錫林河流域水質(zhì)時(shí)空分布特征研究*

于鵬飛，韓 禎，朱長(zhǎng)軍，王世巖，劉 暢，李步東

(1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北邯鄲 056038；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210009)

錫林河是錫林郭勒草原的母親河，也是我國(guó)內(nèi)蒙古高原的代表性?xún)?nèi)陸河以及北方脆弱區(qū)域生態(tài)安全屏障的重要組成部分?！笆晃濉币詠?lái)，諸多學(xué)者對(duì)錫林河流域水文、氣象、生物群落等方面開(kāi)展了研究。在水文方面，田炳燚等[1]探究了錫林河上游段河水與地下水交換問(wèn)題，結(jié)果表明交換過(guò)程主要發(fā)生在5-10月，并揭示了河水與地下水的補(bǔ)給關(guān)系；在氣象方面，吳國(guó)棟等[2]通過(guò)非參數(shù)趨勢(shì)分析法，揭示了錫林河流域冬、春季降水增多，夏、秋季降水減少，年平均氣溫總體上升趨勢(shì)減緩的變化規(guī)律；在生物群落方面，席小康等[3]研究了錫林河流域草原群落的分類(lèi)和群落多樣性分布特征，從土壤類(lèi)型、水分狀況以及人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度等方面揭示了群落多樣性差異的成因。在眾多研究中，針對(duì)錫林河水質(zhì)及其時(shí)空變化特征的研究相對(duì)較少，當(dāng)前僅有張曉玲等[4]對(duì)錫林河水庫(kù)上游斷面進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)及污染成因分析。錫林河作為錫林浩特地區(qū)重要的水源地，其水質(zhì)狀況直接關(guān)系到流域生態(tài)環(huán)境、畜牧業(yè)生產(chǎn)和居民生活，加之錫林河流域包括林田、草地、沙漠、耕地、城市等不同景觀類(lèi)型[5]，涉及畜牧養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)生產(chǎn)等人類(lèi)活動(dòng)類(lèi)型。因此，以錫林河流域整體為研究區(qū)域，分析水質(zhì)時(shí)空特征及其成因，具有重要實(shí)踐意義。

本次研究選取錫林河流域13個(gè)斷面，涵蓋了上、中、下游及主要支流，在調(diào)查監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，應(yīng)用均值型綜合污染指數(shù)法和單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)錫林河水質(zhì)的污染程度，再結(jié)合主成分分析和聚類(lèi)分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法，明確錫林河流域水質(zhì)的時(shí)空分布特征及其成因，旨在為管理部門(mén)的水污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

錫林河屬于西北諸河流域，發(fā)源于赤峰市克什克騰旗。錫林河流域范圍跨赤峰市、錫林郭勒盟兩地，地勢(shì)南高北低，南部為丘陵崗地，北部為平緩的波狀高原。河流長(zhǎng)度268 km (其中赤峰市46.4 km，錫林浩特市221.6 km)，流域面積10 542 km2，河道比降1.94‰[6]。流域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫2.1℃，無(wú)霜期105 d；多年平均降水量289 mm，年內(nèi)分布不均，雨量大多集中在6-9月，多年平均蒸發(fā)量為1 903.5 mm，由東南向西北遞增，春旱、夏旱時(shí)有發(fā)生[2]。多年平均徑流量1 878.96 萬(wàn)m3，融雪產(chǎn)生的春汛期徑流量占全年徑流量的33.51%，降雨產(chǎn)生的夏汛期徑流量占全年徑流量的13%左右。

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)與樣品監(jiān)測(cè)

錫林河流域四季的劃分：3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月-次年2月為冬季[7]。本研究選取2021年4月、2021年7月、2020年11月3期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別代表錫林河春、夏、秋3個(gè)季節(jié)。由于冬季出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，故未在冬季時(shí)段進(jìn)行采樣分析。

