伊犁河伊寧市段夏季水環境特征分析

謝阿廷，程 艷，趙晨曦，胡 霞，張 健，王 悅

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆環境污染控制與風險預警重點實驗室，烏魯木齊 830011；3.新疆環境保護科學研究院，烏魯木齊 830011；4.新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046)

0 引 言

【研究意義】水質評價是對水環境質量狀況的定性分析與定量評定、是關于水環境質量現狀和變化的理論、方法及其應用技術的科學，對水體的污染程度進行等級劃分和確定污染類型的過程，通過對水質監測數據的合理評價，才能制定科學的整治規劃采取有效的措施[1]。隨著水資源的匱乏，對水資源、水環境的優劣也日益關注，水質評價的重要性也凸顯出來了，對于流域附近的居民，河流水質的狀況影響著生活環境的舒適，對河流水質的評價也具有一定的實際意義。近年來對伊犁河流域的研究，大部分集中于伊犁河生物群落結構的分析研究，鮮有對伊犁河流域的綜合水質進行評價，而對該流域水質的評價具有重要意義，為水環境污染防控提供科學依據和技術支撐。【前人研究進展】有關水質評價的方法很多，主要分為單因子評價法[2]、綜合污染指數法、模糊評價法、灰色評價法、人工神經網絡法和主成分分析法[3]。單因子評價法方法簡單，是以最差水質指標所屬類別作為綜合水質類別，但卻無法判斷水體的整體污染情況；污染指數法無法對斷面水質類別進行定性判斷，卻能反映水體的相對污染程度。其他綜合評價方法是基于水質分析是一個多因素、多指標的復雜過程，從而采用一些合理的數學模式，對這些諸多因素進行綜合，以便做出合理評價或分析，其結果往往反映的是對象的綜合性特征，及其個體在整體中的綜合表現，是對單因子分析、綜合指數分析等方法的合理補充。因此，采用多方法進行水質評價是全面判別水體污染狀況的必然趨勢。例如，李曉航等[4]采用單因子污染指數法、內梅羅污染指數法和綜合污染指數法對艾比湖流域水質進行了水質評價，并探討了艾比湖流域的總體污染狀況。上述綜合性方法中，主成分分析法具有從大而復雜的數據庫獲得更好的關于水質和分析的信息分析，并能有效地識別染源[5-6]。伊元榮等[7]采用多元統計主成分分析方法對伊犁河進行水質評價，結果表明，主成分分析方法能真實、準確分析出城市河流各水質指標的內在關系。周豐等[8]提出了一種基于多元統計分析和RBFNNs的水質評價方法，對各組樣本進行水質評價，評價結果與傳統單項指數法的結果基本一致。【本研究切入點】不同的方法有各自不同的優缺點，其評價結果所表達的水環境特征也不盡相同。目前，研究所涉及到的河段僅有2個常規水質監測點，而河段內城鎮生活、工業、農業、養殖等各類污染源分布較為密集，該河段夏季的水污染較為復雜和顯著，現有監測點位和資料遠不能合理反映區域水質的現狀特征，因此，選取多個有效斷面及水質評價方法的聯用對伊犁河水污染管理與防控具有重要意義。【擬解決的關鍵問題】通過在夏季7月對研究河段進行水質加密監測并運用單因子評價法、內梅羅指數法、重金屬水質質量指數法、主成分分析法，對伊犁河河段水環境特征進行評價分析，全面掌握研究河段的水環境質量現狀特征，為水環境污染防控提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究河段位于伊犁河伊寧市段，河段總長約40 km，自東向西流，水深較淺，水流湍急，水體自凈能力較強，河道南北側均有河道或排水口匯入，南岸以休閑生活為主，多為漁業養殖、農業灌溉和景觀生活用水；北岸則以城市、工業園區為主，工業用水多由城西污水處理廠集中處理后排入河內。為較全面評價研究河段水環境質量狀況，考慮到河道兩側污染來源的差異性，分別于河段南北岸各選取5個斷面，北岸斷面為A1、A4、A8、A9、A10、南岸斷面為A2、A3、A5、A6、A7。

