浊漳河流域水质时空变化特征

常惠丽,来晋斌,岳秀萍,秦永燕,任嘉红,刘瑞祥

(1.长治市 环境监测站,山西 长治 046000; 2.太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024;3.长治学院 生物科学与技术系,山西 长治 046011)

浊漳河流域水质时空变化特征

常惠丽1,来晋斌1,岳秀萍2,秦永燕3,任嘉红3,刘瑞祥3

(1.长治市 环境监测站,山西 长治 046000; 2.太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024;3.长治学院 生物科学与技术系,山西 长治 046011)

依据2012年浊漳河流域15个样点的水质调查数据,采用聚类分析法对浊漳河流域水质变化特征进行分析。将样点在空间上分为4类:较为清洁的各支流源头区;受一定程度污染的各支流下游河段和三源交汇区;污染严重的流经农业区和城镇区的跨界、跨省断面;污染最为严重的分布有多个工业园区的南源中段。水质状况与流域内污染源具有明显的空间分布特征。采用主成分分析法得到影响浊漳河流域水质的2个主成分:第1主成分为BOD5、COD、TP、CODMn,第2主成分为F-,这些主成分均体现了各自的空间变异规律。在时间尺度上,F-有较明显的季节性差异,TP总体上反映出平水期>枯水期>丰水期,BOD5和COD没有明显的季节性变化规律。

浊漳河流域;水质时空变化;聚类分析;主成分分析

河流是陆地可利用淡水资源的最主要的组成部分。近年来,随着我国工业生产、能源消耗和农业集约化的快速发展,造成全国范围内众多河流不同程度的污染。因此,在大区域或流域范围内，开展河流水质季节性和区域性特征及其变化对水生态系统影响的研究具有十分重要的现实意义。目前，针对流域水质时空变化的研究多采用系统聚类分析法、因子分析/主成分分析法等多元统计分析方法[1]。国外学者对西班牙Pisuerga河[2]、土耳其Behrimaz河[3]、印度Brahmani河[4]、韩国Nakdong河[5]等进行了流域水质时空演变特征分析。国内学者对我国洱海流域[6]、漳卫南运河流域[7]等水质时空变化特征进行了研究。

浊漳河属海河流域漳卫南运河水系,地跨山西、河南两地,流域面积11 741 km2,其中山西省长治市流域面积10 035 km2。随着长治市经济的快速发展,使得污水处理设施无法满足处理负荷的快速增长,无疑给浊漳河流域点源污染带来严峻挑战。目前，关于浊漳河流域的研究主要偏重于水功能区划与污染防治[8]、水资源保护[9]、有机污染物遗传毒性检测与评价[10-11],而针对水质时空演变特征的研究鲜见报道。

笔者利用系统聚类分析法,分析了浊漳河流域水质时空演变规律,并采用主成分分析法确定主要因子对各水质指标的贡献率,结合流域环境特征分析水质时空差异及其原因,以期为浊漳河流域水资源保护和利用提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

该流域地处暖温带半湿润大陆性季风气候区,年均气温7.5～12 ℃,多年平均降水量584 mm,空间分布总体表现为南部大于北部;年最大降雨量1 768 mm(1962年)，年最小降雨量217.5 mm(1957年),年内降雨量主要集中在6月—9月,占全年降雨量的63.3%(丰水期)；12月至次年5月为枯水期,其余为平水期。由于干旱时有发生,对流域社会经济尤其是农业生产带来不利影响。

长治市是晋东南地区经济、文化和交通中心,产业结构以煤化工、冶炼、电力为主。2011年，长治市重点污染源工业废水排放量5.535×107t,而现有处理设施无法满足污水处理负荷的快速增长,无疑给浊漳河流域点源污染带来严峻挑战。另外,该区域农业耕作方式落后,农药、化肥大量使用,加之浊漳河流域内黄土土质疏松,水土流失严重,农村和城市周边地区的畜禽养殖也呈逐年增加态势,致使氮、磷元素等有机质随水土流失进入河流。农业面源污染也成为浊漳河流域环境污染的一个重要方面。

1.2 样点设置

浊漳河流域上游分南、西、北3条主要支流,呈扇形分布,在襄垣县境内小峧汇入浊漳河干流。为了对浊漳河流域水质时空分布变化特征进行研究,在研究区内布设15个监测断面(图1),于2012年每逢单月进行为期1年的采样。其中1、3、5月为枯水期,7、9月为丰水期,11月为平水期。

1—申村水库；2—北寨；3—漳泽水库；4—王桥镇；5— 小峧；6—实会；7—王家庄；8—关河水库；9—西营；10—段柳；11—后湾水库；12—甘村；13—屯绛水库；14—司徒桥；15—暴马

