基于多元统计方法的穆棱河水质时空分布特征

薛世勤,王立权,李铁男,邱朋朋,戴韬严

(1.黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨 150080;2.黑龙江省水利科学研究院,哈尔滨 150080)

0 引 言

河流是水循环的重要途径,地表水污染会直接或间接影响大气降水、地下水和海水。地表水极易受到农业活动和工业污染,以及居民生活废水、畜禽和水产养殖废水、河流内源污染均是导致河流水体污染和污染特征差异化显著的主要因素[1]。经济和人口增长加剧了地表水污染对人们生活的负面影响。为了进行高效的水体管理,水质评价是应对地表水污染改善水质的首要行动之一。水质评价的普遍方式是将收集测量的物理化学水质数据与国家或者国际规定标准进行比较,得到相应水体的污染程度。河流水体污染通常有显著的时空间差异,可能是由复杂的自然因素或人类活动影响形成。但是这种方法无法判断污染来源和解释水体污染的时空间异质性,庞大的数据也难以得出有意义的结论,而多元统计分析是研究河流水质时空分布特征的有效方法。

多元统计是可以处理多维数据,研究多个变量之间依赖性和规律性的方法[2]。例如聚类分析(CA),主成分分析(PCA)等多元统计方法,可以简化水质数据,解释水质参数的特征变化,并以此分析污染来源。近年来很多研究应用了这些方法。CA被应用于水质时空分异规律的分析[3-4]。PCA被应用于分析水质主要驱动因子及其方差贡献率[5-7]。但是目前没有对穆棱河流域水质的时空异质性应用多元统计方法的研究。

穆棱河位于黑龙江省三江平原地区[8],是乌苏里江左岸最大的支流[9],其流经的穆兴(穆棱河-兴凯湖)平原是我国重要的商品粮生产基地之一[10],穆棱河水资源的健康对保障国家粮食安全、保护耕地生态健康有重要意义。关于穆棱河流域,目前已有相关学者对穆棱河水质健康进行了研究。李佳民等利用模糊综合评价法评价了2010—2014年穆棱河水体质量,发现穆棱河水质季节性变化较大,主要污染物是有机物。孙旭利用Shannon-Weaver多样性指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数评价穆棱河水质,发现穆棱河上游呈轻污状态,整体呈中污状态。但现有研究对穆棱河水质在时间尺度和空间尺度上的变异只按照季节和流域进行了简单评析,未凭借其水质特征和寒区气候条件进行分类探讨。

本研究选取2021年穆棱河流域5个不同监测点的7项物理化学参数,应用多元统计技术(1)揭示穆棱河水质的时间和空间变化,(2)确定影响河流水质的主要因子及其来源,应用综合水质标识指数评价穆棱河整体污染状况。本研究目的是为穆棱河流域污染防治和水资源管理提供有效信息。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

穆棱河(E130°15′～133°30′、N45°13′～45°55′)河道总长834km,流域面积1842700hm2,发源于穆棱县窝集岭,自西南流向东北方向,于鸡西市青龙山处分成两支,一支向东流经虎林市汇入乌苏里江,另一支向南流入小兴凯湖。地貌多为山地,占51%,其余为丘陵、平原和湖泊,分别占26.3%、22.0%、0.7%。研究区地处中温带大陆性季风气候区,年平均气温3.2℃(-44.1～37.6℃);年平均降水量552.9mm,主要集中在6～9月,占全年的70%左右;无霜期140d,结冰期150～160d。

穆棱河中上游为低山丘陵地区,其支流分布有河谷漫滩,工业尤其是采煤业发达,企业很多,点源污染严重。下游地处河谷平原,数百万亩耕地化肥农药等化学品使用量很大,众多大型畜禽养殖场大量排污,严重影响穆棱河水环境质量。极端大陆性气候的结合使河流污染受到强烈的季节性影响。

