伊犁河伊宁市段夏季水环境特征分析

谢阿廷，程 艳，赵晨曦，胡 霞，张 健，王 悦

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆环境污染控制与风险预警重点实验室，乌鲁木齐 830011；3.新疆环境保护科学研究院，乌鲁木齐 830011；4.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046)

0 引 言

【研究意义】水质评价是对水环境质量状况的定性分析与定量评定、是关于水环境质量现状和变化的理论、方法及其应用技术的科学，对水体的污染程度进行等级划分和确定污染类型的过程，通过对水质监测数据的合理评价，才能制定科学的整治规划采取有效的措施[1]。随着水资源的匮乏，对水资源、水环境的优劣也日益关注，水质评价的重要性也凸显出来了，对于流域附近的居民，河流水质的状况影响着生活环境的舒适，对河流水质的评价也具有一定的实际意义。近年来对伊犁河流域的研究，大部分集中于伊犁河生物群落结构的分析研究，鲜有对伊犁河流域的综合水质进行评价，而对该流域水质的评价具有重要意义，为水环境污染防控提供科学依据和技术支撑。【前人研究进展】有关水质评价的方法很多，主要分为单因子评价法[2]、综合污染指数法、模糊评价法、灰色评价法、人工神经网络法和主成分分析法[3]。单因子评价法方法简单，是以最差水质指标所属类别作为综合水质类别，但却无法判断水体的整体污染情况；污染指数法无法对断面水质类别进行定性判断，却能反映水体的相对污染程度。其他综合评价方法是基于水质分析是一个多因素、多指标的复杂过程，从而采用一些合理的数学模式，对这些诸多因素进行综合，以便做出合理评价或分析，其结果往往反映的是对象的综合性特征，及其个体在整体中的综合表现，是对单因子分析、综合指数分析等方法的合理补充。因此，采用多方法进行水质评价是全面判别水体污染状况的必然趋势。例如，李晓航等[4]采用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和综合污染指数法对艾比湖流域水质进行了水质评价，并探讨了艾比湖流域的总体污染状况。上述综合性方法中，主成分分析法具有从大而复杂的数据库获得更好的关于水质和分析的信息分析，并能有效地识别染源[5-6]。伊元荣等[7]采用多元统计主成分分析方法对伊犁河进行水质评价，结果表明，主成分分析方法能真实、准确分析出城市河流各水质指标的内在关系。周丰等[8]提出了一种基于多元统计分析和RBFNNs的水质评价方法，对各组样本进行水质评价，评价结果与传统单项指数法的结果基本一致。【本研究切入点】不同的方法有各自不同的优缺点，其评价结果所表达的水环境特征也不尽相同。目前，研究所涉及到的河段仅有2个常规水质监测点，而河段内城镇生活、工业、农业、养殖等各类污染源分布较为密集，该河段夏季的水污染较为复杂和显著，现有监测点位和资料远不能合理反映区域水质的现状特征，因此，选取多个有效断面及水质评价方法的联用对伊犁河水污染管理与防控具有重要意义。【拟解决的关键问题】通过在夏季7月对研究河段进行水质加密监测并运用单因子评价法、内梅罗指数法、重金属水质质量指数法、主成分分析法，对伊犁河河段水环境特征进行评价分析，全面掌握研究河段的水环境质量现状特征，为水环境污染防控提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究河段位于伊犁河伊宁市段，河段总长约40 km，自东向西流，水深较浅，水流湍急，水体自净能力较强，河道南北侧均有河道或排水口汇入，南岸以休闲生活为主，多为渔业养殖、农业灌溉和景观生活用水；北岸则以城市、工业园区为主，工业用水多由城西污水处理厂集中处理后排入河内。为较全面评价研究河段水环境质量状况，考虑到河道两侧污染来源的差异性，分别于河段南北岸各选取5个断面，北岸断面为A1、A4、A8、A9、A10、南岸断面为A2、A3、A5、A6、A7。

2015年7月20～25日，按照《水质采样技术指导》(HJ 494-2009)要求，现场用PH-B-1型酸度计和YSI-85-25型便携式多功能水质分析仪对pH值、水温、溶氧、电导率、进行现场测定；采集0～50 cm的上层水，水样封存于不同材质的瓶子中，依次编号，加适量保护剂后，低温保存(4℃)。图1

图1 采样点位置
Fig.1 Location of sampling points

1.2 方 法

1.2.1 水样指标的选择

根据西北地区水体污染情况和有关水质评价的文献[9-11]，选取具有该河段特征污染性质的氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数、化学需氧量、阴离子表面活性剂、溶解氧、氯化物、以及重金属六价铬、铜、铅、锌、镉、锰、砷、铁等指标为该河流段的水质评价指标。

1.2.2 评价标准的确定

该河段水质目标为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅱ类标准，则以此标准作为研究河段水质评价的依据标准。