本研究布設(shè)13個(gè)采樣點(diǎn)，錫林河上游采樣點(diǎn)分別設(shè)于跨境斷面、南溝支流、南溝匯入口。錫林河中游采樣點(diǎn)分別設(shè)于東地監(jiān)測(cè)斷面、好來(lái)吐郭勒匯入口、錫林河中橋、漫水橋。錫林河下游采樣點(diǎn)分別設(shè)于錫林浩特水文站、錫林河水庫(kù)、濕地公園、生態(tài)植物園、錫林河市區(qū)末端、污水廠(chǎng)尾水與錫林河交匯處(表1，圖1)。

表1 流域河流水質(zhì)采樣點(diǎn)位置及概況Table 1 Location and overview of water quality of sampling sites in watershed

圖1 采樣點(diǎn)位置分布示意Fig.1 Location distribution of sampling sites

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，以張曉玲等[4]對(duì)錫林河水質(zhì)主要超標(biāo)污染物分析作為參考，同時(shí)結(jié)合內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳錫林河監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)主要超標(biāo)物質(zhì)及超標(biāo)倍數(shù)，本研究最終選取pH值、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、葉綠素a (Chl-a) 7項(xiàng)指標(biāo)作為分析對(duì)象。各監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析依據(jù)分別為《水質(zhì) pH值的測(cè)定 玻璃電極法》(GB 6920-1986)、《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》(GB 11892-1989)、《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》(HJ 828-2017)、《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD)的測(cè)定 稀釋與接種法》(HJ 505-2009)、《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)、《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893-1989)、《水質(zhì) 葉綠素a的測(cè)定 分光光度法》(HJ 897-2017)等。

2.2 評(píng)價(jià)與分析方法

2.2.1 評(píng)價(jià)方法

(1)均值型綜合污染指數(shù)法。

均值型綜合污染指數(shù)法[8]計(jì)算公式如下：

式中，P表示綜合污染指數(shù)；Pi表示水質(zhì)指標(biāo)i的污染指數(shù)；Ci表示水質(zhì)指標(biāo)i的實(shí)際監(jiān)測(cè)值；Ci0表示水質(zhì)指標(biāo)i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值；n表示評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量。均值型綜合污染指數(shù)的污染程度劃分為P≤0.20，水質(zhì)好；0.21≤P≤0.40，水質(zhì)較好；0.41≤P≤0.70，輕度污染；0.71≤P≤1.00，中度污染；1.01≤P≤2.00，重度污染；P≥2.01，嚴(yán)重污染。

(2)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法。

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[9]能夠直觀反映水質(zhì)類(lèi)別及其達(dá)標(biāo)情況。表達(dá)式為

Bi=X1.X2X3，

式中，Bi代表單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)；X1代表第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類(lèi)別；X2代表實(shí)際監(jiān)測(cè)值在X1中所處的位置；X3代表實(shí)際監(jiān)測(cè)的水質(zhì)類(lèi)別與該河段目標(biāo)水質(zhì)類(lèi)別的比較結(jié)果，X3=0表示水質(zhì)類(lèi)別達(dá)到該河段目標(biāo)水質(zhì)類(lèi)別，X3=1則表示水質(zhì)類(lèi)別劣于該河段目標(biāo)水質(zhì)一個(gè)類(lèi)別，X3=2則表示水質(zhì)類(lèi)別劣于該河段目標(biāo)水質(zhì)兩個(gè)類(lèi)別，以此類(lèi)推。綜上所述，X1.X2代表了單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的類(lèi)別和污染程度，其意義如下：Ⅰ類(lèi)水，1.0≤X1.X2≤2.0；Ⅱ類(lèi)水，2.06.0。

2.2.2 分析方法

(1)主成分分析。

將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，避免量綱和數(shù)量級(jí)的影響；在分析前采用Kaiser-Meyer-Olkin (KMO)檢驗(yàn)和Bartlett球形度檢驗(yàn)判斷指標(biāo)間的相關(guān)性，以確定原始變量是否適合進(jìn)行主成分分析；確定主成分個(gè)數(shù)，本次研究確定原則為特征值λ>1對(duì)應(yīng)的主成分；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定主成分PC的表達(dá)式；計(jì)算主成分分值，綜合得分越高，表明污染越嚴(yán)重[10]。