2015年7月20～25日，按照《水質采樣技術指導》(HJ 494-2009)要求，現場用PH-B-1型酸度計和YSI-85-25型便攜式多功能水質分析儀對pH值、水溫、溶氧、電導率、進行現場測定；采集0～50 cm的上層水，水樣封存于不同材質的瓶子中，依次編號，加適量保護劑后，低溫保存(4℃)。圖1

圖1 采樣點位置
Fig.1 Location of sampling points

1.2 方 法

1.2.1 水樣指標的選擇

根據西北地區水體污染情況和有關水質評價的文獻[9-11]，選取具有該河段特征污染性質的氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數、化學需氧量、陰離子表面活性劑、溶解氧、氯化物、以及重金屬六價鉻、銅、鉛、鋅、鎘、錳、砷、鐵等指標為該河流段的水質評價指標。

1.2.2 評價標準的確定

該河段水質目標為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中的Ⅱ類標準，則以此標準作為研究河段水質評價的依據標準。

1.2.3 評價方法

1.2.3.1 單因子評價法

單因子評價法是最直接、簡單明了的水質評價方法，是《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中推薦的水質評價方法之一。其方法為在所有參與綜合水質評價的水質指標中選擇水質最差的單項指標所屬類別來確定所屬水域綜合水質類別。

計算公式如下：

式中，Sij：單項水質評價因子i在第j取樣點的標準指數；Cij：水質評價因子i在第j取樣點的濃度，(mg/L)；Csi：水質評價因子i的評價標準，(mg/L)。

1.2.3.2 內梅羅指數

內梅羅指數是兼顧極值和平均值的一種計權型多因子環境質量指數評價法，能夠全面反映水體污染現狀并甄別出主要污染物，是水質評價的常用方法之一。計算表達式為：

式中，Ci為項目i的實測濃度；Cs為項目i的標準值；max(Pi)為項目單因子污染指數的最大值；ave(Pi)為各項目單因子污染指數的平均值。內梅羅指數的評價標準[11]：當PN≤0.7時，表示無污染；當0.72時，表示強污染。

1.2.3.3 重金屬污染水質質量指數

以1.2.2中的Ⅱ類水質標準作為該河流域水中重金屬污染評價參照標準，使用水質質量指數法對水中的重金屬污染進行評價：

式中，Ci為重金屬i的實測濃度；Qi為重金屬i對應的水質標準；Ai為重金屬i的污染指數；WQI為水中重金屬的水質質量指數。

根據WQI的值，將河水中的重金屬污染情況分為4個等級[12]，當WQI≤1時，表示無污染；當13時，表示強污染。

1.2.3.4 主成分分析法

是英國生物學家Kart Pearson在20世紀初提出來的。能夠綜合評價指標，分析多種水污染因子在各斷面的污染程度，并能有效的識別污染源。即能減少參與數據分析的變量個數，同時也不會造成統計信息的大量浪費和丟失。在進行因子分析之前先對數據進行KMO和巴特利特檢驗，KMO檢驗是為了看數據是否適合因子分析，結果為KMO值為0.624，一般認為在0.6左右適合做因子分析，Sig.值為0小于0.001，表明監測數據適合做因子分析。計算步驟如下：

