锡林河流域水质时空分布特征研究*

于鹏飞，韩 祯，朱长军，王世岩，刘 畅，李步东

(1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸 056038；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210009)

锡林河是锡林郭勒草原的母亲河，也是我国内蒙古高原的代表性内陆河以及北方脆弱区域生态安全屏障的重要组成部分。“十一五”以来，诸多学者对锡林河流域水文、气象、生物群落等方面开展了研究。在水文方面，田炳燚等[1]探究了锡林河上游段河水与地下水交换问题，结果表明交换过程主要发生在5-10月，并揭示了河水与地下水的补给关系；在气象方面，吴国栋等[2]通过非参数趋势分析法，揭示了锡林河流域冬、春季降水增多，夏、秋季降水减少，年平均气温总体上升趋势减缓的变化规律；在生物群落方面，席小康等[3]研究了锡林河流域草原群落的分类和群落多样性分布特征，从土壤类型、水分状况以及人类活动强度等方面揭示了群落多样性差异的成因。在众多研究中，针对锡林河水质及其时空变化特征的研究相对较少，当前仅有张晓玲等[4]对锡林河水库上游断面进行了水质评价及污染成因分析。锡林河作为锡林浩特地区重要的水源地，其水质状况直接关系到流域生态环境、畜牧业生产和居民生活，加之锡林河流域包括林田、草地、沙漠、耕地、城市等不同景观类型[5]，涉及畜牧养殖、农村生活、农业种植、工业生产等人类活动类型。因此，以锡林河流域整体为研究区域，分析水质时空特征及其成因，具有重要实践意义。

本次研究选取锡林河流域13个断面，涵盖了上、中、下游及主要支流，在调查监测基础上，应用均值型综合污染指数法和单因子水质标识指数法评价锡林河水质的污染程度，再结合主成分分析和聚类分析等多元统计分析方法，明确锡林河流域水质的时空分布特征及其成因，旨在为管理部门的水污染防治工作提供科学依据。

1 研究区域概况

锡林河属于西北诸河流域，发源于赤峰市克什克腾旗。锡林河流域范围跨赤峰市、锡林郭勒盟两地，地势南高北低，南部为丘陵岗地，北部为平缓的波状高原。河流长度268 km (其中赤峰市46.4 km，锡林浩特市221.6 km)，流域面积10 542 km2，河道比降1.94‰[6]。流域属中温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温2.1℃，无霜期105 d；多年平均降水量289 mm，年内分布不均，雨量大多集中在6-9月，多年平均蒸发量为1 903.5 mm，由东南向西北递增，春旱、夏旱时有发生[2]。多年平均径流量1 878.96 万m3，融雪产生的春汛期径流量占全年径流量的33.51%，降雨产生的夏汛期径流量占全年径流量的13%左右。

2 材料与方法

2.1 采样点布设与样品监测

锡林河流域四季的划分：3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12月-次年2月为冬季[7]。本研究选取2021年4月、2021年7月、2020年11月3期监测数据，分别代表锡林河春、夏、秋3个季节。由于冬季出现断流现象，故未在冬季时段进行采样分析。

本研究布设13个采样点，锡林河上游采样点分别设于跨境断面、南沟支流、南沟汇入口。锡林河中游采样点分别设于东地监测断面、好来吐郭勒汇入口、锡林河中桥、漫水桥。锡林河下游采样点分别设于锡林浩特水文站、锡林河水库、湿地公园、生态植物园、锡林河市区末端、污水厂尾水与锡林河交汇处(表1，图1)。

表1 流域河流水质采样点位置及概况Table 1 Location and overview of water quality of sampling sites in watershed

图1 采样点位置分布示意Fig.1 Location distribution of sampling sites

根据实际监测的水质数据特点，以张晓玲等[4]对锡林河水质主要超标污染物分析作为参考，同时结合内蒙古自治区生态环境厅锡林河监测断面水质数据主要超标物质及超标倍数，本研究最终选取pH值、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、叶绿素a (Chl-a) 7项指标作为分析对象。各监测指标分析依据分别为《水质 pH值的测定 玻璃电极法》(GB 6920-1986)、《水质 高锰酸盐指数的测定》(GB 11892-1989)、《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(HJ 828-2017)、《水质 五日生化需氧量(BOD)的测定 稀释与接种法》(HJ 505-2009)、《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535-2009)、《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893-1989)、《水质 叶绿素a的测定 分光光度法》(HJ 897-2017)等。

2.2 评价与分析方法

2.2.1 评价方法

(1)均值型综合污染指数法。

均值型综合污染指数法[8]计算公式如下：

式中，P表示综合污染指数；Pi表示水质指标i的污染指数；Ci表示水质指标i的实际监测值；Ci0表示水质指标i的评价标准限值；n表示评价指标数量。均值型综合污染指数的污染程度划分为P≤0.20，水质好；0.21≤P≤0.40，水质较好；0.41≤P≤0.70，轻度污染；0.71≤P≤1.00，中度污染；1.01≤P≤2.00，重度污染；P≥2.01，严重污染。

