基于主成分分析及水質標識指數法的黃河托克托段水質評價

李國華, 李暢游 , 史小紅， 趙勝男, 全 棟

(內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 內蒙古 呼和浩特 010018)

黃河內蒙古段不僅承擔著內蒙古自治區河套灌區、磴口揚水灌區和麻地壕灌區等引黃灌區的農業灌溉，同時是周邊包頭、呼和浩特市等城鎮工業和生活用水的取水水源地，而且接納了其支流及周邊城市的生活和工業污水。呼和浩特市大型民生工程“引黃入呼”取水口位于托克托縣黃河濕地蒲灘拐村，該河段水質的優劣直接著沿岸影響用水安全。諸多學者[1-4]開展了黃河內蒙古段水質監測分析和評價工作。在河流水質評價方法中，應用較為典型的有單因子評價法[5]、污染指數法[6-7]、模糊數學評價法[8-12]、灰色系統評價法[13]、人工神經網絡評價法[14]、物元分析法[15-16]、水質標識指數法[17-19]等，其中污染指數法計算原理簡單，但沒有完善的統一分級標準；模糊數學評價法用隸屬函數合理體現了水體污染程度不確定的特點；人工神經網絡能夠很好地表現評價因子和水質類別間復雜的非線性關系，但評價指標選擇不確定，定性評價結果不直觀。鑒于黃河內蒙古段的水質評價處于以單指標和多指標分析簡單綜合的階段。因此有必要尋找全面準確和便捷的評價方法，了解黃河托克托段水環境質量和污染現狀。本研究將主成分分析法與水質標識指數法相結合，基于2017年黃河托克托段4—8月逐月水質監測數據通過主成分分析選取水質主導因子構成評價指標體系，采用綜合水質標識指數法分析黃河內蒙古托縣段河流主要污染特征，以期在合理選擇水質指標的基礎上，實現對黃河托克托段水質的客觀評價。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及樣品采集

黃河托克托段位于黃河上游二級階地，河道彎多流緩，比降較小。屬中溫帶大陸性干旱半干旱季風氣候，年平均氣溫4～8 ℃，降水量在150～450 mm之間，降水年際變化較大，年內分配不均，而年蒸發量1 200～2 000 mm。該河段上游與重工業城市包頭市銜接，下游與萬家寨庫區相連，黃河一級支流大黑河由此間匯入黃河干流，大黑河及其支流(哈拉沁溝、水磨溝和什拉烏素河)為季節性河流，非雨季是呼和浩特及周邊工業、農業、生活污水的納污河流。在研究河段上游到下游依次布設9個水質采樣斷面(頭道拐、柳林灘、付家河頭、大黑河、河口鎮、巨河灘、黑圪澇灣、神泉、蒲灘拐)，分別于2017年4月—8月的中下旬逐月連續取樣對水質進行監測分析，現場監測及實驗室測定指標包括水溫(T)、鹽度(Sal)、pH值、電導率(EC)、溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化學需氧量(COD)。其中總氮(TN)濃度采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定，總磷(TP)濃度采用鉬酸銨分光光度法測定，化學需氧量(COD)采用重鉻酸鹽—硫酸亞鐵銨滴定法測定，氨氮(NH3-N)采用納氏試劑比色法，其余指標均采用便攜式多參數水質檢測儀測定。

1.2 研究方法

1.2.1 水質評價指標體系建立 水環境系統是由多個水質因子共同作用的復雜系統，且不同的水質因子之間存在相關性，若對水質監測數據直接進行評價，會使評價結果反映出的水質信息出現一定程度的重疊和掩蓋。因此，首先要通過主成分因子分析確定各水質變量對入選主成分的貢獻率大小，保留主導水質因子，并以選取的主導因子作為綜合水質標識指數法的評價指標，進而對黃河托克托段水質進行定量評價。