(1)將原始數據xij標椎化，以后的變量為z1，z2，……zp，標準化數據矩陣，以消除變量間在數量級和量綱上的不同。

(2)求標準化數據的相關矩陣rij及相關矩陣的特征值λ和特征向量。

(3)計算方差貢獻率與累積方差貢獻率。

(4)確定因子：設F1，F2，....，Fp為p個主成分，其中前m個因子包含的數據信息總量(及累計貢獻率)不低于85%，從而選取主成分個數。

(5)用原指標的線性組合來求各主成分得分F，以各主分的方差貢獻率為權，由各因子的線性組合得到綜合評價指標函數。

2 結果與分析

2.1 重金屬污染水質質量指數

通過對重金屬指標進行評價，各采樣點位水體中重金屬的水質質量指數值較低，WQI范圍為：0.001～0.63，表明研究河段不存在重金屬污染。表1

表1 重金屬污染水質質量指數
Table 1 Ater quality index of heavy metal pollution

指標Index六價鉻Cr6+銅Cu鋅Zn鎘Cd錳Mn砷AsWQI0.120.0010.0010.50.630.06

2.2 單因子評價法

研究表明，氨氮除A8斷面處于Ⅱ類水體外，其它斷面均在Ⅰ類水平。總氮A3、A4屬于Ⅱ類水體，A1、A2、A10、屬于Ⅲ類水體，A7、A9為Ⅳ類水體，A8、A5為Ⅴ類水體，A6為劣Ⅴ類水體，90%的斷面未達到標準要求，總氮污染較為突出。總磷屬于Ⅱ類水體的斷面有A3、A7、A8、A10，屬于Ⅲ類水體的有A1、A2、A4、A6、A9，A5達到Ⅳ類水體，存在超標現象。高錳酸鹽除A5斷面Ⅱ類水體外，其它斷面均為Ⅰ類水體；化學需氧量A3、A4、A7屬于Ⅲ類水體，A1、A2、A9、A8、A6、A10屬于Ⅳ類水體，A5屬于Ⅴ類水體，超標較為普遍。陰離子表面活性劑均處于Ⅰ類水平。

主要污染指標的空間分布情況為：總氮處于中度污染，其最大值(4.10)出現在采樣點A6，為劣Ⅴ類水體；總磷處于輕度污染，其最大值(2.40)出現在采樣點A5，為Ⅳ類水體；化學需氧量處于輕度污染，其最大值(2.12)出現在采樣點A5，為Ⅴ類水體。圖2

圖2 單因子指數
Fig.2 Single factor index

2.3 內梅羅指數

研究表明，河段水體綜合水平良好，整體表現為耗氧性有機污染；水體中主要污染物為總氮、總磷、化學需氧量，其中總氮為強污染物。研究河段總氮、總磷、化學需氧量的污染與農業用水中作物沒吸收的化肥和農藥的殘留及居民污水和牲畜糞便等流入流域的污染源息息相關，也與岸邊植被樹木凋落的腐殖物質有關。表2

表2 評價因子內梅羅指數
Table 2 Nemerow index evaluation factor

評價因子Factor氨氮NH4+總氮TN總磷TP化學需氧量COD陰離子表面活性劑An-ionic surfactan溶氧Do氯化物Cl高錳酸鹽指數KMno4Pn0.562 53.276 91.881 81.824 20.348 70.731 30.088 10.482 3污染程度無污染強污染中污染中污染無污染低污染無污染無污染

內梅羅指數的評價結果與單因子評價法結果具有一致性。研究河段總氮為強污染，總磷、化學需氧量為低污染。表明研究河段水體以營養鹽污染和有機污染為主。

2.4 主成分分析

為進一步明確影響不同監測斷面的主要污染指標，及其主要污染因子的空間分布綜合特征，用主成分分析對10個斷面的8個水質指標進行因子分析，提取特征值大于1的若干個主成分，同時得到各組分貢獻率與各指標的關系。依據Kaiser-Harris準則提取特征值大于1的主成分，所以只選擇了前兩個主成分，第一個主成分的方差貢獻率是71.269%，前兩個主成分方差占所有主成分方差的87.849%，由此可見，選前兩個主成分足夠替代原來的變量，幾乎涵蓋了原變量的全部信息。其中第一個主成分在氨氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量變量上有較大的載荷，所以其反映的是這些變量的信息，第二個因子反映的是總氮的變量信息。表3

根據監測指標數據的標椎化與成分得分系數，由此直接寫出各公因子的表達式

F1=0.252×Z氨氮-0.166×Z總氮+0.182×Z總磷+0.089×Z化學需氧量-0.311×Z溶氧+0.118×Z高錳酸鹽指數-0.174×Z氯化物+0.251×陰離子表面活性劑

F2=-0.095×Z氨氮+0.489×Z總氮+0.002×Z總磷+0.12×Z化學需氧量+0.215×Z溶氧+0.122×Z高錳酸鹽指數+0.511×Z氯化物-0.093×Z陰離子表面活性劑

F=[λ1/(λ1+λ2)]F1[λ2/(λ1+λ2)]F2.