1.3 样品采集与测定

水样用2.5 L聚乙烯桶装,现场加保护剂调节pH<2,在4 ℃条件下低温保存,于当天带回实验室分析。测试的水质指标包括溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、氟化物(F-)、挥发酚、石油类。DO采用日本产便携式水质检测仪(HORIBA U-10)现场测定;CODMn采用酸性法测定(GB 11892-1989);COD采用重铬酸钾法测定(GB 11914-1989);BOD5采用稀释接种法测定(GB 7488-1987);NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定(GB 7479—1987);TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(GB11894-1989);TP采用钼锑抗分光光度法测定(GB 11893—1989);F-采用离子选择电极法测定(GB 7484—1987);挥发酚采用4-氨基安替比林直接光度法测定(GB 7490—1987);石油类采用红外分光光度法测定(GB/T19488-1996)[12]。

1.4 数据处理

采用层次聚类分析法,将各断面监测数据进行模糊聚类分析,以平方欧氏距离度量样本间的距离。聚类方式选择组间平均连接法产生具有层次结构的聚类树,研究流域水质空间的相似性和变化特征[13,14]。应用因子分析的主成分分析法将多个水质指标综合为少数几个具有代表性的因子,通过计算公因子对各指标的贡献率定性分析水质时空变异特征[15]。以上分析通过SPSS17.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 空间聚类分析

从空间聚类结果上看,浊漳河流域水质在空间上可分为4类(图2),依次定义为Ⅳ级(一般)、Ⅲ级(较重)、Ⅱ级(严重)、Ⅰ级(特别严重)。位于石子河上的暴马、浊漳南源的北寨、王桥镇断面为Ⅰ级,水质污染特别严重;位于南源的漳泽水库、西源的段柳、干流的王家庄断面污染严重,为Ⅱ级;西源的甘村和干流上的小峧、实会断面污染较重,为Ⅲ级;南源的申村水库、绛河的屯绛水库和司徒桥、西源的后湾水库、北源的关河水库和西营断面水质较好,为Ⅳ级。

图2 浊漳河流域采样点及污染源分布示意

从空间聚类结果并结合流域内污染源分布情况,流域水质状况与污染源具有明显的空间分布特征。南源和西源源头区、绛河及北源地处山区,工业较少,水质较好;南源中下游及三源汇合后的浊漳干流,人口相对集中,水资源开发和利用强度大,长期受各类工业和大量生活污水排放的双重影响,水体污染严重,水质较差。浊漳西源为传统农耕区,然而由于耕作方式落后,加之水土流失严重,农业面源给下游河段带来的氮、磷污染较为严重。

2.2 主成分分析

对10个水质指标进行主成分分析,数据经KMO检验(栓验值为0.883),适合作因子分析。基于特征值大于1的评判原则,提取公因子2个,即F1和F2,累积贡献率为72.60%,基本能够反映原始数据的基本信息(见表1)。第1主成分F1的贡献率为44.94%,其中BOD5、COD、TP、CODMn所占因子载荷较大,可反映水体营养盐及有机污染综合指标;第2主成分F2的贡献率为27.66%,其中F-因子载荷较高,代表了水体含氟量水平。

表1 旋转因子载荷矩阵Table 1 Rotated Component Matrix

2.3浊漳河流域水质时空变化特征分析

在主成分分析的基础上,确定BOD5、COD、TP、F-(4-d)为目标污染物,对浊漳河流域水质的时空变化特征进行了分析。

浊漳河流域水质的空间分布见图3所示。从图3-a可以看出,第1主成分中BOD5、TP、COD浓度平均值大小顺序为:南源>干流>西源>北源;CODMn为:干流>南源>西源>北源。COD是用重铬酸钾作为氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量,反映了水中受还原性物质(包括有机物、亚硝酸盐、硫化物等)污染的程度;CODMn是以高锰酸钾为氧化剂处理水样时所消耗的氧,常作为地表水受有机污染物污染程度的综合指标。另外,由于水体中所含有机物成分复杂,难以一一测定其成分,因此人们常利用水中有机物在一定条件下所消耗的氧(BOD5)来间接表示水体中有机物的含量。由此可知,流域内浊漳南源和干流污染主要来源于有机污染物,这与污染源在流域内空间上的分布相吻合。

图3-b中第2主成分F-平均值大小顺序为：干流>南源>西源>北源。F-是人体必需的微量元素之一,饮水中含氟的适宜浓度为0.5～1.0 mg/L。当长期饮用含氟量高于1～1.5 mg/L的水时,易患斑齿病；如水中氟含量高于4 mg/L时则可导致氟骨病。钢铁、焦炭、化肥等废水中常存在氟化物,干流上游工业园区大都与此相关,故F-含量偏高,最高值为1.32 mg/L。