1.2 数据

根据穆棱河水文特征、土地类型工业污染排放位置和农业耕地分布,本研究选择穆棱河的5个监测点,见图1,包括三岔屯、团结水库(上游),碱厂桥(中游),知一桥、穆棱河口内(下游)。选择7项水质指标进行评价,包括水温(T)、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)。以《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》为评价准则。所有数据采用SPSS22.0、Origin 2021和Excel数据统计软件进行分析统计。

图1 基于层次聚类方法的穆棱河监测时间聚类谱系图(组间联结)

1.3 数据处理

对主要环境变量应用聚类分析(CA),判别污染物来源;使用主成分分析(PCA)识别研究区域水质健康关键影响因子;应用KaiserMeyer-Olkin(KMO)检验和Bartlett球度检验,检验水质数据对PCA的适用性。

2 结果与讨论

2.1 水质污染现状

穆棱河水质指标描述统计,见表1。由表1可知:各项指标的最大值(Max)、最小值(Min)、均值(Mean)和标准差(SD),以及7项物理化学指标的变异系数(CV),并列出了《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》规定的各项指标限值。从表中可看出,T、NH3-N、TN和TP等指标的高变异系数表明其在时间或空间尺度上波动程度较大,可能是由气候因素和人类活动造成。所有指标中TN污染程度最严重,平均浓度达到Ⅴ类,最大值高出Ⅴ类标准的3.16倍,表明在部分时空条件下该水资源无法满足人类生活和工业用途。其余指标的平均浓度均在三级标准限值内。

表1 穆棱河水质指标描述统计

2.2 穆棱河水质参数的时间分布特征

时间尺度上对穆棱河水质指标应用CA,得到的谱系图将12个监测期分为三类。平方欧姆距离<8时有显著差异。聚类Ⅰ包括1～5月、11月、12月,对应穆棱河水量的低流量(LF)时段。该时段河流在零下温度下结冰,冰层厚度普遍达到0.8～1.5m。聚类Ⅱ对应穆棱河的高流量(HF)时段,包括7月、8月、9月,夏季汛期雨量增大,多发洪水。聚类Ⅲ包括6月和10月,对应穆棱河的平均流量(MF)时段,处于冰封期和非冰封期的过渡阶段。因此,按照穆棱河的水文特征,将12个月分为低流量、中流量和高流量三个时段。穆棱河流冬季气温低,河流结冰期长,该聚类结果比季节分类更为合理。基于层次聚类方法的穆棱河监测时间聚类谱系图(组间联结),见图1。

从时间尺度上应用斯皮尔曼系数评价穆棱河水质变化。分别给三个周期分配相应整数(LF;1;HF:2;MF:3),各个水质指标分别与序变量建立斯皮尔曼相关性。结果表明,水温与水质时间分布相关系数最大(R=0.769),并且达到极显著水平。其余指标中与周期有显著相关性的有达到显著水平的溶解氧(R=-0.591)、化学需氧量(R=0.493)、总磷(R=0.434)、高锰酸盐指数(R=0.217)。目前为止,这些参数可看做水质指标周期性变化的主要因素,其时间分布特征可用该区域对应时段的水文特征和气候变化解释。水温反映了大气温度,气温与水体溶解氧含量有显著负相关。在LF时段,研究区域气温低,个别月份低至-30℃以下,基本没有农业活动,污染物负荷低。河流冰封期长,人类活动对水质造成的影响小。在MF时段,穆棱河冰封期结束,流量增大,农业养殖和人类活动造成的污染负荷逐渐增加。在HF时段,该流域降雨增大,产生的径流对地表冲刷,以及水田灌排水为穆棱河带入大量有机污染物,其次是沿途主要城市(鸡西市、虎林市等)的城市生活污水和工业污水排放对水质的有机物贡献。其余参数与水质指标的周期性变化相关性不显著,应该与人类活动密切相关。

对两个时段(LF、HF)分别应用PCA(通过KMO检验和Bartlett球度检验),以分析影响水质参数的主要因素并对比其不同组成。主成分分析得到特征值>1的低流量时段3个主成分,解释了该时段水质参数集总方差的93.057%。高流量时段2个主成分,100%解释了其对应的水质参数集。3个时段水质参数主成分负荷矩阵及解释方差,见表2。

