冉桂花，葛繼穩(wěn)，* ，苗文杰，2，曹華芬，3，吳述園，程臘梅

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)濕地演化與生態(tài)恢復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生態(tài)環(huán)境研究所，武漢 430074;2.武漢市伊美凈科技發(fā)展有限公司，武漢 430072;3.湖北永業(yè)行評(píng)估咨詢有限公司，武漢 430070)

長(zhǎng)江三峽大壩是中國(guó)乃至世界上最大的水利樞紐工程，它在發(fā)電、防洪、航運(yùn)等方面給我國(guó)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)其帶來(lái)的水環(huán)境問(wèn)題也已經(jīng)成為社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。三峽工程自運(yùn)行以來(lái)，庫(kù)區(qū)各大支流受長(zhǎng)江回水的頂托而形成庫(kù)灣，庫(kù)灣水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象陸續(xù)出現(xiàn)，且惡化速度不斷加快，其中，香溪河尤為突出。香溪河作為三峽水庫(kù)靠近壩址最近的最大一級(jí)支流，水庫(kù)蓄水后，已多次暴發(fā)水華［2］，為此，許多學(xué)者相繼開(kāi)展了大量的相關(guān)研究［3-5］。然而，大部分研究都集中在香溪河干流，對(duì)其支流研究甚少。筆者認(rèn)為，要想弄清香溪河流域乃至三峽庫(kù)區(qū)的水質(zhì)狀況，需要對(duì)其支流水質(zhì)開(kāi)展研究，從源頭追蹤到庫(kù)灣分析水質(zhì)的變化情況，以更加科學(xué)、可靠的研究方法了解香溪河流域的水環(huán)境狀況，推測(cè)其富營(yíng)養(yǎng)化根源;再則，古夫河流域的土地利用格局在空間上存在顯著差異，河流水質(zhì)不僅易受到水土流失、大氣降水和植被演替等自然因素的影響，還易受到土地利用、生活污水、工農(nóng)業(yè)廢水和水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)等人為因素的影響。古夫河河流水質(zhì)變化會(huì)對(duì)該河流乃至香溪河水域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的影響［6］。因此，通過(guò)探究古夫河河流水質(zhì)變化，不僅能更清楚了解該河流的水質(zhì)狀況，為古夫河水資源管理和保護(hù)提供科學(xué)可靠的動(dòng)態(tài)信息;也能為全面把握香溪河流域的水質(zhì)變化積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這對(duì)于分析香溪河近年生態(tài)變化的原因，具有一定的科學(xué)及應(yīng)用價(jià)值。

多元統(tǒng)計(jì)方法中的聚類分析(CA)，主成分分析(PCA)以及判別分析(DA)是研究河流水質(zhì)變化特征和源識(shí)別的有效工具，已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛應(yīng)用［7-14］。Singh等［14］綜合運(yùn)用CA、PCA和DA對(duì)印度Gomti河流進(jìn)行水質(zhì)時(shí)空特征分析，識(shí)別出引起該河流水質(zhì)變化的自然和人為污染源;趙廣舉等［10］利用CA和PCA分析了太湖流域的水質(zhì)特征;Kannel等［11］綜合運(yùn)用CA、PCA和DA在分析加德滿都(尼泊爾)巴格馬蒂河的水質(zhì)時(shí)空變化特征的基礎(chǔ)上，探討了水質(zhì)時(shí)空變化與土地利用類型的關(guān)系;Mendiguchia等［13］運(yùn)用CA和PCA對(duì)西班牙瓜達(dá)基維爾河的人為因素影響進(jìn)行了評(píng)價(jià);Alberto等和Qadir等用多元統(tǒng)計(jì)方法分別對(duì)阿根廷Suquía河流和巴基斯坦杰納布河支流的水質(zhì)時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析［7，12］。

本文以香溪河第一支流古夫河為研究對(duì)象，根據(jù)土地利用類型，并結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法探討古夫河河流水質(zhì)時(shí)空分異特征，識(shí)別影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)水質(zhì)因子，探討導(dǎo)致該流域水質(zhì)時(shí)空分布格局的原因，以期為香溪河流域乃至三峽庫(kù)區(qū)水資源管理和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

