基于主成分分析法和综合污染指数法的乌鲁木齐河灌区农田灌溉水质量分析与评价

韩芹芹，李 凡，王 涛，张守斌

(1.乌鲁木齐市环境监测中心站，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830011；2.新疆维吾尔自治区自然资源厅机关服务中心，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830002 3.中国环境监测总站，北京 100012)

随着土壤盐渍化、次生盐渍化问题的不断加剧，农业灌溉用水的质量成为制约干旱区农业发展的一个重大问题[1]。乌鲁木齐市是新疆维吾尔自治区的首府，地处亚欧大陆腹地，属干旱半干旱区，气候干燥，水资源极度匮乏。近年来，全市经济社会迅猛发展，城市建成区逐年扩展，截至2019年，建成区面积已达458.36 km2，常驻人口也较10年前增长了近70%达355.2万[2]。农田灌溉水质是提高农产品质量、保障食品安全、确保人民群众身体健康的关键，也是提升土壤环境质量、推行绿色农业的重要因素[3]。

为贯彻落实《农业农村污染治理攻坚战行动计划》，按《全国农村环境质量试点监测技术方案》、生态环境部《2019年国家生态环境监测方案》及新疆维吾尔自治区生态环境监测工作方案的相关要求，乌鲁木齐市生态环境部门于2019年年初对辖区内0.66万hm2及以上农田灌区开展了摸底调查工作，并选择乌鲁木齐河灌区作为乌鲁木齐市农田灌溉水质监测范围，于2019年开始在每年的灌溉季对农田灌溉水水质开展监测工作。本文对乌鲁木齐河灌区农田灌溉水质常规监测数据进行分析和评价，为乌鲁木齐市农业安全生产提供科学依据，并为有效改善农业灌溉水质提供切实可行的途径。

1 监测概况

1.1 监测区域及点位概况

乌鲁木齐河灌区农田灌溉水质监测范围是位于乌鲁木齐县境内的、灌区规模达1.3万hm2的乌鲁木齐河灌区，以乌鲁木齐河水系的来水作为唯一的灌溉水来源，乌鲁木齐河水系属内陆河系，水源补给主要来自大气降水和冰川融雪，位于新疆天山北坡中段、准噶尔盆地南缘，发源于中天山天格尔峰北坡的1号冰川，受构造控制，在跃进桥以上，支流经向发育，干流西东流向，跃进桥以下，支流纬向发育，干流转折为南北流向，经后峡、前峡进乌拉泊洼地，穿越乌鲁木齐市区，经五家渠，最后流入古尔班通古特沙漠南缘东道海子，全长约213 km，流域面积5 000 km2。从河源至沟口(西白杨沟汇入口)为上游，称大西沟，长62.6 km，流域面积1 070 km2，位于沟口以上9.8 km处的英雄桥水文站多年平均径流量2.44亿m3，集水面积924 km2；沟口至猛进水库为中游，称乌鲁木齐河，长约80km；猛进水库以北为下游，称老龙河，长70 km[4]。两岸分布有乌鲁木齐主要农业区，其控制灌溉面积达1.3万hm2，是农业、城市生活及工业生产的主要供水水源。乌鲁木齐河灌区最大的河流大西沟，多年平均径流量为2.35×108m3，河水在大西沟出山口后，一部分被引入黄草梁子渠和公胜渠，大部分被引入青年渠，河水多年平均径流量是1.64×108m3，河水拦蓄于乌拉泊、红雁池水库，由东西和平渠输往各灌区，南山分布还有大西沟、东西白杨沟、阴沟、半截沟、沙沟和板房沟等常年性河流，汇入乌鲁木齐河。

乌鲁木齐河灌溉区属于非盐碱土地，灌溉作物主要包括一年一熟的薯类、油料和小麦等旱作作物，灌溉期集中在每年的5～10月。按照《农用水源环境质量监测技术规范》(NY/Y396-2000)中“4.2.2.3影响农区的河流、湖(库)等水源监测布点方法”之“a”)当河水被引用灌溉农田时，为了监测河水水质情况，至少应在灌溉渠首附近的河流断面设置一个监测点”的要求，监测点位布设在乌鲁木齐河英雄桥断面处。

