南流江水质时空变化特征及影响因素研究

林 卉，蓝月存，许园园，黄伯当，滕云梅

(广西壮族自治区生态环境监测中心，广西 南宁 530028)

1 引言

南流江发源于玉林北流市新圩镇大容山主峰莲花顶南麓，由北向南依次流经玉林、钦州和北海后汇入廉州湾海域。南流江是桂南沿海诸河中，流程最长、流域面积最大、水量最丰富的河流，干流全长285 km，流域面积9232 km2。南流江流贯的玉林盆地、博白盆地和南流江三角洲是广西重要的农业生产基地之一[1]，下游总江口是合浦县集中式饮用水水源地。随着工农业生产、畜禽养殖业的迅速发展，大量养殖废水、工业废水、生活污水污物直接排放导致南流江水质不断恶化。南流江水质恶化极大地制约了沿岸社会经济的发展和居民的正常用水，南流江被列为广西7条污染最为严重的河流之一，其治理成为广西跨世纪绿色工程之一[2]。因此，研究近年南流江水质的变化情况及当前南流江水质状况，判定当前水质情况及变化，对提出应对策略、保障南流江水质安全具有重要意义。

水质综合评价是根据某些水质指标值，通过建立数学模型，对某水体的等级进行综合评判，为水体的科学管理和污染防治提供决策依据。目前水质综合评价方法很多，其中比较有代表性的方法有主成分分析法、聚类分析法、神经网络法、质量指数法、模糊综合评价法等[3～10]，这些评价方法都存在各自的优缺点。主成分分析法、模糊综合评价法是基于矩阵运算的评价方法，评价结果较符合实际，但在隶属度矩阵、权重选择方面存在不足；聚类分析是根据样本自身的属性，将性质相近的归为一类，其结果直观，结论形式简明，但样本量较大时，要获得聚类结论有一定困难；质量指数法计算原理与过程简单，能反映河流污染状况，但是不能直观判断综合水质类别；神经网络法是基于样本训练的评价方法，能够很好地反映评价因子与水质类别间的非线性关系，但是评价指标的选择不确定、计算复杂、定性评价结果不直观，在理论和方法上还不成熟。其中，主成分分析法和聚类分析法能够较为准确地揭示水质的时空变化趋势，识别主要污染因子[11]。本文首次利用主成分分析法和Spearman秩相关系数法结合对南流江的水质进行了现状和趋势变化分析。利用主成分分析法定量评价水质实际状态，结合在水质趋势分析中广泛运用的Spearman秩相关系数法，可以有效判别时间序列数据趋势变化的显著性，对主成分综合得分进行再分析，分析当前南流江污染变化情况并预测其水质变化趋势。进一步运用相关性分析，探究水质变化和污染物之间的关系，以期为南流江水质管理提供依据。

2 分析方法

2.1 主成分法分析法

主成分分析(principal component analysis，PCA)是一种降维处理技术的数学变换方法，用在各个变量之间相关关系研究的基础上，把原来多个变量转换为少数几个综合指标的新变量，且这些新变量尽可能多地保留原来变量所反映的信息[12]。进行主成分分析的主要计算步骤如下[13]。

(1)进行原始数据标准化，转化为无量纲数据，以消除不同指标间的量纲和数量级影响。

(2)进行指标间的相关性判定，确定原始变量是否适合进行因子分析。

(3)计算相关系数矩阵的特征值和特征向量。

(4)根据各特征值占比，按从大到小排序，选取累积占比>85%的前几项特征值作为主成分。

(5)特征向量除以对应特征根的绝对值，构成主成分系数矩阵。

(6)主成分系数矩阵与标准化数据相乘，得到各项主成分得分值。

(7)各项主成分得分值与对应主成分在所有主成分中的比值相乘后累加，即得到主成分综合得分值(F)，综合得分越高，表明污染越严重。

2.2 Spearman秩相关系数法

Spearman秩相关系数法是衡量环境污染变化趋势在统计上有无显著性的常用方法。对给出时间周期和它们的相应值(即月均值、季均值或年均值等), 将从大到小排列好。秩相关系数的计算公式如下:

(1)

di=Xi-Yi

(2)

式(1)、(2)中:di为变量Xi和变量Yi的差值;Xi为周期1到周期N按浓度值从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号。