主成分分析廣泛應用于水質評價指標的選取及水環境質量評價當中[20-25]。該方法基于原始數據的正態分布，在保證原始數據信息丟失最少的前提下，運用數學方法，把具有相關性的多個變量變成少數的獨立綜合變量(主成分)，達到特征提取的效果。利用SPSS Statistic主成分因子分析功能對水質的基本指標進行主因子提取，計算主因子對水環境質量污染的方差貢獻率[26-27]。表1給出了對2017年水質指標監測數據的平均值進行主成分因子分析后的結果，特征值大于1的主成分因子有2個，兩者的累積貢獻率達到97.094%，其中，第1主成分表征氮磷營養鹽指標和有機污染指標，第2主成分表征鹽分指標。由于第1主成分是最重要的水質評價因子，包含的信息最多，且能夠直接影響水質的好壞，因此選取第1主成分所在的旋轉因子荷載矩陣中荷載值最大的4個指標作為本次研究的水質評價指標，分別為化學需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)，對這4個水質指標進行水環境質量評價基本可以全面反映水質特征信息。

1.2.2 單因子水質標識指數法 單因子水質標識指數可以完整標識水質評價指標的類別、水質數據、功能區目標值等重要信息，既能定量地判別水體屬于哪一類別水質，又能定性地分析不同水質指標在屬于同一類別水質中的優劣[28]。單因子水質標識指數(Pi)由一位整數和小數點后2～3位有效數字組成，其形式為：

Pi=X1·X2·X3

(1)

(2)

式中：X1——第i項水質指標的水質類別；X2——水質指標的監測數據在X1類水質變化區間中所處的位置，即水質趨于X1+1類水質的程度，按四舍五入的原則計算確定；ρi——第i項水質指標的實測濃度值;ρik上——第k類水區間濃度的上限值;ρik下——第k類水區間濃度的下限值，其中k=X1；X3——水質類別與功能區設定類別的比較結果，反映水質評價指標的污染程度，X3——1～2位有效數字。

表1 黃河托克托縣段水質旋轉因子荷載

注：因子荷載值>0.7表示顯著相關，因子荷載值>0.5表示中等相關，因子荷載值>0.3為弱相關。

當水質類別介于I—Ⅴ類水之間時，可直接根據水質監測數據和國家水質標準對比確定X1。當水質指標監測值劣于或等于Ⅴ類水標準上限值時,X1·X2的確定公式為：

(3)

式中：ρi5上——第i項水質指標Ⅴ類水標準濃度值的上限。從式中可以看出，當水質指標監測值正好等于Ⅴ類水上限值時，X1·X2的數值為6.0，當ρi>6時，說明水質處于劣Ⅴ類水，數值越大，水質越差，污染越嚴重。

1.2.3 綜合水質標識指數 綜合水質標識指數(Iwq)是以單因子水質指標Pi為基礎的河流水質綜合分析評價指數[29]，其形式為：

Iwq=C1·C2·X3·X4

(4)

(5)

式中：C1·C2——綜合水質標識指數的核心;C1——河流綜合水質的類別;C2——綜合水質在C1類水質變化區間內所處的位置；X3——參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環境功能區目標的單項指標個數；X4——綜合水質類別與水體功能區類別的比較結果，可作為判別水質類別是否劣于水環境功能區類別的依據；Pi——n個水質指標對應的單因子水質標識指數(即單因子水質標識指數中的X1·X2)。

1.2.4 水質級別的判定 基于綜合水質標識指數法的綜合水質級別的判定標準詳見表2，通過Iwq值的整數位和小數點后第1位即C1·C2，可判定綜合水質級別，C1·C2數值越大，說明水質越差。

表2 基于綜合水質標識指數的綜合水質級別判定

2 結果與分析

2.1 水質標識指數計算結果

根據2017年4—8月不同采樣斷面的水質監測數據，應用主成分分析法得到的水質評價指標計算單因子(pi)綜合水質標識指數(Iwq)結果詳見表3。

2.2 黃河托克托段干流主要污染物分析評價

黃河托克托段2017年暢流期4—8月水質采樣求得的單因子水質標識指數平均值如圖1所示。由圖1可知，總氮的單因子水質標識指數最高，表明河段總氮的污染最為嚴重，其次是總磷(TP)、化學需氧量(COD)，說明該河段屬于有機型及富營養化污染。黃河托克托段屬于集中飲用水地表水源地二級保護區，因此以《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》Ⅲ類要求作為黃河托克托段的目標水質。而整個監測河段總氮(TN)的單因子水質標識指數 在4.31～8.25間，平均值為5.766，劣于目標水質2個等級。45次水質采樣測定總氮(TN)的濃度值最高出現在8月份大黑河斷面，高出《地表水環境質量標準》中Ⅴ類標準上限(2 mg/L)約10倍。總磷(TP)的單因子水質標識指數 范圍介于2.00～8.35，平均值為5.44，劣于目標水質2個等級。化學需氧量(COD)的單因子水質標識指數 范圍介于3.10～6.83，化學需氧量(COD)濃度均值32.84 mg/L已接近Ⅴ類標準值的上限(40 mg/L)，最高濃度值高出Ⅲ類標準值近7倍。氨氮(NH3-N)的水質標識指數范圍1.20～5.23，單因子水質標識指數 平均值為2.55，符合水質目標要求。

