1 引言(Introduction)

　　水資源為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了條件, 但隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 流域水污染也日趨嚴(yán)重(孟偉, 2007; 吳舜澤, 2000), 并受到社會各界的廣泛關(guān)注.河流水質(zhì)不僅受降水等自然條件的影響, 而且深受工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)面源和生活污水等人為因素的干擾(卜紅梅等, 2009).對河流水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測與評價, 研究其時空分布特征, 解析污染成因, 能夠為水環(huán)境管理提供動態(tài)信息(徐華山等, 2012; 滕智超等, 2016), 有效控制河流污染和加強(qiáng)水質(zhì)管理.

　　多元統(tǒng)計分析法作為一種重要的數(shù)據(jù)處理分析工具, 已被廣泛應(yīng)用于河流水質(zhì)變化特征的研究中(冉桂花等, 2013; Yu et al., 2011; Zhou et al., 2007; 何萬謙, 2010; 謝森, 2010; 富天乙等, 2014; 馬小雪等, 2015; 黃金良等, 2012).徐華山等(2012)利用聚類分析(CA)和主成分分析(PCA)等方法分析漳衛(wèi)南運(yùn)河水環(huán)境特征, 揭示了水質(zhì)時空變化趨勢, 識別出市政污水、工業(yè)廢水、天然污染源和采礦活動等主要因子; 楊道軍等(2007)應(yīng)用PCA和CA對影響巢湖水質(zhì)的主要因子進(jìn)行辨識, 闡明西半巢湖和東半巢湖的水質(zhì)差異顯著; Wang等(2008)運(yùn)用線性回歸分析法對上海地表水水質(zhì)時空變化進(jìn)行分析, 揭示了水質(zhì)時空變化的主導(dǎo)因子為城市化水平; Pillsbury等(2007)采用回歸分析, 探討了Hillsborough河的水質(zhì)時空變化及自然和人為污染源對水質(zhì)的影響, 研究了污染物排放與水質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制.

　　本文以2013—2015年武水河流域7個監(jiān)測斷面的11個水質(zhì)指標(biāo)作為研究對象, 應(yīng)用PCA和CA, 分析武水河水質(zhì)時空分布特征, 辨識主要污染因子, 解析污染源特征, 為武水河流域水質(zhì)改善和水環(huán)境管理提供決策依據(jù).

　　2 研究區(qū)域(The study area)

　　武水河位于湖南省南部(112°41′34″~113°05′11″N, 25°25′53″~25°52′49″E), 是珠江流域北江水系一級支流, 流經(jīng)郴州市臨武縣、北湖區(qū)、宜章縣, 經(jīng)宜章縣的羅家渡流入廣東省.武水河流域面積1223 km2, 干流長115 km, 主要支流有沙市河、人民河、排形河、斜江河、臘水河、水東河、玉溪河、漁溪河等(圖 1).流域地貌復(fù)雜多樣, 山系縱橫, 溪谷交錯, 地勢西北高、東南低.流域內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候, 四季分明, 年均溫17.9 ℃, 年平均降水量1437.8 mm, 降水多集中在夏季.

　　圖 1

　　圖 1武水河流域水系及監(jiān)測斷面示意圖

　　3 數(shù)據(jù)與方法(Datas and methods)3.1 數(shù)據(jù)

　　流域內(nèi)設(shè)置7個監(jiān)測斷面, 其中岑水橋、臨連大橋和武水五塘沖電站監(jiān)測斷面位于武水河干流, 城關(guān)曹排村和芙安河老橋監(jiān)測斷面分別位于支流玉溪河與芙安河, 長河水庫、黃岑水庫監(jiān)測斷面位于水庫出口(圖 1).長河水庫和黃岑水庫執(zhí)行Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 其余斷面執(zhí)行Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).基于國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002), 選取24個物理、化學(xué)、生物及重金屬指標(biāo)監(jiān)測分析, 監(jiān)測頻次為每年1月、4月、7月和10月.篩選2013—2015年11個典型水質(zhì)指標(biāo), 即溫度、pH、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、氟化物、砷(As)和糞大腸桿菌等指標(biāo)作為研究對象, 進(jìn)行多元統(tǒng)計分析.

