基于多元統(tǒng)計分析的尼洋河水質(zhì)評價

郝守寧，田軍林，董 飛

(1.西藏農(nóng)牧學院，西藏 林芝 860000；2.中山市水庫水電工程管理中心，廣東 中山 528403；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

河流水質(zhì)是流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的一項重要指標，同時也是分析流域污染特征的重要依據(jù)之一[1,2]，全面評價河流水環(huán)境質(zhì)量掌握水環(huán)境污染特征是防治河流水環(huán)境污染的重要依據(jù)[3]。尼洋河流域位于藏東南生態(tài)安全屏障區(qū)水生態(tài)環(huán)境極其脆弱，同時也是工布江達縣與林芝市的重要飲用水源地，隨著林芝市種植業(yè)及其旅游業(yè)的發(fā)展，河流水環(huán)境問題日益突出，人口的增加及社會經(jīng)濟系統(tǒng)排放的污染物勢必會對水環(huán)境質(zhì)量造成嚴重的危害[4]，尼洋河水質(zhì)指標超標問題日益凸顯逐步成為高原城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸要素。多年來，對尼洋河的水環(huán)境問題研究方面極為欠缺，僅僅停留在對尼洋河水質(zhì)中的幾項常規(guī)指標利用單因子評價法和模糊綜合評價法進行簡單的評價論述，但河流水環(huán)境問題是由多項組成的復雜系統(tǒng)，且不同的監(jiān)測指標間往往存在一定程度的重疊，從而造成單因子評價法和模糊綜合評價法在對尼洋河水環(huán)境問題的評價上具有一定的局限性和適用性[3]。多元統(tǒng)計分析方法被廣泛應用到水體水質(zhì)評價與分析中[5]，同時對水質(zhì)空間變化的分析和污染指標的識別都是很有效的方法[6]。本研究借助SPSS軟件的統(tǒng)計分析平臺利用主成分分析法和絕對主成分多元線性回歸模型，應用主成分分析法[3]對尼洋河干流多個原始水質(zhì)影響因子轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個相互獨立的綜合指標進行，識別其污染指標并對水質(zhì)進行綜合評價，進一步利用絕對主成分多元線性回歸模型[6]量化分析各主成分對尼洋河不同水質(zhì)指標的影響程度，以期為控制尼洋河主要污染物指標，開展高原生態(tài)脆弱區(qū)水資源保護和可持續(xù)利用具有非常重要的意義。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)概況

尼洋河流域位林芝市西北部，屬于藏東南生態(tài)安全屏障區(qū)，河流發(fā)源于西藏自治區(qū)米拉山西側(cè)的錯木梁拉，由西向東流，河流全長約309.02 km，流經(jīng)工布江達縣、林芝縣，在林芝縣的則們附近匯入雅魯藏布江，多年平均年徑流深大約972 mm，水量僅小于帕隆藏布，為雅魯藏布江的第二大支流[7]。尼洋河受印度洋暖流與北方寒流的影響，形成了林芝地區(qū)特有的氣候條件，流域內(nèi)氣候溫和濕潤，年均氣溫8 ℃左右[8]，年降水量800 mm左右且年內(nèi)徑流量相對集中在6-9月，汛期徑流量占年徑流總量的90%左右[9]。尼洋河流域河網(wǎng)較為密集，干流的支流眾多，大約每隔4～5 km就有一條常年流水的溝谷，屬于典型的高原河流。同時尼洋河是工布江達縣和林芝縣生活及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的重要供水水源地，流域內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)耕種植是農(nóng)牧民的主要經(jīng)濟來源。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及農(nóng)村城鎮(zhèn)化的推進，加之尼洋河干流水利工程的建設(shè)的加速，直接影響了尼洋河干流多項水質(zhì)監(jiān)測項目濃度值在空間上的變化，因此，分析和評價尼洋河干流水體的污染特征具有重要的意義。

