清水河干流水质空间分布特征及季节性变化

王世强，赵增锋，邱小琮，欧阳虹，吴岳玲

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021;2.宁夏大学生命科学学院，宁夏 银川 750021)

【研究意义】伴随着社会经济的快速发展，水资源的过度开采与水环境污染程度加重成为我国当前水危机中最严重、最紧迫的问题[1]。针对国内水资源开发利用及水环境污染现状，关于水量-水质的水资源调配与管理的研究成为科研的热点领域，某一区域或者流域的水质是否达标成为该地区经济社会持续发展以及水资源优化配置与管理的关键。在水文循环中，水质受地质、气候等自然因素及人为因素影响，往往表现出季节性、区域性差异[2-4]，在治理水环境过程中应加以重点考虑，因此关于水环境因子空间特点及季节性变化特征的研究显得尤为重要。【前人研究进展】目前国内外常用的研究方法有聚类分析[5]、主成分分析[6]、方差分析[7]、时间序列检验法[8]等方法。清水河地处宁夏干旱半干旱地区中南部，属于典型季节性河流，河道年均径流量很小，水生态环境十分脆弱[9]。有关学者针对清水河水质研究主要是健康评价及预警方面[10-12]，有关清水河流域的水环境空间分布及变化研究鲜见报道。水环境易受当地土地利用类型、气候因素影响，具有一定的时空特点，水资源配置过程除考虑水质的优劣，也要考虑水质的空间分布以及动态变化情况，开展有关清水河流域的水质空分布及季节性变化研究，对于水质评价动态变化和水资源配置具有意义重大。【本研究切入点】本文基于野外实地采集水样测定的水质指标，从清水河水质空间分布及季节变化特征入手，结合流域地区特点及周边存在的工业、农业污染源，采用聚类分析、主成分分析和灰色关联法，探明清水河干流水质特征情况。【拟解决的关键问题】此研究以期为清水河流域的水资源管理配置及水环境治理、保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏清水河是黄河一级支流，发源于固原开城乡，位于黄土高原的西北边缘，地势南高北低，主要流经固原、海原、同心、中宁4市县，最后汇入黄河，全长320 km，流域面积14 481 km2。清水河支流较多，但主要工业区和农业灌溉区在干流分布较密集。受气候影响，清水河流域多年平均降水量仅335 mm，多年平均蒸发量1272 mm，流域地表水资源量少、水质差，苦水分布广、含盐量高，干旱指数为3.8，主要补水依靠天然降雨，且降雨主要集中在7-10月，具有时空不均匀性[13-15]。根据2018年《宁夏回族自治区清水河“一河一档”》对清水河水资源、水域岸线功能规划现状调查报告，清水河的干流段受工、农业污染较大，河岸线沿线土地利用现状(保护区段是指在该段限制人类密集活动及进行大量工、农业生产)。由图1可知，清水河干流源头及入黄口处土地被划分为保护区，表明该区域河段受人为生活干扰会较小；农业灌溉区域覆盖最广，集中在中下游段，该区域河段受农业影响较大；沿线的工业区主要集中在城镇区域(固原市、海原县、同心县)，该区域河段受工业影响较大。

1.2 采样点布设

根据清水河流域水系分布特点及干流各监测控制断面等级情况(三营、泉眼山入黄为国控断面，其它为区控、县控)，在清水河干流布设18个采样点，基本覆盖上、中、下游3段，于2018年平(4月)、丰(7月)、枯(11月)不同来水期野外采样。

1.3 水样采集与测定

按照《水质采样方案设计技术规定》(HJ 495-2009)要求，采用1 L采水器采集表层水下50 cm深处的水样。若水深小于50 cm，则采集表层的水样；若水深大于50 cm，则采集表层下50 cm与底层上50 cm混合水样带回实验室测定。

表1 各采样点编号及位置

根据孟祥仪[16]关于清水河水质预警研究，并考虑到河岸带附近工业、农业生产对水质的主要影响作用，本次研究选取氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)、水溶态氟化物(以F-计)及五日生化需氧量(BOD5)6个主要污染水质指标测定分析。NH3-N采用纳氏试剂分光光度(HJ535-2009)测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ632-2012)测定，TP采用钼酸铵分光光度法(HJ670-2013)测定，CODMn采用高锰酸钾法(GB11892-89)测定，BOD5采用稀释与接种法(HJ505-2009)测定，F-采用HACH氟化物分析仪测定。