1.2.3 评价方法

1.2.3.1 单因子评价法

单因子评价法是最直接、简单明了的水质评价方法，是《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中推荐的水质评价方法之一。其方法为在所有参与综合水质评价的水质指标中选择水质最差的单项指标所属类别来确定所属水域综合水质类别。

计算公式如下：

式中，Sij：单项水质评价因子i在第j取样点的标准指数；Cij：水质评价因子i在第j取样点的浓度，(mg/L)；Csi：水质评价因子i的评价标准，(mg/L)。

1.2.3.2 内梅罗指数

内梅罗指数是兼顾极值和平均值的一种计权型多因子环境质量指数评价法，能够全面反映水体污染现状并甄别出主要污染物，是水质评价的常用方法之一。计算表达式为：

式中，Ci为项目i的实测浓度；Cs为项目i的标准值；max(Pi)为项目单因子污染指数的最大值；ave(Pi)为各项目单因子污染指数的平均值。内梅罗指数的评价标准[11]：当PN≤0.7时，表示无污染；当0.72时，表示强污染。

1.2.3.3 重金属污染水质质量指数

以1.2.2中的Ⅱ类水质标准作为该河流域水中重金属污染评价参照标准，使用水质质量指数法对水中的重金属污染进行评价：

式中，Ci为重金属i的实测浓度；Qi为重金属i对应的水质标准；Ai为重金属i的污染指数；WQI为水中重金属的水质质量指数。

根据WQI的值，将河水中的重金属污染情况分为4个等级[12]，当WQI≤1时，表示无污染；当13时，表示强污染。

1.2.3.4 主成分分析法

是英国生物学家Kart Pearson在20世纪初提出来的。能够综合评价指标，分析多种水污染因子在各断面的污染程度，并能有效的识别污染源。即能减少参与数据分析的变量个数，同时也不会造成统计信息的大量浪费和丢失。在进行因子分析之前先对数据进行KMO和巴特利特检验，KMO检验是为了看数据是否适合因子分析，结果为KMO值为0.624，一般认为在0.6左右适合做因子分析，Sig.值为0小于0.001，表明监测数据适合做因子分析。计算步骤如下：

(1)将原始数据xij标椎化，以后的变量为z1，z2，……zp，标准化数据矩阵，以消除变量间在数量级和量纲上的不同。

(2)求标准化数据的相关矩阵rij及相关矩阵的特征值λ和特征向量。

(3)计算方差贡献率与累积方差贡献率。

(4)确定因子：设F1，F2，....，Fp为p个主成分，其中前m个因子包含的数据信息总量(及累计贡献率)不低于85%，从而选取主成分个数。

(5)用原指标的线性组合来求各主成分得分F，以各主分的方差贡献率为权，由各因子的线性组合得到综合评价指标函数。

2 结果与分析

2.1 重金属污染水质质量指数

通过对重金属指标进行评价，各采样点位水体中重金属的水质质量指数值较低，WQI范围为：0.001～0.63，表明研究河段不存在重金属污染。表1

表1 重金属污染水质质量指数
Table 1 Ater quality index of heavy metal pollution

指标Index六价铬Cr6+铜Cu锌Zn镉Cd锰Mn砷AsWQI0.120.0010.0010.50.630.06

2.2 单因子评价法

研究表明，氨氮除A8断面处于Ⅱ类水体外，其它断面均在Ⅰ类水平。总氮A3、A4属于Ⅱ类水体，A1、A2、A10、属于Ⅲ类水体，A7、A9为Ⅳ类水体，A8、A5为Ⅴ类水体，A6为劣Ⅴ类水体，90%的断面未达到标准要求，总氮污染较为突出。总磷属于Ⅱ类水体的断面有A3、A7、A8、A10，属于Ⅲ类水体的有A1、A2、A4、A6、A9，A5达到Ⅳ类水体，存在超标现象。高锰酸盐除A5断面Ⅱ类水体外，其它断面均为Ⅰ类水体；化学需氧量A3、A4、A7属于Ⅲ类水体，A1、A2、A9、A8、A6、A10属于Ⅳ类水体，A5属于Ⅴ类水体，超标较为普遍。阴离子表面活性剂均处于Ⅰ类水平。

主要污染指标的空间分布情况为：总氮处于中度污染，其最大值(4.10)出现在采样点A6，为劣Ⅴ类水体；总磷处于轻度污染，其最大值(2.40)出现在采样点A5，为Ⅳ类水体；化学需氧量处于轻度污染，其最大值(2.12)出现在采样点A5，为Ⅴ类水体。图2

图2 单因子指数
Fig.2 Single factor index

2.3 内梅罗指数

研究表明，河段水体综合水平良好，整体表现为耗氧性有机污染；水体中主要污染物为总氮、总磷、化学需氧量，其中总氮为强污染物。研究河段总氮、总磷、化学需氧量的污染与农业用水中作物没吸收的化肥和农药的残留及居民污水和牲畜粪便等流入流域的污染源息息相关，也与岸边植被树木凋落的腐殖物质有关。表2