(2)聚類(lèi)分析。

本研究通過(guò)分層聚類(lèi)的方式，聚類(lèi)距離采用平方歐式距離，聚類(lèi)方法采用組間連線(xiàn)法，將采樣點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，從而對(duì)水質(zhì)的空間特征進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1.1 總體評(píng)價(jià)結(jié)果

錫林河水質(zhì)季節(jié)性差異較大，春、夏、秋三季水質(zhì)均值型綜合污染指數(shù)分別為0.98，2.36，1.55，根據(jù)水質(zhì)均值型綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法，污染程度分別為中度污染、嚴(yán)重污染和重度污染。

3.1.2 單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)水功能區(qū)劃》[11]劃分，錫林河流域水質(zhì)目標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

春季單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果表明，CODMn超標(biāo)率為62%，除采樣點(diǎn)1，4-7外，其余采樣點(diǎn)均超標(biāo)；COD和BOD5超標(biāo)率為38%，超標(biāo)采樣點(diǎn)為8，9，11-13；NH3-N在各采樣點(diǎn)均未超標(biāo)；TP在采樣點(diǎn)9，13超標(biāo)；各指標(biāo)在采樣點(diǎn)1，4-7達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。夏季單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果表明，各采樣點(diǎn)的CODMn、COD、BOD5超標(biāo)率均為100%；NH3-N在采樣點(diǎn)13超標(biāo);TP在采樣點(diǎn)5，6，9，13超標(biāo)。秋季單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果表明，CODMn超標(biāo)率為62%，除采樣點(diǎn)3-7外，其余采樣點(diǎn)均超標(biāo)；COD超標(biāo)率為31%，BOD5超標(biāo)率為38%，這兩個(gè)指標(biāo)在采樣點(diǎn)9-12均超標(biāo)；NH3-N在采樣點(diǎn)12和13超標(biāo)；TP在采樣點(diǎn)9，13超標(biāo)；各指標(biāo)在采樣點(diǎn)3-7達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。從單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)總體來(lái)看，CODMn為主要污染物，其次是COD和BOD5。

表2 春、夏、秋季單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Table 2 Single factor water quality identification index in spring,summer and autumn

3.2 主控因子分析

基于3期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)13個(gè)采樣點(diǎn)中的7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。經(jīng)檢驗(yàn)得出，KMO檢驗(yàn)系數(shù)為0.61，且Barlett球形度檢驗(yàn)中顯著性概率P值<0.05，說(shuō)明原始數(shù)據(jù)之間有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，適合進(jìn)行主成分分析。

如表3所示，主成分1，2的特征值λ>1且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為77.60%，能夠充分反映原始數(shù)據(jù)。第一主成分PC 1的方差貢獻(xiàn)率最大，為51.42%(表3)，在CODMn、COD、BOD5上有較大載荷，載荷值分別為0.88，0.87和0.82 (表4)，反映了水體有機(jī)物污染問(wèn)題。有機(jī)物污染來(lái)源主要為流域畜禽和人體排泄物中的尿素、蛋白質(zhì)等物質(zhì)及生活污水中的高分子脂類(lèi)及其衍生物[12]。第二主成分PC 2的方差貢獻(xiàn)率為25.18% (表3)，在NH3-N、TP具有較大的載荷值，均為0.70 (表4)，反映了水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。污染物來(lái)源主要為畜禽和人體代謝產(chǎn)物、食物殘?jiān)?、蛋白質(zhì)分解及氮磷肥的使用。

表3 特征值及方差貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalue and variance contribution rate

表4 旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣

3.3 水質(zhì)時(shí)空變化特征分析

3.3.1 水質(zhì)空間變化特征分析

對(duì)13組水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)，得到聚類(lèi)樹(shù)狀圖(圖2)。按水質(zhì)綜合相似性，研究區(qū)13個(gè)采樣點(diǎn)在空間區(qū)域上被劃為4類(lèi)，采樣點(diǎn)1-7歸為一類(lèi)；采樣點(diǎn)8，10，11歸為一類(lèi)；采樣點(diǎn)9和12歸為一類(lèi)；采樣點(diǎn)13單獨(dú)一類(lèi)。