古夫河是三峽庫(kù)區(qū)一級(jí)支流香溪河上游的主要支流，發(fā)源于湖北省神農(nóng)架林區(qū)的騾馬店，流域面積1189 km2。古夫河河道平均坡降20‰，干流長(zhǎng)68 km。該流域?qū)儆趤啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候，雨量充沛，地形復(fù)雜，高低懸殊，氣候垂直差異大。土壤類型隨海拔變化而變化，海拔800 m以下為黃壤，800—1000 m為黃棕壤，1000 m以上為棕壤。區(qū)域植被垂直分布格局顯著［15］，地帶性植被為常綠闊葉林，現(xiàn)存植被為以針闊混交林為主的天然次生林。主要森林喬木種有馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、曼青岡(Quercus oxyodon)、栓皮櫟(Quercus variabilis)、茅栗(Castanea seguinii)、鵝耳櫪(Carpinus turczaninowii)、化香(Platycarya strobilacea)等。河岸帶植被以茅栗、楓楊(Pterocarya stenoptera)、馬桑(Coriaria sinica)、鳶尾(Iris tectorum)等為主。研究區(qū)域土地利用類型有森林(次生林為主)、耕地、水庫(kù)和村鎮(zhèn)等。流域礦產(chǎn)資源豐富，尤其是磷礦資源豐富，是湖北興(山)神(農(nóng)架)保(康)磷礦的主產(chǎn)區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 水樣的采集與測(cè)量

本研究從2010年8月—2011年7月對(duì)古夫河進(jìn)行了為期1a的采樣，從河流源頭到與香溪河交匯處共設(shè)20個(gè)采樣點(diǎn)，分別為GF(古夫)01—15、GF15a、GF16—19，各點(diǎn)之間海拔相差50—100 m，采樣點(diǎn)具體分布見(jiàn)圖1。

所選取的點(diǎn)位覆蓋整個(gè)河流，能包含整個(gè)古夫河河流的水文特征。選用600 mL清潔的聚乙烯瓶在水下1/2深度處進(jìn)行水樣采集。選取的9個(gè)水質(zhì)指標(biāo)有總磷(Total phosphorus，TP)、總氮(Total nitrogen，TN)、化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand，COD)、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)、堿度(Total alkalinity，T-Alk)、硬度(Total hardness，T-Hard)、二氧化硅(Silicon dioxide，SiO2)、電導(dǎo)率(Electrical conductivity，EC)、總有機(jī)碳(Total organic carbon，TOC)。其中DO采用美國(guó)金泉YSI 550A型便攜式溶解氧測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，電導(dǎo)率使用意大利哈納HANNA HI8733現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，其它指標(biāo)的測(cè)定均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)推薦的方法。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

本文首先根據(jù)該區(qū)的土地利用差異進(jìn)行空間分類，按照水文節(jié)律進(jìn)行季節(jié)分類;然后基于分類結(jié)果，用判別分析識(shí)別具有空間顯著性差異的水質(zhì)指標(biāo);再在不同空間類別上分析時(shí)間尺度水質(zhì)分異特征;最后，運(yùn)用主成分分析方法進(jìn)一步研究不同空間類別上干、濕季節(jié)分別影響河流水質(zhì)時(shí)空分異的潛在因素［7，16］。

為了消除數(shù)據(jù)單位和量綱不同的影響，進(jìn)行主成分分析前，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以提高分析結(jié)果的可信度。上面所述分析均在IBM SPSSStatisticts19.0和Microsoft Office Excel 2007中實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 空間尺度水質(zhì)特征分異性分析

將20個(gè)采樣點(diǎn)按其土地利用類型進(jìn)行分類，共分成4類，即森林、耕地、水庫(kù)和村鎮(zhèn)，分類結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)合采樣點(diǎn)的分布示意圖(圖1)以及表1可以看出，A組的采樣點(diǎn)分布在兩岸植被覆蓋率高、受人為干擾小的河段，河流水質(zhì)良好;B組的采樣點(diǎn)分布在以耕地為主的河段，途經(jīng)農(nóng)業(yè)和村鎮(zhèn)區(qū)，沒(méi)有工業(yè)活動(dòng)，主要污染來(lái)自農(nóng)業(yè)地表徑流和未處理的生活污水直接進(jìn)入河流;C組以水庫(kù)為主，受人為干擾較嚴(yán)重;D組為村鎮(zhèn)區(qū)，受人為干擾最為嚴(yán)重。

圖1 古夫河地理位置及其采樣點(diǎn)分布圖Fig．1 Study area and sampling points distribution

表1 采樣點(diǎn)的土地利用類型Table1 Land use types of all sampling sites

采用Wilks'λ判別分析法分析聚類結(jié)果，對(duì)表征組間空間顯著性差異的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)一步驗(yàn)證和識(shí)別，得到統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果(表2)、結(jié)構(gòu)矩陣(表3)和分類函數(shù)系數(shù)矩陣(表4)。從表2中可以看出3個(gè)判別函數(shù)基本上解釋了所有水質(zhì)指標(biāo)，Wilks'λ和卡方系數(shù)分別為0.002—0.287和16.245—79.219。判別函數(shù)1和2的顯著性檢驗(yàn)值均小于0.01，表明空間分類有效。判別函數(shù)3的顯著性檢驗(yàn)值大于0.01，進(jìn)一步表明判別函數(shù)1和2的有效性。