将秩相关系数rs的绝对值与Spearman秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较，如果rs>Wp，则表明变化趋势有显著意义; 如果rs为正值，则表明数据序列具有上升趋势;如果rs为负值，则表明数据序列具有下降趋势。

2.3 皮尔逊(Pearson)相关系数法

皮尔逊相关也称为积差相关(或积矩相关)，是英国统计学家皮尔逊于20世纪提出的一种计算直线相关的方法。假设有两个变量x、y，那么两变量间的皮尔逊相关系数可通过以下公式计算：

(3)

表1 皮尔逊相关系数与相关关系程度对照

3 南流江水质评价与分析

本文选取南流江干流上六司桥、横塘、江口大桥、南域和亚桥5个断面，通过这5个断面水质状况来代表南流江干流整体的水质现状。分析数据采用上述5个断面2011～2019年的溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷等6个指标年均值。相关性分析选取2011～2018年玉林、钦州和北海3市污染物排放总量，分析近几年来污染物排放与南流江干流水质变化相关性。数据主要来自河流例行监测数据和广西壮族自治区统计年鉴。各监测断面见图1。

3.1 2011～2019年水质状况

采用单因子评价法对不同时间不同监测断面进行水质评价可得(表2)，2011～2013年南流江干流上各断面均能保持Ⅲ类水质，2014年以后，南流江干流上六司桥、横塘、江口大桥和南域4个监测断面均有不同程度地恶化，亚桥断面水质相对稳定，南流江干流整体水质由优到2015年下降为轻度污染，到2018年甚至恶化至中度污染，主要污染物为总磷。单因子评价法仅能评价对比分析水质类别，但无法定量分析水质监测值，会因缺乏对众多指标的综合评价而难以从全局掌握污染状况。

3.2 主成分分析结果

基于IBM SPSS Statistic 19软件，对上述5个断面的6个水质指标进行主成分分析，均提取2个主成分，累计贡献率均在85%以上，说明提取的主成分可以很好地反映南流江各断面不同时间的水质信息。从主成分综合得分值结果(表3和图2)来看，南流江干流水质综合得分有明显的空间变化，总体从上游到下游呈现出降低趋势，水质污染程度排序为六司桥>横塘>江口大桥>亚桥>南域，表明干流沿程水质存在变好的趋势，中上游六司桥和横塘2个断面综合得分均为正数，水质较差，下游江口大桥、南域和亚桥3个断面综合得分均为负数，水质较好，其中水质最差的六司桥断面综合得分为1.135；水质最好的南域断面综合得分为-0.580，两者相差1.715。

3.3 南流江干流水质变化趋势分析

采用Spearman秩相关系数法对南流江干流5个断面9年的主成分得分值进行分析，计算结果见图3及表3。从图3可知，六司桥、南域、亚桥3个断面主成分综合得分值表现出波动减小的趋势，2019年与2011年相比，这3个断面主成分综合得分值分别减少了0.08、0.401、0.137，表明水质有所好转。六司桥断面得分值在2013年出现1个波峰，最大值为2013年得分值1.599，表明六司桥断面在2013年有大量外来污染物排入，随着南流江的整治水质得到好转，2014～2017年六司桥断面水质持续变好，但近两年有反弹趋势；南域断面9年来呈波动下降趋势，水质变化不大；亚桥断面2011～2018年水质一致持续变好，但在2019年有较大的反弹，表明这一年污染物浓度有所增加。横塘和江口大桥2个断面主成分综合得分值存在增大趋势，与2011年相比，2个断面的主成分综合得分值分别增加了0.427和0.191，表明水质有所恶化，其中横塘断面水质恶化最明显。2011～2014年，横塘断面水质不断恶化，主成分综合得分值于2014年达到最大值1.096，与2011年差值高达1.179，2015～2019年得分值持续下降，说明横塘断面在2015～2019年可能得到了有效治理；江口大桥断面在2011～2017年期间水质呈持续恶化趋势，近2年水质有所好转。