1.2 监测项目

1.2.1原有控制项目

2005版《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)(以下简称《标准》)实施以来，在规范农田灌溉水质、确保农用地土壤环境质量和农产品安全等方面发挥了重要作用，该版《标准》包括16项基本控制项目和11项选择控制项目(共计27项)。乌鲁木齐河英雄桥断面也是国家地表水监测网中的国控断面，常规监测指标已包括《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)表1中24项基本项目和表2中的“硫酸盐、氯化物和硝酸盐”3个补充项目。因此，自2019年以来，在每年灌溉期的两次监测中(两次监测时间至少间隔1个月以上)，除河流常规监测中和农田灌溉水质监测中相一致的项目外，还分别补充监测了全盐量和蛔虫卵数这两个基本控制项目。

1.2.2新增有机控制项目

近年来，随着我国农业农村经济社会发展和《土壤污染防治法》《水污染防治法》和《土壤污染防治行动计划》的深入实施，为防止农田灌溉用水污染土壤、地下水和农产品，对修订灌溉用水中有毒有害物质限量、制定农田灌溉用水水质标准及明确实施与监督管理责任的主体均提出了新的要求。自2021年7月1日起正式施行的《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021)，在继续保持了2005版中原有的共计27项基本和选择控制项目的基础上，修订、整合并新增了《灌溉水中氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、硝基苯限量》(GB 22573-2008)和《灌溉水中甲苯、二甲苯、异丙苯、苯酚和苯胺限量》(GB 22574-2008)这2个国家强制性标准中的8项有毒污染控制项目，即氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、硝基苯、甲苯、二甲苯、异丙苯和苯胺，以防范环境风险。

因灌溉水源乌鲁木齐河的河水经过英雄桥断面下游的石门子渠首由专用渠道通过暗渠给位于乌鲁木齐河中游的乌拉泊水库供水，该水库也是地表饮用水源地(五、八水厂)的补给水源，根据国家环境保护总局文件《关于印发〈城市集中式饮用水源地水质监测、评价与公布方案〉的通知》(环发〔2002〕144号)要求，该水源地已对《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)表3有机特定项目开展常规监测工作，其中包括2021版《农田灌溉水质标准》(GB5084-2021)中新增的8项有毒污染控制项目。

1.3 分析方法与质量控制

水质样品的采集、保存及质量保证措施均参照《环境监测方法标准实用手册》[5]和《环境水质监测质量保证手册》[6]的技术要求执行，以手工监测为主，按《环境监测技术规范(水和废水部分)》和《环境水质监测质量保证手册》的技术要求执行，样品分析参照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)、《全国重点城市饮用水源地监测调查作业指导书》《水和废水监测分析方法》(第四版)以及《生活饮用水标准检验方法》(GB/T5750-2006)。

采用国家环境保护部标准样品研究所提供的标准样品进行质量控制，为确保数据的准确性，采取10%的平行双样和20%加标回收等措施进行质量控制，相对标准偏差(RSD)均<10%，符合标准要求。整个分析过程所用试剂均为优级纯，实验用水均为亚沸水。监测结果低于监测方法的最低检出限时，按《水环境监测规范》(SL219-2018)的规定，以1/2最低检出限参加统计处理。

2 评价标准和方法

评价标准执行《农田灌溉水质标准》(GB5084-2021)中规定的旱地作物的基本控制项目和选择控制项目限值要求，同时作为地表水国控断面，还需执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅱ类(饮用水源地一级保护区)标准限值要求。

评价方法参照《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办〔2011〕22号)执行，采用单因子指数法和综合污染指数评价法进行水质评价和分析。单因子指数法：根据评价时段内该断面参评的指标中所属水质类别最高的一项来确定水体综合水质类别。综合污染指数法计算公式如下：

式中：Ci和Si分别为某i项指标实测浓度和参比值(对应的标准限值)，Pi为单项污染指数，P综为综合污染指数。指数分级可参照《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T332-2006)中对灌溉水质量指数的划定，详见表1。