表2 3个时段水质参数主成分负荷矩阵及解释方差

对于低流量时段相关的水质参数集,在3个主成分中,成分1对水温、CODMn、COD具有强正荷性,对NH3-N具有强负荷性。高锰酸盐指数的大小代表水中可被氧化的还原性物质的多少,与化学需氧量正相关。在冰冻期,水温趋近零度,厚冰层阻挡了农业活动和城市造成的有机物污染,水中有机物浓度低。该成分反映了有机物污染的贡献。成分2对DO和TN具有强正荷性。成分3对TP具有强正荷性。人类生活污水或者含氮工业废水的排放,使水中有机氮和各种无机氮化合物增加,消耗了大量的溶解氧。水体中的磷主要来自生活污水中各种含磷洗涤剂、人类排泄物以及养殖废水、煤化工废水的排放。成分2和成分3反映了水体中的氮、磷营养盐污染。

对于高流量时段相关的水质数据集,在两个主成分中,成分1对水温、CODMn、COD具有强正荷性,对DO和TN具有强负荷性。河流中高浓度的有机物和氮主要来源于生活污水和农业活动,夏季农业活动使用大量的有机肥料和氮肥,通过灌排水和大量降雨形成的地表径流被直接带入河流,或者渗入地下形成径流,最终汇入河流。成分2对NH3-N和TP具有强正荷性。河流中的氨氮和磷主要来源于城市生活污水,以及工业废水和废水处理厂的排放。养殖生物的粪便和饲料中的可溶性蛋白融入水中也使NH3-N浓度增加,形成点源污染。

2.3 穆棱河水质参数的空间分布特征

对2021年穆棱河CODMn、NH3-N、TN、TP,4个水质参数的浓度分布进行计算研究。2021年穆棱河各监测点水质指标比较,见图2。团结水库的高锰酸盐指数和氨氮浓度显著高于其他监测点,知一桥高锰酸盐指数和氨氮浓度均值最低,且变化幅度最小。团结水库位于黑龙江省穆棱市共和乡境内,以灌溉为主,兼具发电、防洪和养鱼等功能[33]。水库上游的大量农田和雨季大量降雨形成的径流,使土壤中的大量有机物和含氮营养盐流入团结水库,污染物沉积、转化,使该监测点高锰酸盐指数和氨氮浓度升高。水库上游的公路桥常有游客垂钓,水库中心和大坝上游有当地居民捕鱼,这些人类活动和水库附近居民的生活污水排放也是造成团结水库高锰酸盐指数和氨氮浓度高于其他监测点的原因。知一桥位于黑龙江省密山市境内,沿岸农场众多,下游种植业发达。上游流经鸡西市,鸡西市以煤炭、冶金和建材等重工业为主的经济结构给穆棱河带来了较大的生态保护压力。该监测点主要污染来源是农业化肥造成的面源污染和上游城市生活污水和工业废水造成的点源污染。该河段河面宽阔,两岸植被覆盖率高,雨季流速快,水体污染物稀释能力强,且附近无工厂和废水处理厂排污等点源污染,各项水质参数浓度均较低。由图(c)可看出穆棱河全段总氮浓度无显著变化。碱厂桥处氨氮和总磷浓度变化较大,并且总磷浓度高于其余监测点。碱厂桥位于穆棱河中上游,地处黑龙江省牡丹江市和鸡西市交界处,地形为山地。该监测点处河岸左侧为居民区,右侧分布农场和鱼塘。冬季主要污染来源是附近村镇生活污水的直接排放。夏季农业活动频繁,降雨冲刷土壤造成水中氮磷营养盐浓度增高。该公路桥旁的工厂排污也是造成此处氨氮和总磷浓度变化大的原因之一。