圖2 錫林河水質(zhì)空間聚類(lèi)分析結(jié)果Fig.2 Spatial clustering analysis results of Xilin River water quality

以空間為出發(fā)點(diǎn)計(jì)算主成分得分，各采樣點(diǎn)主成分分析綜合得分排序?yàn)椴蓸狱c(diǎn)13>9>12>11>10>6>8>7>5>2>1>4>3 (表5)，可以看出采樣點(diǎn)得分排序與聚類(lèi)分析結(jié)果基本吻合，水質(zhì)最差的采樣點(diǎn)13單獨(dú)一組，9，12為一組，8，10，11為一組，1-7為一組。

表5 不同采樣點(diǎn)主成分分值及排序Table 5 Principal component score and order of different sampling points

CODMn、COD、BOD53項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)空間變化趨勢(shì)一致，從上游到下游數(shù)值增高，3項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值基本上在采樣點(diǎn)9，12有大幅度上升(圖3)。NH3-N監(jiān)測(cè)值整體變化趨勢(shì)不明顯，在點(diǎn)位12，13明顯上升。TP監(jiān)測(cè)值在采樣點(diǎn)4有下降，在采樣點(diǎn)13出現(xiàn)大幅度上升(圖4)。

圖3 CODMn、COD和BOD5空間分布情況Fig.3 Spatial distribution of CODMn、COD and BOD5

圖4 NH3-N和TP空間分布情況Fig.4 Spatial distribution of NH3-N and TP

3.3.2 水質(zhì)時(shí)間變化特征分析

主成分分析中樣本綜合得分越高，說(shuō)明樣本中污染物及水中元素的含量越高，水質(zhì)越差。春季、夏季、秋季主成分分析綜合得分分別為-0.62，0.65，-0.02。以時(shí)間為出發(fā)點(diǎn)計(jì)算主成分得分(表6)，夏季水質(zhì)較差，主控因子來(lái)自主成分1中的CODMn、COD、BOD5；春季水質(zhì)最優(yōu)，主控因子為主成分2中的NH3-N、TP，秋季主控因子為主成分1中的CODMn、COD、BOD5，主控因子與水質(zhì)均值型綜合污染指數(shù)結(jié)果相吻合。

表6 不同季節(jié)主成分分值及排序Table 6 Principal component score and sorting in different seasons

聚類(lèi)分析結(jié)果表明，不同河段水質(zhì)情況差異較大，通過(guò)實(shí)地考察，結(jié)合聚類(lèi)分析結(jié)果，將錫林河點(diǎn)位分為4類(lèi)來(lái)闡述水質(zhì)的時(shí)間變化特征。由圖5可知，類(lèi)別1中，CODMn、COD、BOD5、TP變化趨勢(shì)一致，監(jiān)測(cè)值均為夏季>秋季>春季；NH3-N的監(jiān)測(cè)值為夏季>春季>秋季。類(lèi)別2中，CODMn、COD趨勢(shì)一致，監(jiān)測(cè)值為秋季>夏季>春季；BOD5與TP變化趨勢(shì)一致，監(jiān)測(cè)值為夏季>秋季>春季；NH3-N的監(jiān)測(cè)值為秋季>春季>夏季。類(lèi)別3中，CODMn、COD、BOD5變化趨勢(shì)一致，監(jiān)測(cè)值為夏季>秋季>春季；NH3-N的監(jiān)測(cè)值為秋季>春季>夏季；TP的監(jiān)測(cè)值為夏季=春季>秋季。類(lèi)別4中，COD、BOD5的監(jiān)測(cè)值為夏季>秋季>春季，CODMn監(jiān)測(cè)值春季>秋季>夏季，NH3-N和TP監(jiān)測(cè)值秋季>夏季>春季。

圖5 各指標(biāo)時(shí)間變化Fig.5 Time change of each index

4 討論

水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，CODMn是主要污染物，最大值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)12，超過(guò)25 mg/L。錫林河流域水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為地表水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值規(guī)定，除采樣點(diǎn)1在春季、采樣點(diǎn)3在秋季、采樣點(diǎn)4-7在春季和秋季達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之外，各點(diǎn)位水質(zhì)在夏季均超標(biāo)。