1.2 斷面布設(shè)與水質(zhì)指標監(jiān)測方法

依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91-2002) 中的斷面布設(shè)原則，結(jié)合高原河流特有的地形地貌特征及尼洋河水系的分布特點，綜合考慮流域內(nèi)污染源和水利工程的分布特征以及采樣點的可達性，在尼洋河干流共布設(shè)10個監(jiān)測斷面，監(jiān)測點分布見圖1。采樣頻次為2018年枯水期(1-3月)與豐水期(7-9月)每月1次。評價指標選取化學需氧量COD、氨氮NH3-N、總氮TN、總磷TP、 鉛Pb和鎘Cd共6項。具有代表意義的水質(zhì)指標總氮TN、總磷TP、氨氮NH3-N、化學需氧量COD，采集500 mL水樣分別加硫酸和硝酸固定后放置于密封采樣容器帶回實驗室進行測定(3次重復)，由于尼洋河水環(huán)境中的重金屬含量較小，鉛Pb、鎘Cd和銅Cu的檢測依托西藏農(nóng)牧學院高原水環(huán)境水生態(tài)研究所內(nèi)的SP-35620原子吸收分光光度計進行檢測分析。水樣水質(zhì)的保存、預處理和檢測嚴格按照國家相關(guān)標準方法。

圖1 尼洋河流域采樣點位分布示意圖

1.3 評價方法

本研究應用SPSS23.0軟件中的因子分析功能對尼洋河各個監(jiān)測斷面的水體指標濃度提取主成分，采用最大方差法對因子進行旋轉(zhuǎn)，根據(jù)得到的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣進行水質(zhì)綜合評價，同時分析各主成分中顯著相關(guān)的水質(zhì)指標，同時對汛期和枯水期水體水質(zhì)指標進行相關(guān)性分析，了解水體中各指標間的相互關(guān)系分析其污染來源，結(jié)合因子分析后公共因子的得分進行加權(quán)求和，對河流監(jiān)測點進行綜合得分[10]評價分析，其中權(quán)數(shù)為公共因子的方差貢獻率。通過對研究區(qū)內(nèi)汛期與枯水期原始檢測水質(zhì)指標含量的KMO和Bartleet檢驗分析，汛期與枯水期監(jiān)測數(shù)據(jù)的KMO檢驗值分別為0.548與0.501(都大于0.5)，且Bartleet檢驗的顯著性分別為0.000與0.001(都小于0.01)，此分析結(jié)果說明進行因子分析是可行的[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 尼洋河水體污染物含量特征

對2018年尼洋河汛期和枯水期的6項監(jiān)測水質(zhì)指標濃度進行統(tǒng)計分析，描述統(tǒng)計結(jié)果見表1，由表1可知，6項水質(zhì)指標中除了COD與Cd汛期均值大于枯水期，其余水質(zhì)指標平均濃度值均小于枯水期，此結(jié)果主要由流域內(nèi)高山雪融水增加，汛期降雨量充沛所導致，汛期降雨與高山雪融水的驟增使河道水量增加[9]從而增強了河水對入河污染物的稀釋。所監(jiān)測的6項水質(zhì)指標在汛期與枯水期有著同樣的規(guī)律，其平均濃度值排序均為COD> TN>NH3-N>TP>Pb>Cd。由各水質(zhì)指標濃度的最小值與最大值可知尼洋河水質(zhì)在時空分布上，所監(jiān)測的6項水質(zhì)指標中除了Pb的濃度范圍波動枯水期大于汛期，其余5項水質(zhì)指標濃度波動范圍均小于汛期，由此可見汛期尼洋河水質(zhì)在空間分布上差異較大，此結(jié)果與汛期降雨量入河所攜帶的面源污染物離不開關(guān)系。依據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中水質(zhì)指標標準值，尼洋河汛期和枯水期的水質(zhì)指標NH3-N、TP、Pb 與Cd的平均濃度值都低于Ⅰ類標準限值；COD指標平均濃度值在枯水期屬于Ⅲ類水質(zhì)，在汛期則屬于Ⅳ類水質(zhì)；TN指標在汛期與枯水期的平均濃度值均屬于Ⅱ類水質(zhì)。由于所監(jiān)測的6項水質(zhì)指標濃度范圍波動較大，結(jié)合采樣點的分布及水質(zhì)指標檢測的原始結(jié)果可知尼洋河水體水質(zhì)在時空分布上有以下特征：根據(jù)汛期及枯水期COD指標濃度在河流上的分布，汛期與枯水期有著相似的規(guī)律，尼洋河水體中COD指標濃度最高值同時出現(xiàn)在中游(巴河入尼洋河的前后監(jiān)測點)屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，最小濃度值出現(xiàn)在下游(林芝市前后監(jiān)測點)小于Ⅰ類水質(zhì)標準濃度，汛期與枯水期水體中的COD指標濃度表現(xiàn)為中游>上游>下游；TP、NH3-N與TN指標濃度值汛期在空間上的分布有著相同的規(guī)律，濃度最高值同時出現(xiàn)在上游，且濃度值伴隨河流方向呈平穩(wěn)下降的趨勢，TN指標濃度值在枯水期與汛期在空間分布上基本相似，但汛期的TP與NH3-N指標濃度值在空間上沒有明顯的變化趨勢，但總體表現(xiàn)為下游水體濃度值最低，尼洋河水體中TP、NH3-N與TN指標濃度值在Ⅰ～Ⅲ類水體標準值之間；汛期重金屬Pb 與Cd指標濃度值在空間分布上隨河流方向成線性下降趨勢，且濃度值排序為上游>中游>下游，但枯水期重金屬Pb 與Cd指標最小濃度值出現(xiàn)在中游，其濃度值在空間的排序游>下游>中游。值得注意的是6項水質(zhì)指標濃度在空間上的分布同時表現(xiàn)為汛期水質(zhì)優(yōu)于枯水期。以上分析結(jié)果與次仁卓瑪[11]對尼洋河水質(zhì)檢測結(jié)果的描述基本吻合。尼洋河下游水體水質(zhì)在時空分布上變現(xiàn)為汛期下游水體最優(yōu)。