1.4 分析方法

采用层次聚类分析法[17]，以欧氏距离度量样本间距离，按照样本特征进行分类，同一类别具有一定相似性。依据聚类分析的原理，研究水质空间分布

相似性特征。采用主成分分析法[18]，确定影响清水河干流水质的主要水环境因子，结合聚类分析的结果分析空间上水环境因子的在各组中分布特征及出现这种情况的可能原因。基于聚类分析得出的水质空间特征情况，把空间上分布特征相似的断面进行分组，主成分分析法确定出主要水环境因子。应用灰色关联法[19]，以河流的来水期：平水期，丰水期，枯水期为季节变化时期，分析空间上各组的水质在不同来水期季节性变化情况。

2 结果与分析

2.1 样点空间聚类分析

根据2018年各来水期采集的水样，以测定的NH3-N、TN、TP、CODMn、F-及BOD56个水质指标平均值对18个采样点进行空间聚类(图3)。 根据聚类情况，以聚类距离进行重新标定，选取阈值为5，将本次研究的区域样点在空间上分为G1[A1、A2、C4、C5、C6] 、G2[A3、A4、A5、A6] 、G3[B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2、C3] 3组，由聚类原理可得A1、A2、C4、C5、C6 5个断面污染程度接近，A3、A4、A5、A6 4个断面污染程度接近，B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2、C3 9个断面污染程度接近。

表2 主成分分析及因子旋转荷载矩阵

结合清水河流域自然地理特征和河岸带沿线功能规划现状分析聚类可知，聚类结果与清水河河岸线沿线土地利用情况具有一定关联性。G1组中各断面主要分布在清水河源头和泉眼山入黄口附近，水质较好。源头处人类活动较少，水环境受影响较小，且附近植被覆盖度相对较高，起到一定的水源涵养作用。泉眼山入黄口断面属于国控断面，根据《宁夏生态保护与建设“十三五”规划》，泉眼山入黄口断面附近的工业、农业用水排水管控严格，废水排放量少。G2组各断面主要分布在流经沿岸附近部分工业区和农业灌区的部分区域。G3组各断面集中分布在清水河扬水灌区段[20]，流经沿河岸分布的工业聚集区，受工农业生产影响较大，水质较差。 聚类结果表明，清水河干流水环境污染情况的空间分布特征明显，与功能规划现状关系较大。

2.2 基于主成分分析的主要水环境因子空间分布情况

对聚类前的18个采样点的6个水质指标检测

数据平均值进行主成分分析，筛选出对整个干流水质影响大的水环境因子分析。 基于旋转后累计方差贡献率大于 85 %，提取主成分，根据旋转后因子荷载大于0.6的原则选取各主成分影响较大的水环境因子结果如表2所示。

分析提取出4个主成分(F1、F2、F3、F4)，第1主成分F1包含的主要因子是BOD5和F-，其反映的主要是有机物污染水平及水体矿化度。第2主成分F2包含的主要因子是CODMn，其反映的主要是有机物污染水平。第3主成分F3包含的主要因子是TN，其反映的主要是水体氮污染水平。第4主成分F4包含的主要因子是NH3-N，其反映的主要是水体氮污染水平。根据主成分分析结果，说明清水河污染主要是有机物污染及氮含量超标所致。

G1、G2、G3各个组4个主成分的主要水环境因子平均浓度空间变化(图4～7)。从图4～5可以看出，G3组的TN、NH3-N的浓度均明显高于G1组和G2组，这种氮元素含量的明显差异可能是由于G3组主要流经扬黄灌区，水体流经此处，大量含氮元素的物质排入，各断面的水质受灌溉回水中残留的农药、化肥影响较大。从图6～7可以看出，G2、G3组的BOD5、F-的平均浓度明显高于G1组，主要是由于G1组各断面附近工厂较少，排放的废物少，而G2和G3组相反，均流经农田、城镇集中的区域，受其生产影响较大，大量工业有机废物、农业的有机农药流入水中，导致有机污染严重。根据《宁夏环境保护厅公报》，氟化物污染对清水河水质影响较大，可能主要是地下水含氟量较高以及矿物质中含有的F-流进水中造成的氟化物浓度超标。

