濁漳河流域水質(zhì)時(shí)空變化特征

常惠麗,來晉斌,岳秀萍,秦永燕,任嘉紅,劉瑞祥

(1.長治市 環(huán)境監(jiān)測(cè)站,山西 長治 046000; 2.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024;3.長治學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)系,山西 長治 046011)

濁漳河流域水質(zhì)時(shí)空變化特征

常惠麗1,來晉斌1,岳秀萍2,秦永燕3,任嘉紅3,劉瑞祥3

(1.長治市 環(huán)境監(jiān)測(cè)站,山西 長治 046000; 2.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024;3.長治學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)系,山西 長治 046011)

依據(jù)2012年濁漳河流域15個(gè)樣點(diǎn)的水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù),采用聚類分析法對(duì)濁漳河流域水質(zhì)變化特征進(jìn)行分析。將樣點(diǎn)在空間上分為4類:較為清潔的各支流源頭區(qū);受一定程度污染的各支流下游河段和三源交匯區(qū);污染嚴(yán)重的流經(jīng)農(nóng)業(yè)區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)的跨界、跨省斷面;污染最為嚴(yán)重的分布有多個(gè)工業(yè)園區(qū)的南源中段。水質(zhì)狀況與流域內(nèi)污染源具有明顯的空間分布特征。采用主成分分析法得到影響濁漳河流域水質(zhì)的2個(gè)主成分:第1主成分為BOD5、COD、TP、CODMn,第2主成分為F-,這些主成分均體現(xiàn)了各自的空間變異規(guī)律。在時(shí)間尺度上,F-有較明顯的季節(jié)性差異,TP總體上反映出平水期>枯水期>豐水期,BOD5和COD沒有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。

濁漳河流域;水質(zhì)時(shí)空變化;聚類分析;主成分分析

河流是陸地可利用淡水資源的最主要的組成部分。近年來,隨著我國工業(yè)生產(chǎn)、能源消耗和農(nóng)業(yè)集約化的快速發(fā)展,造成全國范圍內(nèi)眾多河流不同程度的污染。因此,在大區(qū)域或流域范圍內(nèi)，開展河流水質(zhì)季節(jié)性和區(qū)域性特征及其變化對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)影響的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，針對(duì)流域水質(zhì)時(shí)空變化的研究多采用系統(tǒng)聚類分析法、因子分析/主成分分析法等多元統(tǒng)計(jì)分析方法[1]。國外學(xué)者對(duì)西班牙Pisuerga河[2]、土耳其Behrimaz河[3]、印度Brahmani河[4]、韓國Nakdong河[5]等進(jìn)行了流域水質(zhì)時(shí)空演變特征分析。國內(nèi)學(xué)者對(duì)我國洱海流域[6]、漳衛(wèi)南運(yùn)河流域[7]等水質(zhì)時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究。

濁漳河屬海河流域漳衛(wèi)南運(yùn)河水系,地跨山西、河南兩地,流域面積11 741 km2,其中山西省長治市流域面積10 035 km2。隨著長治市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,使得污水處理設(shè)施無法滿足處理負(fù)荷的快速增長,無疑給濁漳河流域點(diǎn)源污染帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，關(guān)于濁漳河流域的研究主要偏重于水功能區(qū)劃與污染防治[8]、水資源保護(hù)[9]、有機(jī)污染物遺傳毒性檢測(cè)與評(píng)價(jià)[10-11],而針對(duì)水質(zhì)時(shí)空演變特征的研究鮮見報(bào)道。

筆者利用系統(tǒng)聚類分析法,分析了濁漳河流域水質(zhì)時(shí)空演變規(guī)律,并采用主成分分析法確定主要因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率,結(jié)合流域環(huán)境特征分析水質(zhì)時(shí)空差異及其原因,以期為濁漳河流域水資源保護(hù)和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

該流域地處暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫7.5～12 ℃,多年平均降水量584 mm,空間分布總體表現(xiàn)為南部大于北部;年最大降雨量1 768 mm(1962年)，年最小降雨量217.5 mm(1957年),年內(nèi)降雨量主要集中在6月—9月,占全年降雨量的63.3%(豐水期)；12月至次年5月為枯水期,其余為平水期。由于干旱時(shí)有發(fā)生,對(duì)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。