表1 尼洋河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2 尼洋河水質(zhì)指標相互關(guān)系

相關(guān)性分析常用來揭示指標間的相互內(nèi)在關(guān)系，通過對尼洋河6項水質(zhì)指標濃度值進行相關(guān)分析，尼洋河各水質(zhì)指標間的相關(guān)關(guān)系矩陣見表2。由表2可知汛期水體中水質(zhì)指標間顯著相關(guān)指標多于枯水期，說明尼洋河水體受流域內(nèi)降雨匯流帶來的面源污染因子影響較大；無論在汛期還是枯水期尼洋河水質(zhì)指標COD與其余5項水質(zhì)指標無明顯的相關(guān)關(guān)系，說明指標COD污染來源于其余污染指標來源不同[8]；汛期指標TP與TN、NH3-N、Pb 、Cd指標均有顯著的相關(guān)性，指標TN與NH3-N相關(guān)系數(shù)為0.686，指標NH3-N與重金屬指標Pb與Cd的相關(guān)系數(shù)分別達到了0.724與0.846，同時重金屬指標指標Pb與Cd的相關(guān)系數(shù)達到0.921；尼洋河流域重金屬指標主要來自流域的土壤內(nèi)，而常規(guī)指標污染物主要來自流域內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖及其他的農(nóng)業(yè)面源污染源[12]，重金屬指標Pb與Cd的相關(guān)系數(shù)說明，受汛期降雨影響流域內(nèi)水土流失加重是河流水體重金屬的主要來源，結(jié)合流域監(jiān)測斷面實測指標濃度與流域內(nèi)的生產(chǎn)力及其生活生產(chǎn)方式分布[13]，指標TP與TN、NH3-N、Pb 、Cd的相關(guān)系數(shù)，反映了流域內(nèi)降雨入河所帶入水體的常規(guī)污染物及重金屬污染物(TP、TN、NH3-N、Pb 、和Cd)主要來源于流域地表殘留的面源污染物[14]，NH3-N與重金屬指標Pb與Cd相關(guān)系數(shù)說明了此三項指標污染源主要來源于流域內(nèi)農(nóng)田的水土流域?？菟谖ㄓ袃山M顯著相關(guān)的指標關(guān)系，指標TP與TN的顯著相關(guān)系數(shù)為0.734，指標NH3-N與重金屬指標Pb和Cd的顯著相關(guān)系數(shù)分別為0.640與0.936；枯水期的水體水質(zhì)受降雨匯入的影響較小，綜合6項指標濃度間的顯著相關(guān)系數(shù)與各監(jiān)測斷面的結(jié)果，枯水期水體中TP與TN指標主要來源于流域內(nèi)居民生活污水及河灘地的畜禽養(yǎng)殖，污染物NH3-N與重金屬Pb和Cd主要來自高山融雪水對河流沿程土壤中重金屬的攜帶。