表1 灌溉水污染指数分级

3 水质评价结果

3.1 原有控制项目评价结果

保证标准体系的整体性、协调性是2021版《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021)的修订原则之一，因《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021)中基本和选择控制项目限值与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)适用于农业用水的指标限值(即地表水V类标准限值)相衔接，故分别以《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)饮用水源保护区标准限值和《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021)旱地作物控制项目标准限值作为指标参比值，计算《标准》中原有基本和选择控制项目单项污染指数(Pi1和Pi2)及综合污染指数(P综1和P综2)，详见表2。

表2 2019～2021年乌鲁木齐河灌区农田灌溉水质监测结果统计

续表

按照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，除2019年灌溉期达到Ⅱ类标准限值外，2020～2021年灌溉期全部达到Ⅰ类标准限值要求，水质状况全部为优，P综1在0.11～0.17之间，均属于“清洁”等级。按照《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021)，2019～2021年灌溉期，参与评价的基本和选择控制项目全部达到旱地作物标准限值要求，P综2在0.07～0.10之间，均属于“清洁”等级。

3.2 新增控制项目评价结果

2019～2021年灌溉期，以灌溉水源乌鲁木齐河的河水作为补给水源的地表饮用水源地(五、八水厂)的8项有毒污染控制项目评价结果详见表3。

表3 2019～2021年灌溉期乌鲁木齐市地表饮用水源地特定项目监测结果统计

监测结果显示：2019～2021年灌溉期，地表饮用水源地的8项有毒污染控制项目总检出率14.0%，检出率最高的是甲苯，达到66.7%，其次是二甲苯、氯苯、1，2-二氯苯和1，4-二氯苯，检出率均为16.7%，检出浓度均达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)特定项目标准限值要求，同时也达到《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021)旱地作物选择控制项目标准限值要求，其余项目均未检出。

4 水质主成分分析法筛选主要污染指标

每个水质指标都是从某一方面反映了水质的情况，各个水质指标之间一般又会具有一定程度的相关性。要依据这些水质指标做出综合评价，同时还要避免各类指标之间的互相干扰。采用在指标权重选取方面具有一定优越性的主成分分析法，在保证原始数据信息量损失最小的前提下，通过降维产生的新变量对原始的变量因素进行简化和提取，使原有变量所代表的信息更集中、更典型地体现出来，达到简化数据和提高分析结果的可靠性的目的。

乌鲁木齐河英雄桥断面位于乌鲁木齐河中游，在整个乌鲁木齐河灌区监测体系中起着重要作用，因此，结合2019年以来乌鲁木齐河英雄桥断面逐月常规监测数据，选取反映水体状况电导率(X1)、化学需氧量(X2)、高锰酸盐指数(X3)、五日生化需氧量(X4)、硫酸盐(X5)、氯化物(X6)、氟化物(X7)、铜(X8)、锌(X9)、镉(X10)、铅(X11)等11项指标进行主成分分析，判断乌鲁木齐河灌区主要污染控制指标。

利用SPSS16.0统计分析软件，对所选取的水质参数先进行标准化处理，得到相关系数矩阵，详见表4。

从相关系数矩阵中可以看出，大部分相关系数大于0.3，相关性分析结果显示：电导率与氟化物、铅呈极强正相关，化学需氧量与五日生化需氧量、镉呈强正相关，高锰酸盐指数和硫酸盐、氯化物、氟化物、铜、锌呈中等相关，硫酸盐和氯化物呈极强正相关，可见变量之间的直接相关性比较强，在信息上存在重叠，这些原始变量适合进行因子分析。

将标准化处理后的样本数据输入SPSS16.0软件，可以得到样本的KMO抽样充足性检验，Bartlett's球形检验。一般而言，KMO值越接近1越适合做因子分析，本文KMO值0.537>0.5，适合做因子分析。Bartlett's球形检验用来检验变量之间的相关性，样本显著性水平sig小于0.05，各变量之间有较强的相关性，适合做因子分析。提取主成分，建立初始因子载荷矩阵，解释主成分，详见表5。

表4 乌鲁木齐河水质相关系数矩阵

表5 水质指标方差分解主成分提取分析表

主成分个数提取的原则是主成分对应的特征值λ>1的前m个主成分，特征值λ可视为表示主成分影响力度大小的指标，若λ<1，则该主成分的解释力度不够。由表5可见，特征值λ>1时，11个水质指标中提取的4个主成分已提供了原有信息的82.312%，可确定应提取4个主成分，λ1=3.579，λ2=2.343，λ3=1.926，λ4=1.206，第一主成分F1的贡献率22.977%，反映的信息量最大，与其关联的主要是电导率、铅和氟化物，因子载荷量分别为0.966、0.920和0.832，反映的主要是理化指标与无机阴离子[7]污染状况，新疆本属于高氟地区[8]，水中氟化物受本底影响显著。