　　3.2 研究方法3.2.1 主成分分析

　　PCA是一種降維處理技術(shù), 將原來眾多的具有一定相關(guān)性的變量重新組合成新的少數(shù)幾個相互獨立的綜合變量, 并要求這些綜合變量能夠反映原變量提供的大部分信息, 以保證分析的準(zhǔn)確性(高惠漩, 2005; 王艷紅等, 2010; 李森等, 2012; 吉祝美等, 2012; 楊學(xué)福等, 2016), 這些新的綜合變量稱為主成分.本文應(yīng)用SPSS 20軟件提取了11個水質(zhì)指標(biāo)的3個主成分, 有效降低了具有較大因子載荷的變量個數(shù).

　　3.2.2 聚類分析

　　CA通過在變量之間定義相似系數(shù), 代表變量之間的相似程度, 按照相似程度的大小, 將變量逐一歸類, 直到所有變量都聚集為一類, 形成一個表示相似程度的譜系圖.流域水質(zhì)評價中常通過聚類監(jiān)測時間和監(jiān)測斷面的地理位置, 來分析流域水質(zhì)的時空變化特征(Alkarkhi et al., 2009; Sundaray, 2010; 李艷紅等, 2016).

　　本文應(yīng)用Origin 8.6軟件對武水河流域水質(zhì)指標(biāo)在時空尺度上的變化趨勢進(jìn)行描述, PCA和CA則通過SPSS 20軟件來實現(xiàn).

　　4 結(jié)果與討論(Results and discussion)4.1 時空特征分析

　　2013—2015年武水河流域水質(zhì)總體達(dá)標(biāo), 個別時段存在超標(biāo)現(xiàn)象.監(jiān)測的11個水質(zhì)指標(biāo)中, CODMn、NH3-N、TP、TN、As和糞大腸桿菌等指標(biāo)的濃度呈逐年降低趨勢.各監(jiān)測斷面溫度呈明顯的季節(jié)變化特征, 流域內(nèi)年均氣溫為17.9 ℃, 7月平均氣溫為27.7 ℃, 1月平均氣溫為6.6 ℃.pH值基本穩(wěn)定在7.21±0.22, 長河水庫和黃岑水庫斷面2015年1月和10月pH值偏高(pH=8.03).DO與溫度呈負(fù)相關(guān)(r=-0.5, p<0.01), 1月份濃度高, 7月份濃度低.各監(jiān)測斷面CODMn濃度整體上有所降低, 季節(jié)變化不明顯; 由于7月份降水多, 各監(jiān)測斷面BOD5、NH3-N、TP、TN等指標(biāo)7月濃度較低, 季節(jié)變化較顯著.由于2014年降水量比多年平均水平降低14.3%, 屬偏枯水年, 導(dǎo)致BOD5、NH3-N、TP、TN等水質(zhì)指標(biāo)在2014年季節(jié)變化不顯著.糞大腸桿菌與BOD5呈正相關(guān)(r=0.56, p<0.01), 變化趨勢與BOD5基本一致.氟化物和As濃度呈逐年降低趨勢, 季節(jié)變化不明顯.

　　從空間上看, 在長河水庫和黃岑水庫斷面, 11個水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)均達(dá)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(2015年1月長河水庫NH3-N濃度0.77 mg·L-1, 超標(biāo)54%, 2015年7月黃岑水庫NH3-N濃度0.57, 超標(biāo)14%), CODMn、BOD5、TN、TP、氟化物、As和糞大腸桿菌等指標(biāo)濃度均低于其他斷面, 表明兩個水庫水質(zhì)最優(yōu).岑水橋斷面在2013年10月、2014年10月出現(xiàn)As超標(biāo)現(xiàn)象(分別超標(biāo)50.1%、13.4%), 2015年無超標(biāo)現(xiàn)象; 該斷面DO濃度較低, TN、氟化物、糞大腸桿菌等指標(biāo)濃度較高.臨連大橋斷面CODMn、BOD5、TP濃度明顯高于其他斷面.武水五塘沖電站斷面TN和As的監(jiān)測濃度相對較高.城關(guān)曹排村和芙安河老橋為支流監(jiān)測斷面, DO、CODMn、TN、TP、NH3-N和As等指標(biāo)濃度介于水庫斷面和干流斷面之間, 但城關(guān)曹排村BOD5和糞大腸桿菌的監(jiān)測值較高, 芙安河老橋斷面氟化物和As的監(jiān)測值較高.總體上, 干流主要污染物濃度最高, 水庫的最低, 支流的介于兩者之間, 流域水質(zhì)由好到差的順序為水庫>支流>干流.