表2 评价因子内梅罗指数
Table 2 Nemerow index evaluation factor

评价因子Factor氨氮NH4+总氮TN总磷TP化学需氧量COD阴离子表面活性剂An-ionic surfactan溶氧Do氯化物Cl高锰酸盐指数KMno4Pn0.562 53.276 91.881 81.824 20.348 70.731 30.088 10.482 3污染程度无污染强污染中污染中污染无污染低污染无污染无污染

内梅罗指数的评价结果与单因子评价法结果具有一致性。研究河段总氮为强污染，总磷、化学需氧量为低污染。表明研究河段水体以营养盐污染和有机污染为主。

2.4 主成分分析

为进一步明确影响不同监测断面的主要污染指标，及其主要污染因子的空间分布综合特征，用主成分分析对10个断面的8个水质指标进行因子分析，提取特征值大于1的若干个主成分，同时得到各组分贡献率与各指标的关系。依据Kaiser-Harris准则提取特征值大于1的主成分，所以只选择了前两个主成分，第一个主成分的方差贡献率是71.269%，前两个主成分方差占所有主成分方差的87.849%，由此可见，选前两个主成分足够替代原来的变量，几乎涵盖了原变量的全部信息。其中第一个主成分在氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量变量上有较大的载荷，所以其反映的是这些变量的信息，第二个因子反映的是总氮的变量信息。表3

根据监测指标数据的标椎化与成分得分系数，由此直接写出各公因子的表达式

F1=0.252×Z氨氮-0.166×Z总氮+0.182×Z总磷+0.089×Z化学需氧量-0.311×Z溶氧+0.118×Z高锰酸盐指数-0.174×Z氯化物+0.251×阴离子表面活性剂

F2=-0.095×Z氨氮+0.489×Z总氮+0.002×Z总磷+0.12×Z化学需氧量+0.215×Z溶氧+0.122×Z高锰酸盐指数+0.511×Z氯化物-0.093×Z阴离子表面活性剂

F=[λ1/(λ1+λ2)]F1[λ2/(λ1+λ2)]F2.

表3 F综合得分
Table 3 F Comprehensive Score

水样编号Sample numberF1得分F1 scoreF1排名F1 rankingF2得分F2 scoreF2排名F2 ranking综合得分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)研究河段整体表现为河段北岸污染高于南岸。(2)由于水体流速的作用，将上游污染物带到下游水域，上游水质好于下游。(3)A5断面F1得分较高，说明该断面受氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量影响较大，该断面主要是受农田退水及生活污水的影响，该断面上游为污水处理厂及工业集中区。A5、A6断面F2得分较高，表示该断面受总氮影响较大。总氮的污染与农业污水和居民污水牲畜粪便有关，这两个断面均在污水处理厂附近。A5断面的综合得分第一，且远甚于其它断面，污染较其它断面来说比较严重，主要的影响因子分别是总氮、氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量，流域污染表现为有机污染。

主成分分析法的结果表明，研究河段的A5、A9、A6断面水质较差，主要的影响因子分别是总氮、氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量，表明研究河段水体以有机污染为主，河段的上游区域水质好于下游区域。

3 讨 论

主成分分析法目前是运用较多的评价方法之一，操作简单，减少主观误差这与廉铁辉等[13](2017)对主成分分析法的评价结论一致。而除了采用主成分分析法之外，更结合单因子评价法和综合污染指数法联合评价河流流域，使结果更具有准确性。

孙博等(2016)[14]和王洪涛等(2016)[15]采用主成分分析法对河流沉积物中的重金属污染进行评价，得到污染强度的结论，而研究采用主成分分析法对水质指标进行评价，因为该流域的重金属无污染。得到伊犁河流域的氮元素污染最为严重，总氮的污染程度是强污染，但该流域却并不只是受氮元素的单一污染，除了氮元素污染外，还伴随着总磷，化学需氧量等其他污染物质，流域变现为典型的有机污染的结论。因此，采用多方法对河流进行水质评价是全面判别水体污染状况的必然趋势。

4 结 论

4.1 通过单因子评价法和内梅罗指数法可以明确该河流段的主要污染因子为总氮、总磷、化学需氧量，其中总氮最大超标倍数为4.36，超标率达93.8%；总磷最大超标倍数为6.37，超标率达75%；化学需氧量最大超标倍数为3.2，超标率达100%。表明研究河段水体以营养盐污染和有机污染为主，河段的中下游区域为污染较为严重的区域。

4.2 通过重金属污染水质质量指数法对该流域重金属污染程度进行评价，研究河段水体中6种重金属的水质质量指数数值较低，各指标均能达到Ⅱ类水质标准；WQI范围为：0.001～0.63，整体污染水平为无污染。

4.3 综合F得分中A5为最大值(2.043)，由于A5断面水质受工业污水与农业污水的影响，该断面水质在该流域中水质最差，A6断面F综合得分为0.232，主要与农业污水和居民污水有关；整体水域表现为河段北面整体污染高于南面，水体污染原因与生活污水和农业活动及工业污水有关。