基于多元统计和AquaChem的天山南麓小流域水体化学计量特征

姚 毅

（新疆哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000）

1 研究区概况

研究区位于新疆哈密市中部天山南麓，为哈密河上游的支流流域，该区北依山系、南临哈密盆地，，流域面积1541 km2。区域属于中亚准地台天山裙皱带，地势东北高西南低，高程介于1053~2926 cm，形成了以山地、盆地、平原为主的地貌。由于身居欧亚大陆中部，距离海洋较远，形成了暖温大陆性气候，冬季寒冷绵长、夏季高温短促，年均温7.5℃，多年均降水量50~150 mm之间，无霜期205 d，蒸发量达1800 mm，且昼夜和年温差较大，日照时数充分。区域河流发源于天山余脉的冰雪融水，流程短促、水系纵列，5~8月是丰水期、11~2月是枯水期，为哈密地区重要的生产生活用水来源。流域土地利用林草为主，森林面积率为23.65%，地下水和山泉水较丰富。近几年随着载畜量增加、旅游业发展和城镇化推进，流域生态系统遭到一定破坏。

2 材料与方法

2.1 水样采集与化学测定

于2017年5月对流域内白杨沟、柳树沟、榆树沟3条河流进行野外取样调查。在考虑了河流支流密度、流量、地形、河段位置等因素，共设置了23个水质断面，其中白杨沟6，柳树沟10个，榆树沟7个，断面位置如图1所示。于断面流水稳定处，应用，100 mL的聚乙烯瓶随机采集5个样品，放置于清洁、干燥玻璃瓶中，经封装处理后送至实验室予以测定。对于水体的pH，运用酸碱度检测计进行现场测定。对于其他的化学指标，双指示剂中和法测定HCO3，EDTA间接滴定法化验，硝酸银滴定法测试 Cl-，火焰分光光度法检测 Na+、K+、Ca2+、Mg2+等活性金属离子。在实验过程中，定标曲线精度达到0.9999，满足国家水质检测方法标准要求[1]。

图1 研究区示意图和水质断面

2.2 数据处理

将测定的水质化学指标数据录入Excel2016中，先经3+δ处理剔除异常值（柳树沟水质断面1处），然后运用SPSS 21.0软件对其他22个水质断面数据进行统计分析，主要统计量为：极大值、极小值、平均值、标准差，并应用标准差与均值之比计算变异系数，以描述指标属性离散程度。通过SPSS21.0软件中的单样本Kolmogorov-Smirnov法对各序列数据进行正态分布检验；person双变量相关分析以揭示水质指标间的关系；通过主成分分析计算指标荷载矩阵，进而识别水体质量中的主要影响因子。此为，为比较白杨沟、柳树沟、榆树沟3条河流水质的化学特性，应用AquaChem软件进行Durov分析[2~3]。

3 结果与分析

3.1 水质化学指标描述下特征

研究区水质化学计量特征如表1所示，22个水质样点中的阴离子浓度高于阳离子浓度。在3项阴离子指标中，其中含量最高达到64.178 mg/L，次之，Cl-浓度最低，仅为2.768 mg/L。阳离子中，K+为 1.187 mg/L，其浓度最低，Na+浓度次低为3.272，Ca2+浓度达到18.745 mg/L，Mg2+为12.762 mg/L。从变异系数来看，各指标的变异系数均介于10%~100%，表明为中等程度变异，其中的变异性最大，达29.64%，表明其离散度较大。其他指标的变异性大小依次为：Na+（10.14%）

表1 水体主要化学指标统计特征 单位：mg/L

图2 水体主要离子浓度直方图

图2 为研究区3河流水质化学浓度直方图所示。依图可知，各化学指标在柳树沟、白杨沟、榆树沟3河流水体中的含量差异性不显著。Na+、Ca2+、Cl-的浓度以榆树沟含量最低，并且该河流中Mg2+、pH、S高于另外两条河流。柳树沟河流水体中的Cl-、Na+、K+的浓度最高，白杨沟河流水体中、Ga2+的浓度最高。

3.2 水质化学指标相关性特征

相关性分析能够检测水体化学性质之间的相似或相异性，表2为研究区水质化学之间相关系数矩阵。依表可知，研究区水体中Ca2+的浓度与Mg2+、K+、Na+等阳离子呈显著正相关（P<0.05），相关系数依次为 0.293、0.408、0.365，与 Cl-、等因子也标出显著正相关性，其中与的相关性达到极显著水平（P<0.01），相关系数为 0.583。Mg2+的浓度与、K+达到显著相关水平，而与呈负相关，相关系数为-0.093，尚不具统计意义，与Cl-呈极显著相关，相关系数为0.735。Na+的浓度与 Cl-、、的相关系数依次为 0.252、0.636、0.713，和的相关系数为0.588，均表现出正的显著或者极显著相关性。