長治市是晉東南地區(qū)經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以煤化工、冶煉、電力為主。2011年，長治市重點(diǎn)污染源工業(yè)廢水排放量5.535×107t,而現(xiàn)有處理設(shè)施無法滿足污水處理負(fù)荷的快速增長,無疑給濁漳河流域點(diǎn)源污染帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。另外,該區(qū)域農(nóng)業(yè)耕作方式落后,農(nóng)藥、化肥大量使用,加之濁漳河流域內(nèi)黃土土質(zhì)疏松,水土流失嚴(yán)重,農(nóng)村和城市周邊地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖也呈逐年增加態(tài)勢(shì),致使氮、磷元素等有機(jī)質(zhì)隨水土流失進(jìn)入河流。農(nóng)業(yè)面源污染也成為濁漳河流域環(huán)境污染的一個(gè)重要方面。

1.2 樣點(diǎn)設(shè)置

濁漳河流域上游分南、西、北3條主要支流,呈扇形分布,在襄垣縣境內(nèi)小峧匯入濁漳河干流。為了對(duì)濁漳河流域水質(zhì)時(shí)空分布變化特征進(jìn)行研究,在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(圖1),于2012年每逢單月進(jìn)行為期1年的采樣。其中1、3、5月為枯水期,7、9月為豐水期,11月為平水期。

1—申村水庫；2—北寨；3—漳澤水庫；4—王橋鎮(zhèn)；5— 小峧；6—實(shí)會(huì)；7—王家莊；8—關(guān)河水庫；9—西營；10—段柳；11—后灣水庫；12—甘村；13—屯絳水庫；14—司徒橋；15—暴馬

1.3 樣品采集與測(cè)定

水樣用2.5 L聚乙烯桶裝,現(xiàn)場(chǎng)加保護(hù)劑調(diào)節(jié)pH<2,在4 ℃條件下低溫保存,于當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室分析。測(cè)試的水質(zhì)指標(biāo)包括溶解氧(DO)、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)、總氮(TN)、總磷(TP)、氟化物(F-)、揮發(fā)酚、石油類。DO采用日本產(chǎn)便攜式水質(zhì)檢測(cè)儀(HORIBA U-10)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;CODMn采用酸性法測(cè)定(GB 11892-1989);COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定(GB 11914-1989);BOD5采用稀釋接種法測(cè)定(GB 7488-1987);NH3-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定(GB 7479—1987);TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定(GB11894-1989);TP采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定(GB 11893—1989);F-采用離子選擇電極法測(cè)定(GB 7484—1987);揮發(fā)酚采用4-氨基安替比林直接光度法測(cè)定(GB 7490—1987);石油類采用紅外分光光度法測(cè)定(GB/T19488-1996)[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用層次聚類分析法,將各斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊聚類分析,以平方歐氏距離度量樣本間的距離。聚類方式選擇組間平均連接法產(chǎn)生具有層次結(jié)構(gòu)的聚類樹,研究流域水質(zhì)空間的相似性和變化特征[13,14]。應(yīng)用因子分析的主成分分析法將多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)綜合為少數(shù)幾個(gè)具有代表性的因子,通過計(jì)算公因子對(duì)各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率定性分析水質(zhì)時(shí)空變異特征[15]。以上分析通過SPSS17.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間聚類分析

從空間聚類結(jié)果上看,濁漳河流域水質(zhì)在空間上可分為4類(圖2),依次定義為Ⅳ級(jí)(一般)、Ⅲ級(jí)(較重)、Ⅱ級(jí)(嚴(yán)重)、Ⅰ級(jí)(特別嚴(yán)重)。位于石子河上的暴馬、濁漳南源的北寨、王橋鎮(zhèn)斷面為Ⅰ級(jí),水質(zhì)污染特別嚴(yán)重;位于南源的漳澤水庫、西源的段柳、干流的王家莊斷面污染嚴(yán)重,為Ⅱ級(jí);西源的甘村和干流上的小峧、實(shí)會(huì)斷面污染較重,為Ⅲ級(jí);南源的申村水庫、絳河的屯絳水庫和司徒橋、西源的后灣水庫、北源的關(guān)河水庫和西營斷面水質(zhì)較好,為Ⅳ級(jí)。