(2)单因子水质标识指数法。

单因子水质标识指数法[9]能够直观反映水质类别及其达标情况。表达式为

Bi=X1.X2X3，

式中，Bi代表单因子水质标识指数；X1代表第i项水质指标的水质类别；X2代表实际监测值在X1中所处的位置；X3代表实际监测的水质类别与该河段目标水质类别的比较结果，X3=0表示水质类别达到该河段目标水质类别，X3=1则表示水质类别劣于该河段目标水质一个类别，X3=2则表示水质类别劣于该河段目标水质两个类别，以此类推。综上所述，X1.X2代表了单项水质指标的类别和污染程度，其意义如下：Ⅰ类水，1.0≤X1.X2≤2.0；Ⅱ类水，2.06.0。

2.2.2 分析方法

(1)主成分分析。

将原始数据进行标准化处理，避免量纲和数量级的影响；在分析前采用Kaiser-Meyer-Olkin (KMO)检验和Bartlett球形度检验判断指标间的相关性，以确定原始变量是否适合进行主成分分析；确定主成分个数，本次研究确定原则为特征值λ>1对应的主成分；根据计算结果，确定主成分PC的表达式；计算主成分分值，综合得分越高，表明污染越严重[10]。

(2)聚类分析。

本研究通过分层聚类的方式，聚类距离采用平方欧式距离，聚类方法采用组间连线法，将采样点进行分类，从而对水质的空间特征进行分析。

3 结果与分析

3.1 水质评价结果

3.1.1 总体评价结果

锡林河水质季节性差异较大，春、夏、秋三季水质均值型综合污染指数分别为0.98，2.36，1.55，根据水质均值型综合污染指数评价方法，污染程度分别为中度污染、严重污染和重度污染。

3.1.2 单因子评价结果

根据《内蒙古自治区水功能区划》[11]划分，锡林河流域水质目标应满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水质标准。

春季单因子水质标识指数结果表明，CODMn超标率为62%，除采样点1，4-7外，其余采样点均超标；COD和BOD5超标率为38%，超标采样点为8，9，11-13；NH3-N在各采样点均未超标；TP在采样点9，13超标；各指标在采样点1，4-7达到地表水Ⅲ类水质标准。夏季单因子水质标识指数结果表明，各采样点的CODMn、COD、BOD5超标率均为100%；NH3-N在采样点13超标;TP在采样点5，6，9，13超标。秋季单因子水质标识指数结果表明，CODMn超标率为62%，除采样点3-7外，其余采样点均超标；COD超标率为31%，BOD5超标率为38%，这两个指标在采样点9-12均超标；NH3-N在采样点12和13超标；TP在采样点9，13超标；各指标在采样点3-7达到地表水Ⅲ类水质标准(表2)。从单因子水质标识指数总体来看，CODMn为主要污染物，其次是COD和BOD5。

表2 春、夏、秋季单因子水质标识指数Table 2 Single factor water quality identification index in spring,summer and autumn

3.2 主控因子分析

基于3期监测数据，对13个采样点中的7项指标进行主成分分析。经检验得出，KMO检验系数为0.61，且Barlett球形度检验中显著性概率P值<0.05，说明原始数据之间有较强的相关关系，适合进行主成分分析。

如表3所示，主成分1，2的特征值λ>1且累计方差贡献率为77.60%，能够充分反映原始数据。第一主成分PC 1的方差贡献率最大，为51.42%(表3)，在CODMn、COD、BOD5上有较大载荷，载荷值分别为0.88，0.87和0.82 (表4)，反映了水体有机物污染问题。有机物污染来源主要为流域畜禽和人体排泄物中的尿素、蛋白质等物质及生活污水中的高分子脂类及其衍生物[12]。第二主成分PC 2的方差贡献率为25.18% (表3)，在NH3-N、TP具有较大的载荷值，均为0.70 (表4)，反映了水体富营养化问题。污染物来源主要为畜禽和人体代谢产物、食物残渣、蛋白质分解及氮磷肥的使用。

表3 特征值及方差贡献率Table 3 Eigenvalue and variance contribution rate

表4 旋转后因子载荷矩阵

3.3 水质时空变化特征分析

3.3.1 水质空间变化特征分析

对13组水质数据进行系统聚类，得到聚类树状图(图2)。按水质综合相似性，研究区13个采样点在空间区域上被划为4类，采样点1-7归为一类；采样点8，10，11归为一类；采样点9和12归为一类；采样点13单独一类。

图2 锡林河水质空间聚类分析结果Fig.2 Spatial clustering analysis results of Xilin River water quality

以空间为出发点计算主成分得分，各采样点主成分分析综合得分排序为采样点13>9>12>11>10>6>8>7>5>2>1>4>3 (表5)，可以看出采样点得分排序与聚类分析结果基本吻合，水质最差的采样点13单独一组，9，12为一组，8，10，11为一组，1-7为一组。

表5 不同采样点主成分分值及排序Table 5 Principal component score and order of different sampling points

CODMn、COD、BOD53项水质监测指标空间变化趋势一致，从上游到下游数值增高，3项指标监测值基本上在采样点9，12有大幅度上升(图3)。NH3-N监测值整体变化趋势不明显，在点位12，13明显上升。TP监测值在采样点4有下降，在采样点13出现大幅度上升(图4)。