表3 F綜合得分
Table 3 F Comprehensive Score

水樣編號Sample numberF1得分F1 scoreF1排名F1 rankingF2得分F2 scoreF2排名F2 ranking綜合得分FComprehensive scoreF排名F rankingA1-0.1215-0.4547-0.1835A2-0.1286-0.5408-0.2056A3-0.2678-0.97210-0.4008A4-0.0074-0.8099-0.1584A52.16011.54212.0431A60.03931.06020.2323A7-0.2547-0.2226-0.2487A8-0.945100.4263-0.68710A90.05020.18640.6932A10-0.5279-0.2185-0.4699

研究表明(1)研究河段整體表現為河段北岸污染高于南岸。(2)由于水體流速的作用，將上游污染物帶到下游水域，上游水質好于下游。(3)A5斷面F1得分較高，說明該斷面受氨氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量影響較大，該斷面主要是受農田退水及生活污水的影響，該斷面上游為污水處理廠及工業集中區。A5、A6斷面F2得分較高，表示該斷面受總氮影響較大。總氮的污染與農業污水和居民污水牲畜糞便有關，這兩個斷面均在污水處理廠附近。A5斷面的綜合得分第一，且遠甚于其它斷面，污染較其它斷面來說比較嚴重，主要的影響因子分別是總氮、氨氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量，流域污染表現為有機污染。

主成分分析法的結果表明，研究河段的A5、A9、A6斷面水質較差，主要的影響因子分別是總氮、氨氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量，表明研究河段水體以有機污染為主，河段的上游區域水質好于下游區域。

3 討 論

主成分分析法目前是運用較多的評價方法之一，操作簡單，減少主觀誤差這與廉鐵輝等[13](2017)對主成分分析法的評價結論一致。而除了采用主成分分析法之外，更結合單因子評價法和綜合污染指數法聯合評價河流流域，使結果更具有準確性。

孫博等(2016)[14]和王洪濤等(2016)[15]采用主成分分析法對河流沉積物中的重金屬污染進行評價，得到污染強度的結論，而研究采用主成分分析法對水質指標進行評價，因為該流域的重金屬無污染。得到伊犁河流域的氮元素污染最為嚴重，總氮的污染程度是強污染，但該流域卻并不只是受氮元素的單一污染，除了氮元素污染外，還伴隨著總磷，化學需氧量等其他污染物質，流域變現為典型的有機污染的結論。因此，采用多方法對河流進行水質評價是全面判別水體污染狀況的必然趨勢。

4 結 論

4.1 通過單因子評價法和內梅羅指數法可以明確該河流段的主要污染因子為總氮、總磷、化學需氧量，其中總氮最大超標倍數為4.36，超標率達93.8%；總磷最大超標倍數為6.37，超標率達75%；化學需氧量最大超標倍數為3.2，超標率達100%。表明研究河段水體以營養鹽污染和有機污染為主，河段的中下游區域為污染較為嚴重的區域。

4.2 通過重金屬污染水質質量指數法對該流域重金屬污染程度進行評價，研究河段水體中6種重金屬的水質質量指數數值較低，各指標均能達到Ⅱ類水質標準；WQI范圍為：0.001～0.63，整體污染水平為無污染。

4.3 綜合F得分中A5為最大值(2.043)，由于A5斷面水質受工業污水與農業污水的影響，該斷面水質在該流域中水質最差，A6斷面F綜合得分為0.232，主要與農業污水和居民污水有關；整體水域表現為河段北面整體污染高于南面，水體污染原因與生活污水和農業活動及工業污水有關。