6為特征向量。
根據(jù)特征向量可得主成分因子得分的線性方程式如下：
其中，Z1、Z2、Z3、Z4分別表示4個(gè)主成分的主成分因子得分；x1、X2、X3、X4、x5、X6、X7、X8分別表示pH、DO、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、石油類、TN、TP和糞大腸菌群。
將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)代人上述方程即可得到各主成分的得分，各主成分得分與對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率乘積的總和即為綜合得分。根據(jù)各主成分得分及綜合得分可對流域水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行定量化描述，由于水質(zhì)指標(biāo)為低優(yōu)指標(biāo)，因此得分越高，說明水體污染越嚴(yán)重，由此可對該流域水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行排序和分級。主成分得分、主成分綜合得分及排序見表7。
根據(jù)表7得2004年、2008年和2012年的主成分綜合得分圖如圖2；掛弓山斷面和井口斷面的主成分綜合得分圖如圖3。
由于水質(zhì)指標(biāo)是低優(yōu)指標(biāo)，從圖2可看出2008年的水質(zhì)優(yōu)于2012年的水質(zhì)，2012年的水質(zhì)優(yōu)于2004年的水質(zhì)。根據(jù)2004年對宜賓段三江沿岸主要工礦企業(yè)調(diào)查顯示，2004年前沿江多家工礦企業(yè)每年污水排放量大，達(dá)標(biāo)排放率低；城鎮(zhèn)生活污水未經(jīng)任何處理直接排入江中；沿三江兩岸的多個(gè)垃圾場的污染物隨降雨流人江中。2004年起宜賓市政府環(huán)保部門加大了對工礦企業(yè)排污的監(jiān)管力度，排污主要工礦企業(yè)都修建了一定的污水處理措施，減少了工業(yè)廢水的排放所以2008年的水質(zhì)較2004年的水質(zhì)變好。2007年11月、2008年12月金沙江下游2座巨型水電站——溪洛渡水電站和向家壩水電站先后截流，對長江上游，特別是宜賓段的水文情勢有著顯著影響梯級電站建設(shè)運(yùn)行形成的梯級水庫，使得流域流速變緩，大氣覆氧能力降低，水中溶解氧下降，導(dǎo)致水體自凈能力減弱，水環(huán)境容量降低，對污染物的稀釋、混合和降解能力減弱，造成電站下游水質(zhì)變差。向家壩下游兩岸均為丘陵農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)種植中使用的農(nóng)藥及土壤中自身含有的污染物會(huì)隨農(nóng)田灌溉水進(jìn)人流域。航運(yùn)條件的改善促進(jìn)了航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，不可避免的使得進(jìn)入流域的石油類污染物增多。因此，2012年的水質(zhì)較2008年的水質(zhì)變差。雖然2004年和2012年的水質(zhì)都劣于2008年的水質(zhì)，但相對2004年來看，2012年人們的環(huán)保意識更強(qiáng)，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)兼顧保護(hù)環(huán)境，市政府環(huán)保部門對企業(yè)排污的監(jiān)管力度更大，修建了多個(gè)城市污水處理廠，故2012年的水質(zhì)相對2004年的水質(zhì)較好。
從圖3看出，2004年、2008年和2012年長江宜賓段水質(zhì)的年內(nèi)變化趨勢一致，呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性，為夏季水質(zhì)最差，其它季節(jié)較夏季水質(zhì)更好。由文獻(xiàn)[12，15]可知，長江流域春季、秋季降水下降，而夏季、冬季降水增加，豐水期污染最重，原因在于豐水期常有強(qiáng)降雨，地面大量的污染物，如殘留的農(nóng)藥化肥等，隨著強(qiáng)降雨的沖刷被帶入水體，導(dǎo)致豐水期水體污染較為嚴(yán)重。向家壩水電站投入使用后，蓄水期流向下游的水量大大減少，水體流速減慢，泥沙沉降快，泥沙沉降的同時(shí)吸附水體中的高錳酸鹽指數(shù)、TN、TP、糞大腸菌群等污染物質(zhì)，使水體中污染物質(zhì)減少，水質(zhì)變好。非蓄水期水流量大，水體流速較快，泥沙沉降較慢，水體中含有的懸浮物多，同時(shí)，水體中與泥沙關(guān)系密切的高錳酸鹽指數(shù)、TN、TP、糞大腸菌群等污染物質(zhì)含量也更多，導(dǎo)致水質(zhì)變差。以上原因都導(dǎo)致長江流域宜賓段水質(zhì)年內(nèi)變化為夏季水質(zhì)最差，其它季節(jié)較夏季水質(zhì)更好。