表3 黃河托克托縣段單因子(Pi)及綜合水質標識指數(Iwq)評價結果

圖1 黃河托克托段水質指標單因子水質標識指數(Pi)平均值

2.3 水質狀況時空分布特征

依據表4中Iwq值的分級標準，判別內蒙古托克托河段的水質類別。由表4可知，不同時間不同采樣斷面所有的水質級別中達到Ⅲ目標水質的比例僅占13%，水質整體處于Ⅳ類水，大黑河采樣斷面的綜合水質標識指數Iwq值達到5.74，屬于劣Ⅴ類水體。對同一采樣時間不同斷面的Iwq值取平均值，大小順序依次為8月(5.19)>4月(5.09)>6月(4.49)>5月(4.42)>7月(4.29)，說明托克托河段的水質總體上是8月的水質最差，4月次之，5，6和7月水質稍好。

表4 黃河托克托縣段綜合水質級別

從空間分布上看，水質最差的8月河段各斷面水質級別Iwq值均在4.4以上，其中大黑河斷面的綜合水質標識指數達到7.12，為劣Ⅴ類(黑臭)如圖2所示。野外采樣觀測大黑河斷面的水體成黑色并伴有惡臭味，該計算結果與實際情況相吻合，水體呈黑色并伴有惡臭味。其原因為大黑河支流是黃河托克托河段干流唯一的季節性匯入河流，大黑河接納的水體主要來源于降水地表徑流、城區的工業和生活污水，進入8月份雨季后，攜帶污染物的雨污水經大黑河排入黃河干流，對下游蒲灘拐斷面處“引黃入呼”取水口取用水產生影響。對采集水樣進行水質指標測定分析可知大黑河斷面對該河段有機型及富營養化污染的主要貢獻因子為TN和COD。根據各水質斷面Iwq值的平均值可知，河段各斷面的污染程度從大到小依次為大黑河、頭道拐、柳林灘、付家河頭、河口鎮、巨合灘大橋、黑圪澇灣、神泉、蒲灘拐，下游的水質整體上好于上游段水質。從4月份 值來看，河段各斷面的綜合水質標識指數介于4.7～5.8，水質屬于Ⅳ—Ⅴ類水。黃河干流4月上游來水量較少，河道流量小，加之水位溫度低自凈能力比較弱，水質較差。其他月份各斷面的 值，大黑河入河口斷面處的Iwq值均最大，該斷面處的綜合水質標識指數介于4.5～7.1，屬于Ⅳ—劣Ⅴ類水。以大黑河斷面為界，下游水質受水體自凈作用影響而逐漸變好，上游各斷面水質基本上為Ⅳ—Ⅴ類水，下游各斷面水質基本上為Ⅲ—Ⅳ類水。

圖2 黃河托克托段沿程綜合水質標識指數的比較

注：1頭道拐； 2柳林灘； 3付家河頭； 4大黑河；5河口； 6巨河灘； 7黑圪澇灣； 8神泉； 9蒲灘拐。

3 結 論

(1) 黃河托克托段水質狀況整體是Ⅳ類水，8月份水質最差，4月份次之，5—7月略好；水體的主要污染因子為TN，TP，COD，說明黃河托克托段屬于有機型及富營養化污染。

(2) 由于大黑河接納了周邊城鎮工業和生活污水，導致該斷面在各個月份 值最大，水質最差，達到劣五類水，其上、下游各斷面水質好于該斷面，為Ⅳ—Ⅴ類水。

(3) 基于主成分因子分析和綜合水質標識指數法的水質評價方法可以篩選出主要的污染指標并建立評價體系，準確客觀反映水質特征的同時可對不同斷面水質進行比較。