图4为浊漳河流域水质随时间的变化特征。由该图可见,F-表现出(4-d)较明显的季节性差异,枯水期和平水期浓度大于丰水期。其中干流枯水期平均值超过地表水水质Ⅲ类标准,这主要是由于煤炭、钢铁、煤化工企业超标污水排放所致。TP含量(4-c)在季节上的差异基本上体现平水期>枯水期>丰水期这一变化规律,南源和干流总体超标。这可能是因为枯水期径流量减少,水体的自净能力急剧下降,虽经丰水期水量增加起到了一定的稀释效应,进入平水期后随流速逐渐减小及蒸发作用,水体中沉积的磷酸盐又逐渐释放出来,出现较大反弹[16]。BOD5和COD季节变化规律不明显,但可看出南源有机物含量总体超标。这种不规律性也反映出水体中有机物主要来源于点源污染,同时也反映出水体中有机污染物成分复杂,再加上受到生活污水和面源污染等多重影响,呈现出复杂多变的现象。

图3 各主成分指标平均值

3 结论

1) 浊漳河流域水质空间上可分为4类,一类是位于各支流源头区水质较好,基本无污染;各支流下游段和三源交汇点受一定程度污染;流经农业区和城镇区的跨界、跨省断面水体污染严重,水质较差;分布有多个工业园区的南源中段污染最为严重。水质状况与流域内污染源具有明显的空间分布特征。

图4 浊漳河流域水质指标随时间的变化

2) 根据主成分分析法得出影响浊漳河流域的水质指标分为2个主成分:第1主成分包括BOD5、COD、TP、CODMn,代表水体营养盐及有机污染综合指标;第2主成分为F-,反映水体含氟量水平。

3) 浊漳河水体中BOD5、TP、COD浓度平均值大小顺序为：南源>干流>西源>北源;CODMn为：干流>南源>西源>北源;F-平均浓度大小顺序为：干流>南源>西源>北源。在时间变化上,F-表现出较明显的季节性差异,TP总体上反映出平水期>枯水期>丰水期,而BOD5和COD没有表现出明显的季节性变化规律。

致谢:感谢长治学院铁军博士在因子分析方面给予大力帮助。

[1]周丰,郭怀成,黄凯,等.基于多元统计方法的河流水质空间分析[J].水科学进展,2007,18(4):544-551.

[2]Vega M, Pardo R, Barrado E, et al. Assessment of seasonal and polluting effeets on the quality of river water by exploratory data analysis[J].Water Research,1998,32(12):5581-3592.

[3]Varol M, Sen B. Assessment of surface water quality using multivariate statistical techniques:a case study of Behrimaz Stream,Turkey[J].Environmental Monitoring and Assessment,2009,159(1-4):543-553.

[4]Sundaray S K. Application of multivariate statistical techniques in hydrogeochmical studies-a case study:Brahmani-Koel River(India)[J].Environmental Monitoring and Assessment,2010,164(1-4):297-310.

[5]Han S, Kim E, Kim S. The water quality management in the Nakdong River watershed using multivariate statisitical techniques[J].Ksce Journal of Civil Engineering,2009,13(2):97-105.

[6]任泽,杨顺益,汪兴中,等.洱海流域水质时空变化特征[J].生态与农村环境学报,2011,27(4):14-20.

[7]徐华山,徐宗学,唐芳芳,等.漳卫南运河流域水质时空变化特征及其污染源识别[J].环境科学,2012,33(2):359-369.

[8]栗建华,赵俊翼,马伟斌.长治市水环境功能区划及其水污染防治[J].山西大学学报(自然科学版),2004,27(3):309-312.

[9]韩德宏.山西省地表水资源污染现状与防治对策[J].水资源与水工程学报,2008,19(3):116-118.

[10]刘瑞祥,任嘉红,秦永燕,等.浊漳河水体污染物对蚕豆根尖细胞的遗传毒性研究[J].西北植物学报,2010,30(1):150-155.

[11]常惠丽,任嘉红,霍转转,等.人血淋巴细胞检测浊漳河地表水的遗传毒性[J].生态毒理学报,2012,7(6):615-619.

[12]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[13]顾胜,李思悦,张全发.汉江堵河流域地表水质时空变化特征[J].长江流域资源与环境,2009,18(1):41-45.

[14]董慧峪,强志民,李庭刚.南苕溪支流锦溪水质时空变化特征分析[J].环境工程学报,2012,6(3):772-778.

[15]Ouyang Y, Nkedi-Kizza P, Wu Q T,et al.Assessment of seasonal variations in surface water quality[J].Water Research,2006,40:3800-3810.

[16]曹承进,秦延文,郑丙辉,等.三峡水库主要入库河流磷营养盐特征及其来源分析[J].环境科学,2008,29(2):310-315.

(编辑：庞富祥)

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

国家自然科学基金资助项目(51378330)，长治市科技计划项目(20123055);山西省高校科技研究开发基金资助项目(20081043)

常惠丽(1965-),女,山西高平人,高级工程师，主要从事河流水污染防治研究，(E-mail)changhuili1965@163.com

1007-9432(2014)02-0265-05

X824

:A