图3 CODMn、COD和BOD5空间分布情况Fig.3 Spatial distribution of CODMn、COD and BOD5

图4 NH3-N和TP空间分布情况Fig.4 Spatial distribution of NH3-N and TP

3.3.2 水质时间变化特征分析

主成分分析中样本综合得分越高，说明样本中污染物及水中元素的含量越高，水质越差。春季、夏季、秋季主成分分析综合得分分别为-0.62，0.65，-0.02。以时间为出发点计算主成分得分(表6)，夏季水质较差，主控因子来自主成分1中的CODMn、COD、BOD5；春季水质最优，主控因子为主成分2中的NH3-N、TP，秋季主控因子为主成分1中的CODMn、COD、BOD5，主控因子与水质均值型综合污染指数结果相吻合。

表6 不同季节主成分分值及排序Table 6 Principal component score and sorting in different seasons

聚类分析结果表明，不同河段水质情况差异较大，通过实地考察，结合聚类分析结果，将锡林河点位分为4类来阐述水质的时间变化特征。由图5可知，类别1中，CODMn、COD、BOD5、TP变化趋势一致，监测值均为夏季>秋季>春季；NH3-N的监测值为夏季>春季>秋季。类别2中，CODMn、COD趋势一致，监测值为秋季>夏季>春季；BOD5与TP变化趋势一致，监测值为夏季>秋季>春季；NH3-N的监测值为秋季>春季>夏季。类别3中，CODMn、COD、BOD5变化趋势一致，监测值为夏季>秋季>春季；NH3-N的监测值为秋季>春季>夏季；TP的监测值为夏季=春季>秋季。类别4中，COD、BOD5的监测值为夏季>秋季>春季，CODMn监测值春季>秋季>夏季，NH3-N和TP监测值秋季>夏季>春季。

图5 各指标时间变化Fig.5 Time change of each index

4 讨论

水质评价结果与监测结果表明，CODMn是主要污染物，最大值出现在采样点12，超过25 mg/L。锡林河流域水功能区水质目标为地表水Ⅲ类水质标准，根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)基本项目标准限值规定，除采样点1在春季、采样点3在秋季、采样点4-7在春季和秋季达到地表水Ⅲ类水质标准之外，各点位水质在夏季均超标。

从时间变化来看，锡林河在春季水质较好，夏季水质较差。春季水质的主控因子为NH3-N、TP，秋季和夏季水质的主控因子均为CODMn、COD、BOD5。锡林河降雨峰值出现在7月，降雨径流峰值出现在8月[7]，河流水体流动量大且流动更加剧烈，大量氧气短时间内融入水体，溶解氧与微生物、有机污染物相互作用，发生氧化、分解等反应，可达到净化水体的目的[13]，但是夏季总体水质劣于春、秋两季，可知在夏季时有更多的面源污染负荷随降雨径流进入河道[14]，根据主控因子类型，判断是畜禽养殖面源污染起到主导作用，导致其水质变差。

从空间上来看，锡林河水质从优到劣分别为中游、上游、下游，原因主要为采样点1-3 (上游点位)为入境断面，周围有畜禽养殖和放牧行为，人类活动强烈，入境断面水质超标主要是由于畜禽养殖和农村生活带来污染。采样点4-7 (中游点位)周围存在放牧现象，但受影响程度较小。采样点8，10，11为锡林河市区段，分别位于锡林浩特市水文站、湿地公园和生态植物园，水质变化主要受到人类活动影响；采样点9，12为景观水体和库湾水体，水体流动性差，水体置换周期长，自净能力低[15]；采样点13位于锡林浩特市污水厂排放尾水与锡林河交汇处，其水质受到锡林浩特市污水厂排放尾水水质影响，排放尾水的入河排污口类型为市政生活入河排污口。

根据锡林河水质特征，流域上中游应加快农村生活污水处理设施建设；推动畜禽规模养殖废弃物资源化利用，严格执行水域岸线保护，依据岸线保护范围，适当采用硬性防护措施，防止畜禽直接进入河道排泄污染物。下游河段应针对污水厂排放的尾水建设人工湿地，削减汇入锡林河干流的氮磷负荷量。

5 结论

(1)锡林河水质监测指标中CODMn超标最严重，最大值超过25 mg/L。采样点1 (上游点位)在春季、采样点3 (上游点位)在秋季和采样点4-7 (中游点位)在春、秋两季达到地表水Ⅲ类水质标准，夏季各采样点水质均超标。

(2)从时间上看，春季、夏季、秋季主成分分析综合得分分别为-0.62，0.65，-0.02，水质从优到劣分别为春季、秋季、夏季；春季水质的主控因子为NH3-N、TP，秋季和夏季水质的主控因子均为CODMn、COD、BOD5。

(3)从空间上看，锡林河水质从优到劣分别为中游、上游、下游。上中游河段影响水质的主要原因是畜禽养殖和农村生活带来的面源污染；下游河段水质超标的主要原因是污水厂尾水排放。