表2 空間尺度判別分析統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Table2 Eigenvalue，Wilks'lambda and Chi-Sqr．Test of spatial DA

從判別函數(shù)的結(jié)構(gòu)矩陣(表3)及分類函數(shù)系數(shù)(表4)可以看出，判別函數(shù)由6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)構(gòu)建，即TP、SiO2、EC、COD、T-Hard、T-Alk。這6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)可用來(lái)識(shí)別A組、B組、C組和D組4個(gè)河段，它們的空間差異性及變化規(guī)律見(jiàn)圖2。TP的最大平均值出現(xiàn)在C組中，其次是D組，顯著高于組間不存在顯著性的A、B組。COD的最大平均值出現(xiàn)在D組中，顯著高于組間不存在顯著性的A、B、C組。EC最大平均值出現(xiàn)在B組中，最小平均值出現(xiàn)在A組中，表現(xiàn)出組間顯著性差異。T-Hard和T-Alk在四組中的濃度高低順序是B組＞A組＞C組＞D組，表現(xiàn)出顯著的組間差異。SiO2的最小平均值出現(xiàn)在D組中，顯著低于組間不存在顯著性差異的A、B、C組(圖2)。從以上6個(gè)指標(biāo)的分析中可以看出，C、D兩個(gè)區(qū)域中，TP、COD相對(duì)于其他區(qū)域偏高，造成這一結(jié)果的可能原因是這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)土地利用類型多樣(林地、水庫(kù)、村鎮(zhèn)、耕地以及工礦企業(yè))，受到自然、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活污水等多因素的影響。SiO2主要與河道風(fēng)化過(guò)程的輸送有關(guān)［17］，其平均值為2.33 mg/L，與李鳳清等［18］2000—2006年對(duì)香溪河流域(古夫河)水環(huán)境因子監(jiān)測(cè)(SiO2濃度為2.64—5.90 mg/L)相比，硅的輸送量有所降低，可能與水利工程建設(shè)、污水排放等人類活動(dòng)有關(guān)［19］。

表3 結(jié)構(gòu)矩陣Table3 Structure matrix

表4 空間尺度判別分析的分類函數(shù)系數(shù)Table4 Classification function coefficients of spatial DA

2.2 不同空間類別上時(shí)間尺度水質(zhì)特征分異性分析

由于三峽庫(kù)區(qū)年降雨量的81.09%集中分布在5—10月［20-21］。據(jù)此，本文將該區(qū)的5—10月劃分為濕季，其余月份歸為干季。水質(zhì)參數(shù)的時(shí)間變化通過(guò)季節(jié)參數(shù)相關(guān)矩陣進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)單因素方差分析(One-Way ANOVA)，除了 TP、EC、T-Hard、T-Alk 以外，TN、COD、DO、SiO2和 TOC 與季節(jié)存在顯著的相關(guān)性(P＜0.05)。這些顯著性指標(biāo)中，COD具有最大的相關(guān)系數(shù)(Spearman's R=-0.866)，其次是DO(R=0.793)，SiO2(R=-0.736)，TOC(R=0.546)以及TN(R=-0.450)。與季節(jié)相關(guān)的參數(shù)可以被視為引起水質(zhì)時(shí)間變化的主要指標(biāo)。

光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)[1]，其原理是半導(dǎo)體和金屬相連接的部位在受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的電壓，將光能轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電的核心是光伏電池，隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，光伏電池已生產(chǎn)早實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，制造成本也隨之降低。光伏發(fā)電時(shí)為了最大效率的轉(zhuǎn)化光能，需要用一定量光伏電池排成陣列，并跟蹤其最大功率點(diǎn)，更高效率的利用儲(chǔ)存電能。

圖2 6個(gè)顯著性水質(zhì)指標(biāo)的空間差異性Fig．2 Spatial variations of six water quality indexes