表2 各指標之間相關(guān)關(guān)系

注：**表示在0. 01上顯著相關(guān)，*表示在0. 05上顯著相關(guān)。

2.3 尼洋河水質(zhì)主成分分析

對尼洋河汛期和枯水期的水質(zhì)指標濃度進行主成分提取及旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣見表3，結(jié)果表明：尼洋河水體指標汛期提取出2個主成分，第1主成分FPC1和第2主成分FPC2的方差貢獻率分別為59.33%和25.37%，累計方差貢獻率達到84.7%，由此可知FPC1較FPC2對尼洋河汛期水體水質(zhì)狀況影響大；從旋轉(zhuǎn)因子載荷系數(shù)值可知，汛期尼洋河水體指標與FPC1顯著相關(guān)的指標有TP、TN、NH3-N、Pb 、Cd，其中唯有NH3-N、Pb 、Cd與FPC1的相關(guān)性均大于0.90，說明汛期尼洋河水體重金屬污染較為嚴重，據(jù)研究畜禽養(yǎng)殖對水環(huán)境的影響中發(fā)現(xiàn)畜禽糞便中重金屬含量較高[14]，且長期的畜禽糞便停留在流域地層表明，經(jīng)過汛期降雨的沖刷大部分會帶入主干河流水體中，加之汛期降水量較大加快了流域內(nèi)的水土流失，土壤中的重金屬與畜禽糞便中的重金屬是汛期重金屬指標的重要來源；與FPC2顯著相關(guān)的指標有TP、COD、TN、NH3-N、Pb ，其中唯有指標COD與FPC2的相關(guān)系數(shù)大于0.90，尼洋河流域地處高原，流域內(nèi)沒有重工業(yè)的影響，其污染物的主要來源為流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)污染源[12]，研究成果[15]顯示流域水體COD，TP、TN、NH3-N等常規(guī)指標污染的主要來源為畜禽養(yǎng)殖及生活污水污染源，汛期的降雨是畜禽養(yǎng)殖、生活污水與農(nóng)田化肥等污染源通過面源污染進入河流水體的主要途徑。尼洋河水體指標枯水期同樣提取了出2個主成分，第1主成分LPC1和第2主成分LPC2的方差貢獻率分別為47.254%和34.743%，累計方差貢獻率達到81.997%，同樣LPC1較LPC2對尼洋河枯水期水體水質(zhì)狀況影響大，枯水期尼洋河水體指標與LPC1顯著相關(guān)且相關(guān)系數(shù)大于0.90的指標唯有NH3-N和Pb兩個指標，與LPC2顯著相關(guān)且相關(guān)系數(shù)較大唯有TP指標，枯水期水體主要為有機污染，常規(guī)指標污染濃度較大，枯水期面源污染對河流影響較小，但尼洋河流域地形特殊，流域內(nèi)農(nóng)牧業(yè)主要分布在寬闊的河谷灘地，河流主要來水為高山雪融水，受特殊的地形地貌及農(nóng)牧業(yè)的影響，枯水期內(nèi)畜禽養(yǎng)殖糞便直接排放到河流當中，較汛期雨水引起的面源污染更為嚴重，監(jiān)測結(jié)果與主成分分析結(jié)果基本吻合，枯水期水體有機物指標濃度高于汛期。由于枯水期重金屬Pb與Cd指標濃度平均值與汛期差別較小(表1)，且在汛期和枯水期都與第1主成分相關(guān)性較高，此結(jié)果說明了尼洋河水體中重金屬污染來源有差異。