第二主成分F2的贡献率22.902%，关联的主要是化学需氧量、五日生化需氧量和镉，因子载荷量分别为0.902、0.894和0.885，反映的主要是营养盐及有机污染指标[7]及金属类指标污染状况。乌鲁木齐河上游沿岸附近农业生产中大量使用有机肥料，以及部分有机农药和化肥随降雨径流入河中，农业面源污染依然存在。

第三主成分F3贡献率18.519%，关联的主要是硫酸盐和氯化物，因子载荷量分别为0.955和0.771，反映的是盐分指标[7]污染状况。乌鲁木齐市原生土壤普遍含盐，加之地下径流和盐分缺乏出路，而且气候干旱、降雨少、蒸发强烈，在地质内部进行着强烈的积盐过程，受储水介质及当地的地质化学结构的影响，乌鲁木齐河水长期接触这种化学性质的地质结构的过程中溶进了上述溶解盐类[9～10]。

第四主成分F4贡献率17.914%，关联的主要是铜和锌，因子载荷量分别为0.869和0.790，反映的是金属类指标[7]污染状况。

表6 水质指标主成分得分系数矩阵

结合《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办〔2011〕22号)，扣除乌鲁木齐河灌区水质本底影响指标无机阴离子氟化物、盐分指标硫酸盐和氯化物，由指标排名确定乌鲁木齐河灌区主要控制指标为营养盐及有机污染指标的高锰酸盐指数、化学需氧量和五日生化需氧量，这三项指标都是用来反映水中有机污染程度的重要水质指标。由于分析测试中所利用的氧化剂的氧化强度不同，三者所反映的污染物成分不同[11]。高锰酸盐指数反映了水中部分有机物及还原性无机物污染的程度，化学需氧量反映了水中能被强氧化剂氧化的物质(各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等，但以有机物为主)的污染程度，五日生化需氧量则反映了水中可被微生物氧化分解的有机物质污染的程度。

结合2019～2021年乌鲁木齐河英雄桥断面常规监测数据，按枯水期(1、2、3、11、12月)、平水期(4、5、9、10月)和丰水期(6、7、8月)进行河流水期分类，不同水期三种指标浓度变化趋势分布详见图1。由图1所示，2019～2021年，化学需氧量浓度均远远高于其他污染指标浓度，化学需氧量浓度2020年呈小幅升高趋势，2021年又有所下降；各年份各水期污染物浓度排序基本为枯水期>平水期>丰水期。主要污染指标水期变化特征与河流年径流量存在一定的关联，乌鲁木齐河年径流量变化主要受降水的影响，乌鲁木齐河上游出山口径流的年际变化相对稳定，但年内分配极不平衡，其中夏季径流量最大，其他各月径流量只占全年不到40%[12]。因此，处于夏季的丰水期因径流量大引起污染物的稀释，丰水期浓度低于其他各水期，枯水期径流量最小，污染物富集后浓度高于其他各水期。

金兵[13]对乌鲁木齐河上、中、下游水质进行综合研究表明，化学需氧量等营养盐类有机污染物是主要污染源，与本文研究结论保持一致，乌鲁木齐河上游的工业活动、生活污水排放、水土流失是造成河道污染的主要原因[4]。

5 结果和讨论

5.1 主要结论

2019～2021年灌溉期，乌鲁木齐市农田灌溉水质原有控制项目按照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，除2019年灌溉期达到Ⅱ类标准限值要求外，2020～2021年灌溉期全部达到Ⅰ类标准限值要求，水质状况全部为优，均属于“清洁”等级。按照《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021)，参与评价的基本和选择控制项目全部达到旱地作物标准限值要求，均属于“清洁”等级。