　　4.2 污染因子識別

　　對2013—2015年7個監(jiān)測斷面的11個水質(zhì)指標(biāo)分別進(jìn)行主成分分析, 2013、2014和2015年累積貢獻(xiàn)率分別為86.40%、88.35%、88.41%, 提取的主成分均已解釋了原始信息的85%以上, 滿足主成分分析的原則, 說明提取的主成分可以很好的反映武水河的水質(zhì)信息.主成分相關(guān)系數(shù)大于0.7的指標(biāo)被認(rèn)為和主成分顯著相關(guān)(Liu et al., 2003).

　　在2013年, 第一主成分貢獻(xiàn)率為39.85%, 主要包括氨氮、TN、As、pH、TP, 它們與第一主成分呈顯著正相關(guān), 表明污染物主要來源農(nóng)業(yè)面源污染和工業(yè)污染(Zhou et al., 2007); 第二主成分貢獻(xiàn)率為26.47%, 主要包括BOD5、CODMn、氟化物、DO, 其中DO與第二主成分呈負(fù)相關(guān), 其他呈正相關(guān), 表明污染物主要來源生活污水和工業(yè)廢水; 第三主成分貢獻(xiàn)率為20.1%, 包括糞大腸桿菌和溫度, 它們與第三主成分呈正相關(guān)(圖 3a).在2014年, 第一主成分貢獻(xiàn)率為52.84%, 主要包括pH、TP、CODMn、氨氮, 它們與第一主成分呈顯著正相關(guān), 表明污染物主要來源生活污水和工業(yè)污染; 第二主成分貢獻(xiàn)率為23.54%, 主要包括溫度、DO、糞大腸桿菌, 其中DO與第二主成分呈負(fù)相關(guān), 其他呈正相關(guān), 表明污染物主要來源畜禽養(yǎng)殖; 第三主成分貢獻(xiàn)率為11.94%, 包括TN、氟化物、As和BOD5(圖 3b).在2015年, 第一主成分貢獻(xiàn)率為49.63%, 主要包括pH、糞大腸桿菌、溫度、BOD5, 它們與第一主成分呈正相關(guān), 表明污染物主要來源畜禽養(yǎng)殖與生活污水; 第二主成分貢獻(xiàn)率為21.43%, 主要包括DO、CODMn、TP, 其中DO與第二主成分呈負(fù)相關(guān), 其他呈正相關(guān), 表明污染物主要來源工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)面源; 第三主成分貢獻(xiàn)率為17.35%, 主要包括NH3-N、TN、氟化物、As(圖 3c).2013年主要污染源為農(nóng)業(yè)面源污染和工業(yè)污染, 2014年主要污染物源于生活污水和工業(yè)廢水, 2015年主要污染成因為畜禽養(yǎng)殖和生活污水.因此, 工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)面源對水質(zhì)的影響逐年降低, 畜禽養(yǎng)殖廢水與生活污水成為影響河流水質(zhì)的主要因素.具體聯(lián)系污水寶或參見http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 3

　　圖 3 2013 (a)、2014 (b)、2015 (c)年的主成分散點圖

　　4.3 流域差異性分析

　　對2013—2015年武水河流域7個監(jiān)測斷面進(jìn)行空間聚類分析, 采用最鄰近元素法, 以歐氏距離平方(SED)為度量標(biāo)準(zhǔn), SED值越小, 聚類分析越顯著(Yu et al., 2011).當(dāng)SED<18時, 7個斷面聚類為3組(圖 4).第1組包括武水五塘沖電站、岑水橋和臨連大橋斷面, 即干流斷面; 第2組包含城關(guān)曹排村和芙安河老橋斷面, 即支流斷面; 第3組包括長河水庫和黃岑水庫斷面, 即水庫斷面; 間接地表明3類監(jiān)測斷面水質(zhì)存在顯著差異.以上分析結(jié)果與水質(zhì)空間差異分析一致.干流監(jiān)測斷面的SED最小(SED<2), 支流斷面的SED最大(SED<8), 水庫斷面的SED介于兩者之間(SED<3), 表明3個干流監(jiān)測斷面的水質(zhì)指標(biāo)變化最小, 2個支流斷面的水質(zhì)指標(biāo)變化最大, 2個水庫斷面的水質(zhì)指標(biāo)變化介于兩者之間(圖 2).