圖2 濁漳河流域采樣點(diǎn)及污染源分布示意

從空間聚類結(jié)果并結(jié)合流域內(nèi)污染源分布情況,流域水質(zhì)狀況與污染源具有明顯的空間分布特征。南源和西源源頭區(qū)、絳河及北源地處山區(qū),工業(yè)較少,水質(zhì)較好;南源中下游及三源匯合后的濁漳干流,人口相對(duì)集中,水資源開發(fā)和利用強(qiáng)度大,長期受各類工業(yè)和大量生活污水排放的雙重影響,水體污染嚴(yán)重,水質(zhì)較差。濁漳西源為傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū),然而由于耕作方式落后,加之水土流失嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)面源給下游河段帶來的氮、磷污染較為嚴(yán)重。

2.2 主成分分析

對(duì)10個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,數(shù)據(jù)經(jīng)KMO檢驗(yàn)(栓驗(yàn)值為0.883),適合作因子分析。基于特征值大于1的評(píng)判原則,提取公因子2個(gè),即F1和F2,累積貢獻(xiàn)率為72.60%,基本能夠反映原始數(shù)據(jù)的基本信息(見表1)。第1主成分F1的貢獻(xiàn)率為44.94%,其中BOD5、COD、TP、CODMn所占因子載荷較大,可反映水體營養(yǎng)鹽及有機(jī)污染綜合指標(biāo);第2主成分F2的貢獻(xiàn)率為27.66%,其中F-因子載荷較高,代表了水體含氟量水平。

表1 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 1 Rotated Component Matrix

2.3濁漳河流域水質(zhì)時(shí)空變化特征分析

在主成分分析的基礎(chǔ)上,確定BOD5、COD、TP、F-(4-d)為目標(biāo)污染物,對(duì)濁漳河流域水質(zhì)的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。

濁漳河流域水質(zhì)的空間分布見圖3所示。從圖3-a可以看出,第1主成分中BOD5、TP、COD濃度平均值大小順序?yàn)?南源>干流>西源>北源;CODMn為:干流>南源>西源>北源。COD是用重鉻酸鉀作為氧化劑處理水樣時(shí)所消耗氧化劑的量,反映了水中受還原性物質(zhì)(包括有機(jī)物、亞硝酸鹽、硫化物等)污染的程度;CODMn是以高錳酸鉀為氧化劑處理水樣時(shí)所消耗的氧,常作為地表水受有機(jī)污染物污染程度的綜合指標(biāo)。另外,由于水體中所含有機(jī)物成分復(fù)雜,難以一一測(cè)定其成分,因此人們常利用水中有機(jī)物在一定條件下所消耗的氧(BOD5)來間接表示水體中有機(jī)物的含量。由此可知,流域內(nèi)濁漳南源和干流污染主要來源于有機(jī)污染物,這與污染源在流域內(nèi)空間上的分布相吻合。

圖3-b中第2主成分F-平均值大小順序?yàn)椋焊闪?南源>西源>北源。F-是人體必需的微量元素之一,飲水中含氟的適宜濃度為0.5～1.0 mg/L。當(dāng)長期飲用含氟量高于1～1.5 mg/L的水時(shí),易患斑齒病；如水中氟含量高于4 mg/L時(shí)則可導(dǎo)致氟骨病。鋼鐵、焦炭、化肥等廢水中常存在氟化物,干流上游工業(yè)園區(qū)大都與此相關(guān),故F-含量偏高,最高值為1.32 mg/L。