表3 尼洋河水質(zhì)主成分分析及其旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

2.4 尼洋河水質(zhì)特征綜合評價

尼洋河各監(jiān)測斷面汛期與枯水期水體水質(zhì)指標的主成分綜合得分見表4，其中綜合評價得分中所計算的每個斷面得分數(shù)據(jù)都是標準化后的數(shù)據(jù)，其得分為負值不代表負相關(guān)，而是說明此綜合得分低于平均水平。結(jié)果表明：無論是汛期還是枯水期綜合得分最高的監(jiān)測斷面為巴河入尼洋河的前后監(jiān)測斷面，值得注意的是汛期巴河前監(jiān)測斷面綜合得分大于巴河后監(jiān)測斷面，而枯水期巴河巴河前監(jiān)測斷面綜合得分小于巴河后監(jiān)測斷面，說明汛期巴河水質(zhì)優(yōu)于巴河入口氣前的尼洋河水質(zhì)，汛期巴河與干流水量較大，受巴河上游水庫的影響巴河匯入尼洋河后對干流水質(zhì)有較好影響，而枯水期巴河水量及干流水量都比較小，優(yōu)于巴河上游老虎嘴電站蓄水發(fā)電的影響，巴河流量較少，受巴河流域內(nèi)農(nóng)牧業(yè)的影響水體中所含污染物濃度較高從而影響尼洋河干流水質(zhì)；結(jié)合圖1監(jiān)測點的分布及各斷面，各監(jiān)測斷面在汛期與枯水期的綜合得分有著相同的規(guī)律，即綜合得分最低的斷面分布在尼洋河下游，說明下游水體水質(zhì)最優(yōu)，自多布電站水庫以下，尼洋河干流河網(wǎng)密集度逐步減少，且下游多以城鎮(zhèn)民居住為主[13]，污染源相對單一且容易控制，在時空分布上下游水體水質(zhì)在整個尼洋河流域?qū)儆谧顑?yōu)水體；上游各監(jiān)測斷面(工布江達后至娘曲前)在汛期與枯水期的綜合得分低于中游，高于下游，說明上游水體水質(zhì)劣于下游水體而優(yōu)于中游水體，上游河網(wǎng)較為密集，且控制流域面積較大，無論汛期還是枯水期水土凍融流失[16]較為嚴重，同時上游以牧業(yè)為主[13]，大量畜禽糞便對尼洋河上游水質(zhì)有一定的影響。主成分分析(表3)的分析結(jié)果與水質(zhì)指標間相互關(guān)系(表3)分析結(jié)果從側(cè)面目驗證了上游水體中重金屬與常規(guī)指標污染物主要來自流域土壤和畜禽養(yǎng)殖糞便的流失。同時尼洋河水質(zhì)的綜合評價得分結(jié)果，與上述尼洋河水體污染特征中依據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》分析的結(jié)果一致，無論汛期還是枯水期下游水體水質(zhì)最優(yōu)，中游水體水質(zhì)最差，上游水體水質(zhì)優(yōu)于下游劣于下游。

表4 尼洋河水體各斷面水質(zhì)綜合評價

3 結(jié) 論

(1)尼洋河水體水質(zhì)主要為水體富營養(yǎng)化污染和有機污染，主要體現(xiàn)在COD、 TN及TP的污染濃度較大；不論枯水期還是汛期，水體中水質(zhì)指標濃度的大小與流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖、生活污染及水土流失等污染源的分布有著密切的關(guān)系；尼洋河水體在時間上的表現(xiàn)為汛期水質(zhì)優(yōu)于枯水期，汛期和枯水期水質(zhì)指標濃度提取的主成分和各個監(jiān)測斷面綜合得分的差異，說明流域內(nèi)降雨及支流對水質(zhì)指標濃度產(chǎn)生一定的影響。

(2)尼洋河水體各水質(zhì)指標間在汛期和枯水期的顯著相關(guān)關(guān)系，說明水體中各水質(zhì)指標的污染來源同流域內(nèi)生產(chǎn)生活方式的分布及水土流失的分布有著密切的關(guān)系。尼洋河水質(zhì)指標的統(tǒng)計分析的結(jié)果說明，汛期水質(zhì)指標污染程度在空間上分布上差異較枯水期大，且研究水體中水質(zhì)指標的濃度值在空間上的分布與提取的主成分綜合得分的評價結(jié)果一致。

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