图2 2021年穆棱河各监测点水质指标比较

比较2021年穆棱河5个监测点和3个流量时段的水质指标变化情况,2021年穆棱河各监测点水质指标不同时段瀑布图,见图3。在低流量时段,团结水库水质指标中氨氮和总氮浓度远高于其余监测点,化学需氧量和溶解氧浓度低于其余监测点,可能是由于枯水期水库蓄水,水体流动性和交换能力差,在微生物和藻类作用下含氮营养盐持续积累,并消耗水中的溶解氧。并且此时段水温低,水中溶解的氧气少。河段上游工业废水排放少,水体有机物污染程度不高,使得化学需氧量较低。随着中下游河流受到废水处理厂和煤厂等企业排污,以及农田施肥造成的有机物污染严重,水体中化学需氧量浓度升高。在平均流量时段,各监测点的水质指标浓度无显著变化。在高流量时段,高锰酸盐指数和化学需氧量两项指标从上游到下游有较显著波动,这两项指标越高,代表了河流受到有机物污染的程度越严重,说明碱厂桥是穆棱河受到工业排污造成点源污染最严重的监控断面。

图3 2021年穆棱河各监测点水质指标不同时段瀑布图

2.4 综合水质标识指数评价

对2021年穆棱河各监测点的水质状况,分别于不同流量时段(LF、MF、HF)应用综合水质标识指数法进行评价,穆棱河各监测点不同流量时段综合水质标识指数,见表3;2021年穆棱河各监测点不同流量时段综合水质标识指数,见图4。

图4 2021年穆棱河各监测点不同流量时段综合水质标识指数

表3 穆棱河各监测点不同流量时段综合水质标识指数

低流量时段,团结水库水质最差,为劣Ⅴ类,其余监测点水质全部达到Ⅲ类水标准。穆棱河水功能区目标水质为Ⅲ类,另外4个监测点各有一个指标劣势于水功能区目标水质,均为TN,因此在低流量时段,TN为穆棱河的主要污染物。平均流量时段,团结水库水质接近Ⅳ类,碱厂桥水质达到Ⅳ类,其余监测点水质均为Ⅲ类。各监测点水质指标中TN均劣势于水功能区目标水质,可看做平均流量时段的主要污染物。高流量时段,团结水库和碱厂桥水质达到Ⅳ类,且各有三个指标劣势于水功能区目标水质,均为CODMn、COD和TN,这三项可视为该时段穆棱河流域主要污染物。在5个监测点中,三岔屯、知一桥、穆棱河口内三处水质健康状态保持较好,全年基本均达到Ⅲ类水标准。与李佳民等(2016)的研究结果不同,其得出结果2010—2014年穆棱河上游水质总体好于中、下游,造成这种差别的原因可能与穆棱河流域上、中游的旅游开发和中游城市工业建设力度加大相关。

3 结 论

穆棱河7项水质指标中,T、NH3-N、TN和TP在时间或空间尺度上波动显著,TN污染最严重。应用CA对穆棱河2021年水质状况进行分析,得到三个不同流量时段,低流量时段(LF)为1～5月、11月和12月,平均流量时段(MF)为6月和10月,高流量时段(HF)为7月、8月和9月。对LF和HF应用PCA,LF得到3个主成分,解释了该时段水质参数总方差的93.057%,HF得到2个主成分,解释了该时段水质参数总方差的100%。对比2021年穆棱河各监测点CODMn、NH3-N、TN、TP,4项指标的平均浓度,得出:对于CODMn和NH3-N两项水质指标,团结水库的浓度显著高于其他监测点,主要原因是降雨汇流和水体交换能力差;知一桥受到的点源污染很少,CODMn和NH3-N浓度均值最低,且变化幅度最小;穆棱河全段总氮浓度变化不显著;碱厂桥处氨氮和总磷浓度变化较大,并且总磷浓度高于其余监测点,主要是由于工业排污严重和农业活动大量使用化肥农药。5个监测点中,三岔屯、知一桥、穆棱河口内三处水质状态较健康,上游的团结水库和中上游的碱厂桥污染较严重。应用综合水质标识指数法对穆棱河2021a水质健康状况进行综合评价,得出:在LF时段,主要污染物为TN,团结水库水质最差,为劣Ⅴ类;MF时段,穆棱河水质状况总体较好;在HF时段,穆棱河主要污染物为CODMn、COD和TN。