2019～2021年灌溉期，以灌溉水源乌鲁木齐河的河水作为补给水源的地表饮用水源地(五、八水厂)的8项有毒污染控制项目总检出率14.0%，检出率最高的是甲苯，达到66.7%，其次是二甲苯、氯苯、1，2-二氯苯和1，4-二氯苯，检出率均为16.7%，检出浓度均未超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)特定项目标准限值和《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021)旱地作物选择控制项目标准限值要求，其余项目均未检出。

图1 2019～2020年枯、平、丰水期乌鲁木齐河灌区主要污染指标浓度变化趋势

选取反映乌鲁木齐河灌区水体状况电导率、化学需氧量、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、硫酸盐、氯化物、氟化物、铜、锌、镉、铅等11项指标进行主成分分析，将水质参数概括为4个主成分：理化指标与无机阴离子、营养盐及有机污染指标、盐分指标和金属类指标。结合《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办〔2011〕22号)，扣除乌鲁木齐河灌区水质本底影响指标无机阴离子氟化物、盐分指标硫酸盐和氯化物，由指标排名确定乌鲁木齐河灌区主要控制指标为营养盐及有机污染指标的高锰酸盐指数、化学需氧量和五日生化需氧量。2019～2021年，三种污染指标化学需氧量浓度远远高于其他指标浓度，视为衡量水中有机物质含量多少及水体受污染严重程度的重要指标。这三种污染物各年份各水期浓度排序基本为枯水期>平水期>丰水期，主要污染指标水期变化特征与河流年径流量存在一定的关联。

5.2 取得的成效及对策建议

5.2.1推进河长制进一步见效

近年来，乌鲁木齐市全面落实各级河长巡河制度，河长制由全面建立向全面见效转换，实现水环境质量联防联控，推进河道水域水质改善，保证水体安全。与此同时，印发了《水资源三条红线调控实施方案》，将水功能区目标责任按照属地管理原则下达至各区(县)政府，并实施考核。同时以加强入河排污口管理及河道整治为抓手，按照《入河排污口监督管理办法》相关要求，市行政主管部门进行监督监查，督促各区(县)履行主体责任，落实入河排污口整治工作，并结合河长制加大对河湖的巡查力度，发现问题及时督促整改。

今后要严格按照《水污染防治法》的相关要求，进一步推进河长制从建立到见效转变。按照保护水资源、防治水污染、改善水环境、修复水生态的工作任务，各级各段河长按“分级负责、属地管理”的原则履行好乌鲁木齐河管护的主体责任，实施责任明确、分级管理、监管严格、保护有力的乌鲁木齐河管理保护机制，形成河道、水域“管”“治”“保”一体化的综合防治与监管格局，实现水环境质量联防联控，保障乌鲁木齐河灌区健康。

5.2.2进一步加强农业污染防治

推进畜禽养殖场污染治理，将畜禽养殖种类、数量、废弃物生产、综合利用和污染物等排放情况纳入台账管理，规模养殖场配套建设粪污处理设施配套比例确保达到95%以上。在巩固禁养区内畜禽养殖场(小区)关闭或搬迁成果的基础上，进一步加强对禁养区监督检查，杜绝在禁养区建设新的养殖企业。继续大力示范推广测土配方技术、水肥一体化技术，开展病虫害绿色防控工作，采取生物防治、科学施药等防控技术，减少化肥和农药使用量，提高农药化肥的利用率，降低对土壤的污染风险以及随降水径流入河的风险，控制农业面源污染，从而有效控制有机污染指标的入河排放量。

5.2.3持续开展农田灌溉水质监测

开展农田灌溉水质监测工作，将为加强全市农田灌溉水质管理，防止土壤、地下水和农产品污染，保持灌溉水质良好质量，为推进农业面源污染防治提供数据支撑，并对保障人体健康、推进生态文明建设具有重要意义。今后，要严格按照《土壤污染防治法》的相关要求，持续加强农田灌溉水质监测管理工作。以乌鲁木齐河灌区作为补给水源的地表饮用水源地的有毒污染控制项目检出浓度虽然没有超过标准限值的要求，却反映出地表水源地存在一定程度的有机物污染风险，尤其要对近年来检出率过高且属于中国和美国环保局“水中优先控制污染物黑名单”的特定项目“甲苯”进行重点监控、进一步研究以确定其来源，从而提出有针对性的防控措施。