各断面的主成分综合得分值趋势变化显著性结果表明(表4)：南流江干流六司桥、南域和亚桥断面主成分综合得分值呈下降趋势，3个断面在置信水平90%时均有显著意义；横塘和江口大桥断面主成分综合得分值呈上升趋势，其中横塘断面无显著意义，江口大桥断面在置信水平95%时有显著意义。表明六司桥、南域、亚桥断面水质变好趋势显著，江口大桥断面水质恶化趋势显著，横塘断面有水质恶化趋势，但相对较微弱。

图1 监测点位示意

表2 2011～2019年各断面水质单因子评价结果

表3 2011～2019年各断面的主成分得分值

3.4 南流江干流水质变化相关性分析

为了分析南流江水质变化与水中主要污染物浓度及排放量的关系，本文对其相互关系进行了探讨。对南流江主成分综合得分值、水中溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、总磷、氨氮和化学需氧量浓度进行Person相关系数，双侧检验分析，结果见表5。皮尔逊相关系数统计结果显示：主成分综合得分值与氨氮浓度呈高度正相关，与总磷和五日生化需氧量浓度呈显著正相关，与溶解氧呈高度负相关，与高锰酸盐指数和化学需氧量浓度呈微弱负相关。随着氨氮、总磷、五日生化需氧量等营养性物质的增加，主成分综合得分值也增大，表明氨氮、总磷和五日生化需氧量是南流江水质恶化的主要污染因子。

图2 各断面主成分综合得分均值

南流江水中污染物浓度和污染物排放量进行Person相关系数分析结果显示(表6)：综合得分值与化学需氧量、氨氮的生活源排放量均呈正相关，与化学需氧量、氨氮的工业源和农业源排放量均呈负相关；水中氨氮浓度与生活源氨氮排放量呈正相关，与工业源和农业源排放量均呈负相关；水中化学需氧量浓度与工业源和农业源化学需氧量排放量呈正相关，与生活源化学需氧量排放量呈负相关。说明生活污染是南流江水中氨氮的主要来源，工业和农业污染是水中化学需氧量的主要来源。据调查分析，南流江流域存在大量的畜禽散户养殖，多分布在南流江干流或主要支流附近，仅玉林市存栏11头以上生猪的养殖户就达10000多户，存栏量230余万头，其中小散养户的生猪存栏量约77万头，占33.5%。大量畜禽养殖废水直排入河，导致水中磷、氮等营养物浓度超标，畜禽养殖来源的总磷污染物占南流江流域总量的48.8%，氨氮占27.6%，成为首要污染源，对水质造成极大影响；其次沿江48个乡镇和街道的生活污水受纳水体主要为南流江流域，41个镇级污水处理厂已建成未运行，已投入运行的17个污水处理厂处理能力不足或污水收集率低，导致生活污水直排南流江及其支流，生活污染占总量的30%。畜禽养殖和生活废水的排入是导致南流江水质恶化的主要原因。按照从源头控制的原则，南流江的治理必须大力开展畜禽养殖污染治理，推进畜禽养殖方式转变；加快流域内城镇生活污水处理设施建设，提高城市生活污水处理能力，完善雨污分流管网建设和污水处理配套管网建设。

图3 各断面主成分综合得分值变化曲线

表4 各断面主成分综合得分值变化趋势显著性检验

表5 主成分综合得分值与GDP及水中污染物浓度相关系数统计

表6 水中污染物浓度与污染物排放量相关系数统计

4 结论

本文采用主成分分析法对南流江干流2011～2019年水质进行了分析，在此分析结果基础上采用Spearman秩相关系数法对综合得分值进行再分析，分析了当前南流江污染变化情况及其水质变化趋势。进一步运用相关性分析，探究水质变化和污染物的关系，结果表明：六司桥和横塘2个断面综合得分均为正数，下游江口大桥、南域和亚桥3个断面综合得分均为负数，南流江干流水质呈现下游水质优于中上游水质的空间分布；六司桥、南域和亚桥3个断面水质有明显好转趋势，江口大桥断面水质有明显恶化趋势，横塘断面水质存在变差趋势；南流江干流水体自净能力较差，在外来污染影响下，水质的好转需要人为治理；南流江水体中氨氮、总磷和五日生化需氧量是南流江的主要污染因子，生活污水和养殖废水的排入是导致南流江水质恶化的根本原因。研究结果为探究南流江水质变化趋势，给南流江水质管理提供依据。