圖4為濁漳河流域水質(zhì)隨時(shí)間的變化特征。由該圖可見,F-表現(xiàn)出(4-d)較明顯的季節(jié)性差異,枯水期和平水期濃度大于豐水期。其中干流枯水期平均值超過地表水水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),這主要是由于煤炭、鋼鐵、煤化工企業(yè)超標(biāo)污水排放所致。TP含量(4-c)在季節(jié)上的差異基本上體現(xiàn)平水期>枯水期>豐水期這一變化規(guī)律,南源和干流總體超標(biāo)。這可能是因?yàn)榭菟趶搅髁繙p少,水體的自凈能力急劇下降,雖經(jīng)豐水期水量增加起到了一定的稀釋效應(yīng),進(jìn)入平水期后隨流速逐漸減小及蒸發(fā)作用,水體中沉積的磷酸鹽又逐漸釋放出來,出現(xiàn)較大反彈[16]。BOD5和COD季節(jié)變化規(guī)律不明顯,但可看出南源有機(jī)物含量總體超標(biāo)。這種不規(guī)律性也反映出水體中有機(jī)物主要來源于點(diǎn)源污染,同時(shí)也反映出水體中有機(jī)污染物成分復(fù)雜,再加上受到生活污水和面源污染等多重影響,呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的現(xiàn)象。

圖3 各主成分指標(biāo)平均值

3 結(jié)論

1) 濁漳河流域水質(zhì)空間上可分為4類,一類是位于各支流源頭區(qū)水質(zhì)較好,基本無污染;各支流下游段和三源交匯點(diǎn)受一定程度污染;流經(jīng)農(nóng)業(yè)區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)的跨界、跨省斷面水體污染嚴(yán)重,水質(zhì)較差;分布有多個(gè)工業(yè)園區(qū)的南源中段污染最為嚴(yán)重。水質(zhì)狀況與流域內(nèi)污染源具有明顯的空間分布特征。

圖4 濁漳河流域水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間的變化

2) 根據(jù)主成分分析法得出影響濁漳河流域的水質(zhì)指標(biāo)分為2個(gè)主成分:第1主成分包括BOD5、COD、TP、CODMn,代表水體營養(yǎng)鹽及有機(jī)污染綜合指標(biāo);第2主成分為F-,反映水體含氟量水平。

3) 濁漳河水體中BOD5、TP、COD濃度平均值大小順序?yàn)椋耗显?干流>西源>北源;CODMn為：干流>南源>西源>北源;F-平均濃度大小順序?yàn)椋焊闪?南源>西源>北源。在時(shí)間變化上,F-表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)性差異,TP總體上反映出平水期>枯水期>豐水期,而BOD5和COD沒有表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。

致謝:感謝長治學(xué)院鐵軍博士在因子分析方面給予大力幫助。

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(編輯：龐富祥)

SpatialandTemporalVariationofWaterQualityinZhuozhangRiverBasin

CHANGHuili1,LAIJinbin1,YUEXiuping2,QINYongyan3,RENJiahong3,LIURuixiang3

(1.EnvironmentalMonitoringStationofChangzhi,Changzhi046000,China;2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;3.TheDepartmentofBiologyScienceandTechnology,ChangzhiCollege,Changzhi046011,China)

On the basis of the water quality survey including 15 sampling points of the Zhuozhang River basin in 2012, cluster analysis was done to characterize the variations of water quality. The sampling points were spatially divided into 4 groups according to their water quality: The first group, the source region of three tributaries, for which the water quality was the cleanest;The second, the lower reaches of the tributary streams and the intersection area of the headwaters source, which was polluted to some extent; The third, trans-provincial and trans-boundary cross sections of the steams running through the farming areas and town region, where the water was seriously polluted;The fourth, the middle region of the south source with many industrial parks, where the water is most seriously polluted. The analysis results show that the water quality and the sources of pollution in this basin had obvious spatial distribution characteristics. By means of principal component analysis, two principal components influencing the water quality in Zhuozhang River basin were identified. The first principal component included BOD5, COD, TP and CODMn. The second principal component was F-. These two principal components had their own spatial variability. On time scale, F-had obvious seasonal variation, and the TP concentrations had the following pattern: average water period> low water period> abundant water period. However, for BOD5and COD, there were no significant changes in their concentrations during different period.

Zhuozhang River basin; spatial and temporal variations of water quality; cluster analysis; principal component analysis

2013-09-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378330)，長治市科技計(jì)劃項(xiàng)目(20123055);山西省高校科技研究開發(fā)基金資助項(xiàng)目(20081043)

常惠麗(1965-),女,山西高平人,高級(jí)工程師，主要從事河流水污染防治研究，(E-mail)changhuili1965@163.com

1007-9432(2014)02-0265-05

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