　　圖 4

　　圖 4最近鄰近系統(tǒng)聚類樹狀圖

　　圖 2

　　圖 2武水河流域水質(zhì)指標(biāo)時空尺度變化趨勢示意圖(1.長河水庫, 2.黃岑水庫, 3.城關(guān)曹排村, 4.芙安河老橋, 5.臨連大橋, 6.武水五塘沖電站, 7.岑水橋)

　　4.4 污染源解析

　　武水河流域降水多集中在夏季, 河流徑流量大, BOD5、NH3-N、TP、TN等污染物被稀釋, 導(dǎo)致在7月監(jiān)測值較低, 季節(jié)變化顯著.氟化物和AS等污染物季節(jié)變化不顯著, 在雨季尾礦庫的尾砂及河岸兩邊的采礦廢石被雨水沖刷進(jìn)入河道, 導(dǎo)致污染物濃度偏高.流域內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水集中處置工程建設(shè)嚴(yán)重滯后, 生活污水處理設(shè)施不足.未經(jīng)處理的生活污水直接入河, 或滲入地下通過地下徑流對河流水質(zhì)造成污染; 根據(jù)2015年流域內(nèi)所轄縣區(qū)環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù), NH3-N總?cè)牒恿考s1866.79 t, 其中生活污水占62.31%.根據(jù)2015年臨武縣和宜章縣統(tǒng)計年鑒, 臨連大橋和武水五塘沖電站斷面控制的區(qū)域人口分別為16.63萬人、15.27萬人, 約占流域總?cè)丝诘?1.34%、21.78%, NH3-N入河量分別為381.67、282.11 t.岑水橋斷面控制的區(qū)域人口7.69萬人, 約占流域總?cè)丝诘?4.5%, NH3-N入河量154.41 t, 約為臨連大橋和武水五塘沖電站斷面的40.46%、54.73%;盡管斷面所轄區(qū)域生活污水中的NH3-N入河量較小, 但污染物的累積效應(yīng)導(dǎo)致岑水橋斷面NH3-N濃度較高.武水河流域規(guī)�；�畜禽養(yǎng)殖場共160余家, 由于缺少配套糞便污水貯存處理設(shè)施, 導(dǎo)致畜禽糞便處理不當(dāng), 大量氮磷等污染物流入武水河, 成為影響水質(zhì)的主要污染源之一.

　　“十二五”期間, 通過重金屬治理工程, 對河道尾砂以及河岸廢渣進(jìn)行清理, 并進(jìn)行覆土和植被恢復(fù)等, 有效控制了重金屬污染程度, 監(jiān)測斷面的砷濃度明顯減少.由于斜江河、東山河上游采礦遺留的廢渣堆砌, 導(dǎo)致下游的武水五塘沖電站、岑水橋等斷面氟化物、砷等污染物指標(biāo)的監(jiān)測值較高, 歷史遺留問題(礦坑水、淋溶、污染土壤、農(nóng)田、地下水、河道底泥)對氟化物、砷等污染物的貢獻(xiàn)度約占90%.

　　為改善流域水環(huán)境質(zhì)量, “十三五”期間, 基于NH3-N、氟化物、As超標(biāo)現(xiàn)象, 強(qiáng)化城鎮(zhèn)生活污染治理, 保障飲用水水源安全, 科學(xué)劃定畜禽養(yǎng)殖禁養(yǎng)區(qū), 防治水產(chǎn)養(yǎng)殖污染, 狠抓工業(yè)污染防治, 落實環(huán)境準(zhǔn)入制度.加大重金屬污染治理力度, 在武水河干流、斜江河、臘水河、東山河、楊家河、黃岑水庫及長樂水流域等實施重金屬治理項目(圖 5).

　　圖 5

　　圖 5武水河流域“十三五”項目分布

　　5 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 2013—2015年, 武水河水質(zhì)整體上有所改善, CODMn、氨氮、TP、TN、砷和糞大腸桿菌等指標(biāo)監(jiān)測值趨于減小.

　　2) 武水河流域水質(zhì)空間差異顯著, 水庫斷面水質(zhì)水平較高, 干流斷面的較低, 支流斷面的介于兩者之間.

　　3) 2013—2015年武水河污染成因發(fā)生了變化, 生活污水和畜禽養(yǎng)殖成為武水河氮、磷污染和有機(jī)污染的主要貢獻(xiàn)源; 工業(yè)污染對水質(zhì)的影響逐漸降低.

　　4) 基于武水河流域主要污染源特征, 建議增加鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)施, 提升污水處理技術(shù), 提高生活污水處理率; 合理優(yōu)化養(yǎng)殖布局, 推廣畜禽糞便污水集中處理和資源化利用, 實現(xiàn)生態(tài)健康養(yǎng)殖; 加強(qiáng)歷史遺留重金屬污染治理, 改善流域水環(huán)境質(zhì)量.(來源：環(huán)境科學(xué)學(xué)報 作者：朱琳)