從時(shí)間變化來(lái)看，錫林河在春季水質(zhì)較好，夏季水質(zhì)較差。春季水質(zhì)的主控因子為NH3-N、TP，秋季和夏季水質(zhì)的主控因子均為CODMn、COD、BOD5。錫林河降雨峰值出現(xiàn)在7月，降雨徑流峰值出現(xiàn)在8月[7]，河流水體流動(dòng)量大且流動(dòng)更加劇烈，大量氧氣短時(shí)間內(nèi)融入水體，溶解氧與微生物、有機(jī)污染物相互作用，發(fā)生氧化、分解等反應(yīng)，可達(dá)到凈化水體的目的[13]，但是夏季總體水質(zhì)劣于春、秋兩季，可知在夏季時(shí)有更多的面源污染負(fù)荷隨降雨徑流進(jìn)入河道[14]，根據(jù)主控因子類(lèi)型，判斷是畜禽養(yǎng)殖面源污染起到主導(dǎo)作用，導(dǎo)致其水質(zhì)變差。

從空間上來(lái)看，錫林河水質(zhì)從優(yōu)到劣分別為中游、上游、下游，原因主要為采樣點(diǎn)1-3 (上游點(diǎn)位)為入境斷面，周?chē)行笄蒺B(yǎng)殖和放牧行為，人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈，入境斷面水質(zhì)超標(biāo)主要是由于畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活帶來(lái)污染。采樣點(diǎn)4-7 (中游點(diǎn)位)周?chē)嬖诜拍连F(xiàn)象，但受影響程度較小。采樣點(diǎn)8，10，11為錫林河市區(qū)段，分別位于錫林浩特市水文站、濕地公園和生態(tài)植物園，水質(zhì)變化主要受到人類(lèi)活動(dòng)影響；采樣點(diǎn)9，12為景觀水體和庫(kù)灣水體，水體流動(dòng)性差，水體置換周期長(zhǎng)，自?xún)裟芰Φ蚚15]；采樣點(diǎn)13位于錫林浩特市污水廠(chǎng)排放尾水與錫林河交匯處，其水質(zhì)受到錫林浩特市污水廠(chǎng)排放尾水水質(zhì)影響，排放尾水的入河排污口類(lèi)型為市政生活入河排污口。

根據(jù)錫林河水質(zhì)特征，流域上中游應(yīng)加快農(nóng)村生活污水處理設(shè)施建設(shè)；推動(dòng)畜禽規(guī)模養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，嚴(yán)格執(zhí)行水域岸線(xiàn)保護(hù)，依據(jù)岸線(xiàn)保護(hù)范圍，適當(dāng)采用硬性防護(hù)措施，防止畜禽直接進(jìn)入河道排泄污染物。下游河段應(yīng)針對(duì)污水廠(chǎng)排放的尾水建設(shè)人工濕地，削減匯入錫林河干流的氮磷負(fù)荷量。

5 結(jié)論

(1)錫林河水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中CODMn超標(biāo)最嚴(yán)重，最大值超過(guò)25 mg/L。采樣點(diǎn)1 (上游點(diǎn)位)在春季、采樣點(diǎn)3 (上游點(diǎn)位)在秋季和采樣點(diǎn)4-7 (中游點(diǎn)位)在春、秋兩季達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，夏季各采樣點(diǎn)水質(zhì)均超標(biāo)。

(2)從時(shí)間上看，春季、夏季、秋季主成分分析綜合得分分別為-0.62，0.65，-0.02，水質(zhì)從優(yōu)到劣分別為春季、秋季、夏季；春季水質(zhì)的主控因子為NH3-N、TP，秋季和夏季水質(zhì)的主控因子均為CODMn、COD、BOD5。

(3)從空間上看，錫林河水質(zhì)從優(yōu)到劣分別為中游、上游、下游。上中游河段影響水質(zhì)的主要原因是畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活帶來(lái)的面源污染；下游河段水質(zhì)超標(biāo)的主要原因是污水廠(chǎng)尾水排放。