由圖3可看出，掛弓山斷面的水質(zhì)較井口斷面的水質(zhì)更好。長江流域?qū)儆?#8546;類水體，水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值選取GB3838-2002中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值作為標(biāo)準(zhǔn)值。從兩斷面的水質(zhì)指標(biāo)每4個(gè)月的平均值（表3）來看，兩斷面的pH值均在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，總的來說，掛弓山斷面DO的含量高于井口斷面，高錳酸鹽指數(shù)和糞大腸菌群的含量少于井口斷面，氨氮的含量高于井口斷面，兩斷面受TN、TP和石油類污染物污染程度相當(dāng)。兩斷面DO含量均達(dá)到了I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮的含量均達(dá)到了Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，高錳酸鹽指數(shù)和石油類的含量均達(dá)到了Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。DO是水中有機(jī)物進(jìn)行氧化分解的重要條件，其含量可以直接表示水質(zhì)的好壞。該江段DO含量正常，說明水體受到有機(jī)物污染小。TN和TP大部分超標(biāo)，糞大腸菌群數(shù)全部超標(biāo)。以上說明長江宜賓段水體主要受富營養(yǎng)污染，受有機(jī)物污染不嚴(yán)重，掛弓山斷面較井口斷面受到污染更小。總的來說，掛弓山斷面的水質(zhì)優(yōu)于井口斷面的水質(zhì)。
3結(jié)論
文章采用綜合污染指數(shù)法和主成分分析方法，對長江宜賓段2004年、2008年和2012年上游掛弓山和下游井口2個(gè)監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，分析和探討了該江段的綜合污染狀況、主要污染因子和水質(zhì)時(shí)空分布特性。
(1)綜合污染指數(shù)法分析結(jié)果表明，長江宜賓段2008年水質(zhì)清潔，2004年和2012年水質(zhì)輕污染。
(2)通過對長江宜賓段的8個(gè)水質(zhì)指標(biāo)（pH值、DO、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、石油類、TN、TP、糞大腸菌群）進(jìn)行主成分分析，提取了4個(gè)主成分。第一主成分為第一類主要污染源，主要代表DO、高錳酸鹽指數(shù)和TP。第二主成分為第二類主要污染源，主要代表pH值、氨氮和TN。第三主成分為第三類主要污染源，代表糞大腸菌群。第四主成分為第四類主要污染源，代表石油類污染物。F1、F2代表了有機(jī)污染物和富營養(yǎng)污染。該江段主要受富營養(yǎng)污染，受有機(jī)物污染不嚴(yán)重，有機(jī)污染物多為好氧有機(jī)污染物。這些污染物主要來源于工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水及農(nóng)業(yè)面源污染輸入的氮磷。
(3)對長江宜賓段水質(zhì)進(jìn)行時(shí)空分布特性分析得到，時(shí)間尺度上，該江段水質(zhì)年際變化為2008年的水質(zhì)優(yōu)于2012年的水質(zhì)，2012年的水質(zhì)優(yōu)于2004年的水質(zhì)；年內(nèi)變化呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性，夏季水質(zhì)最差，其它季節(jié)較夏季的水質(zhì)要好；空間尺度上，掛弓山斷面的水質(zhì)優(yōu)于井口斷面的水質(zhì)。