表3 各月份各组关联度计算结果

2.3 基于灰色关联的水质季节性变化情况

选用主成分分析法确定的NH3-N、TN、CODMn、BOD5及F-5个水环境因子作为评价因子。采用灰色关联法，依据实测浓度与水质标准浓度的关联度值对G1、G2、G3各组不同来水期的水质等级进行评价，分析其不同季节来水期的水质情况。

由表3可知，平水期G1组整体接近Ⅲ类水，G2组整体为Ⅳ类水，G3组整体接近Ⅴ类水；丰水期G1组整体接近Ⅱ类水，G2组整体为Ⅲ类水，G3组整体依然接近Ⅴ类水，无明显变化；枯水期G1组整体接

近Ⅱ类水，G2组整体为Ⅲ类水，G3组整体依然接近Ⅳ类水。综合分析比较，不同来水期空间各组的水质情况变化明显，G3组的水质最差，在平水期和丰水期份均为Ⅴ类水，枯水期得到改善变为Ⅳ类水；G1组最好，在丰水期和枯水期均达到了Ⅱ类水质，水质情况与功能规划有密切关联。G1和G2组丰水期的水质情况比枯水期月份水质好，造成这种变化主要是由于丰水期降雨多，河道径流量增加，水体对污染物的稀释作用加大，使水体污染程度降低，水质得到改善，但G3组在丰水期水质并没明显变化，这种差异可能是由于水质受气候环境和人为干扰综合影响，即使丰水期来水较多，但G3组各监测断面受人类活动影响也较大，其周边农业生产集中，丰水期也正处于农业生产灌水施肥期间，大量含氮有污染性的物质流入水中，对水环境造成较大影响。到枯水期G3组水质有所改善，变为Ⅳ类，且G1、G2组水质明显好于平水期，分别达到Ⅱ类、Ⅲ类。

3 讨 论

结合清水河流域自然地理特征和河岸带沿线土

地利用现状对聚类后的3组情况进行分析可知，各组清水河干流水质空间分布特征明显，与清水河河岸线土地利用现状确有一定的关联性，这与冉桂花等[21]在对三峡库区不同断面的水质分类情况研究时得出空间上水环境污染情况与土地利用类型关系较大的结论具有一致性。

依据主成分分析的基本原理，分析提取的4个主成分包含的主要水质污染指标为总氮、氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数、氟化物(F-)，说明清水河的氮污染、有机污染和氟化物污染对干流水环境影响较大。为改善水质，应减少水体废物排放，加大治理氟化物污染强度。

由灰色关联法分析可知，清水河干流水质在不同来水期季节性变化较明显。根据邓树松[22]对清水河实行河长制管理的效果评价以及2018年中卫市政府制定《清水河流域水污染防治工作方案》的实施，说明清水河水质的改善与政府的管理工作、治污力度密不可分。平水期时上中游、下游段水质较差,上中游为Ⅳ类水，下游段为Ⅴ类水，丰水期上中游段得到改善达到Ⅲ类水标准，但下游仍为Ⅴ类水。枯水期上中游段达到Ⅲ类水标准，下游段也逐渐变好达到Ⅳ类水。清水河干流水质整体表现为平水期较差，到枯水期时逐渐变好，季节性差异较大。

4 结 论

(1) 清水河干流18个水质监测点在空间上分为3组，G1组为植被覆盖度高、人类活动少的清水河源头和泉眼山入黄口；G2组为流经部分工业区和部分扬水灌区的上、中游段；G3组为流经大部分工业聚集区和扬水灌区的下游段。G1组水质较好，G3组水质较差，清水河干流水质空间分布特征与河岸线功能规划关系密切，表明土地利用情况对清水河水质空间分布影响较大。

(2)清水河水质主要污染源为农业生产带来的氮元素污染和工业生产的有机污染，其主要水环境污染因子为总氮、氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数、氟化物(F-)；各水环境因子空间分布异质性较明显。总体表现为下游水环境因子浓度高于上游和中游，下游受污染程度较大。

(3)清水河干流水质在不同来水期季节性变化较明显。枯水期水质最好，平水期最差。丰水期大量的天然降雨对污染物由稀释作用，使上、中游段水环境污染程度明显得到改善，但下游段水质仍较差，为Ⅴ类水。