表2 水质断面相关性分析 单位：mg/L

3.3 水质化学指标Durov分析

利用AquaChem软件对研究区白杨沟、柳树沟、榆树沟3条河流水质的化学指标间的关系进行空间可视化表达，如图3所示。图中方框、星号、圆形分别表示白杨沟、柳树沟、榆树沟的水质断面，其在各轴上的投影，为该化学指标轴上此种指标的相对含量。图中各河流水质断面间并不存在明显的分类聚集性，而呈现综合聚集特征，表明各河流断面水质差异性不明显；其中投影位置存在些许重叠，表明其化学含量相近。各断面水质特性在Cl-—轴上集中度最高，表明水体中其他金属阳离子与该两项指标存在密切的化学成分迁移[4]；有部分断面水质集中于Ca+—Mg轴一侧，表示阳离子成分中Ca2+、Mg2+的成分占优，是参与水体化学物质转化的主要成分。另外，图3还表明，区域水质总硬度主要分布于500~2000 mg/L，随着矿化度增加Ga2+和 Na+浓度增加，区域水化学以 Cl-·+Na+·Ca2+型为主。

图3 研究区水质指标Durov三线图

3.4 水质化学指标主成分分析

研究区河流水源主要为冰雪融水和大气降水，在水汇流过程中大气环境、地质背景、人为活动是水质特性的主控因素。为更好分析各水质指标的来源，采用主成分分析法厘定断面水质指标间的关系。一般而言，当特征值大于1的时候，表明提取的主成分具有统计意义，本研究主要提取了3个主成分，其因子荷载矩阵如表3所示。依表可知，第一主成分解释了49.84%的信息，第二主成分可解释度达到25.86%，第三主成分解释量最小，仅为13.74%，3个主成分共解释了89.44%的信息，表明其能够较好地反映区域水化学特征。通常认为变量因子与主成分轴的相关系数大于0.7，表明该因子与成分轴之间的关系达到显著水平。第一主成分轴反映的是Na+、K+、Ca2+、Cl-，研究区水体中Cl-的含量为0.231~9.782 mg/L，属于中等偏小水平，表明气象因素对其影响较低；而Cl-/Na+的值约约1.76，大于正常偏离值0.86的水平，表明存在硅酸盐类矿物质的影响，(Na++K+)/Cl-小于1，表明Na+、K+的含量有一部分来自长石、方解石类黏土矿物。第二主成分主要反映了Ca2+、Mg2+、，统计表明(Ca2++Mg2+)/的摩尔浓度大于1，表明碳酸盐类矿物是Ca2+、Mg2+的重要来源，而SO42-主要源于大气沉降[5]。

表3 研究区断面水质主成分分析

4 结论

通过对哈密河的上游水质进行调查取样和测定分析，得出以下结论：哈密天山南麓上游水源区的水体pH呈中性至弱碱性；水体中各离子浓度结构不均衡，其中阴离子中以HCO3-和SO42-为主，阳离子以Ca2+和Mg2+为主。区域断面水质指标间具有良好的相关性，表明它们存在共同而稳定的来源，Durov分析表明区域水化学为Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+型，岩石风化和大气沉降是水质特性的主控因素。哈密境内天山冰川生态环境良好，受人为污染影响较小，以冰雪融水为主哈密河上游地区水质各指标基本满足饮用水标准，应该加强该地水环境生态保护。

[1]刘海平,钟国辉,叶少文,等.西藏尼洋河水环境特征多元统计分析[J].湖泊科学,2015,27(6):1187-1196.

[2]刘永林,雒昆利,李玲,等.新疆天然水化学特征区域分异及其地质成因[J].地理科学,2016,36(5):794-802.

[3]洪涛,谢运球,喻崎雯,等.乌蒙山重点地区地下水水化学特征及成因分析[J].地球与环境,2016,44(1):11-18.

[4]孙平安,于奭,莫付珍,等.不同地质背景下河流水化学特征及影响因素研究:以广西大溶江、灵渠流域为例[J].环境科学,2016,37(1):123-131.

[5]卓勇,吴勇,孙为奕,等.贵州威宁草海地区地下水化学特征与控制因素研究[J].科学技术与工程,2016,16(8):59-65.