在不同空間類別上，隨著季節(jié)的變化，TP，TN，COD，SiO2均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)(圖3)。TP在A和B組中變幅較大，在C和D組中變幅較小。A組(森林)中，可能由于枯枝落葉的輸入給河流提供一定的有機(jī)質(zhì)，在一定程度上促進(jìn)對(duì)可溶解性磷的吸收，使得TP有所下降;B組(耕地)在干季，耕地中進(jìn)行的農(nóng)業(yè)活動(dòng)將造成土壤中磷增加，沒(méi)有被作物吸收的磷吸附在土壤表面，在濕季的大量降雨過(guò)程中，磷隨土壤顆粒一起進(jìn)入河流，使其TP的變幅大。TN在A組中變幅大，在其他組中變幅小。A組中，由于地勢(shì)陡峭，高低懸殊，在濕季的強(qiáng)降雨過(guò)程中，對(duì)河道底質(zhì)的沖刷劇烈使得氮含量增加。另外，濕季，樹(shù)木茂盛，水面接受的光照強(qiáng)度下降，水體中初級(jí)生產(chǎn)力和養(yǎng)分需求均下降［22］，使得氮增加。有研究發(fā)現(xiàn)［23-24］，在農(nóng)業(yè)區(qū)的溪流水質(zhì)的季節(jié)變化差異大于森林地區(qū)，而本研究中的結(jié)論為兩者的差異不大。COD和SiO2在各組中的變幅均較大，而D組(村鎮(zhèn))變幅最大。濕季，有機(jī)生活污水隨降雨形成雨水徑流進(jìn)入河流，使得河流中COD濃度增加［25］;大量降雨導(dǎo)致水土流失，水體含沙量增加將造成SiO2增加［26］。也有研究表明，水中SiO2與降雨量和流量成正相關(guān)［27］，本次研究結(jié)果與之相符。氣溫是DO季節(jié)變化的主要因素(圖3)，溫度越高，水體中氧氣更容易飽和［28］。EC，THard和T-Alk均表現(xiàn)為A組和B組濕季大于干季，而C組和D組干季大于濕季(圖3)。有研究［29］表明，溪流中EC與T-Hard、T-Alk以及溶解性鹽類有明顯的相關(guān)性，與本次研究結(jié)果一致。EC在各組中的變幅均較大。在C組(水庫(kù)為主)，由于大量降水對(duì)離子的稀釋，而致使EC降低;D組中，干季河流水量少，而干擾并沒(méi)有降低，致使干季大于濕季。濕季，A組中森林溪流地勢(shì)復(fù)雜，降雨對(duì)河流底質(zhì)的擾動(dòng)大，底質(zhì)中的溶解性鹽類進(jìn)入水中;而B(niǎo)組中，隨著濕季的到來(lái)，剛經(jīng)過(guò)農(nóng)業(yè)活動(dòng)的疏松土壤及其攜帶的溶解性鹽類易隨降雨進(jìn)入河流，使得離子濃度增加。T-Hard和T-Alk在C、D組中變幅大，A、B組中變化不明顯。T-Hard和T-Alk與礦化度成正相關(guān)，枯水期礦化度大主要是與雨量稀少、氣候干燥、蒸發(fā)劇烈，氣溫日差大有關(guān)［30］。隨著季節(jié)的變化，在A組中TOC呈下降趨勢(shì)，而在其他組中呈上升趨勢(shì)，且各組中的變化幅度較大(圖3)。在A組中，受人為干擾小，且地勢(shì)較為陡峭，濕季雨水充沛，易對(duì)河床底質(zhì)沖刷，使得土壤中的有機(jī)物及其枯枝落葉中的有機(jī)物進(jìn)入到水中，濕季大于干季。B、C、D組中呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。濕季降雨使得水體中懸浮物增加而造成水的透光性減弱，抑制浮游植物的生長(zhǎng)，使得水體中的自生有機(jī)碳降低，同時(shí)較大的水流也稀釋了水中的自生有機(jī)碳。另外，外源顆粒物(如地表徑流侵蝕沖刷)中的有機(jī)碳含量比河流生物量的有機(jī)碳低。

圖3 不同空間類別上水質(zhì)的季節(jié)變化Fig．3 The seasonal variations of water quality at different spatial types

2.3 水質(zhì)時(shí)空分異特征的影響因子識(shí)別

為進(jìn)一步探究不同空間類別上干、濕季節(jié)引起河流水質(zhì)變化的水質(zhì)指標(biāo)，本文按照特征值大于1的原則［14，31］，對(duì)不同空間類別上干濕季節(jié)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表5)，結(jié)果表明，A組中濕季提取的3個(gè)主成分累計(jì)頻率為90.46%，干季提取的4個(gè)主成分累計(jì)頻率為100%;B組中濕季提取的3個(gè)主成分累計(jì)頻率為93.02%，干季2個(gè)主成分的累計(jì)頻率為86.73%;C組中濕季和干季提取的3個(gè)主成分累計(jì)頻率分別為89.56%和92.48%;D組中濕季和干季提取的4個(gè)主成分累計(jì)頻率分別為93.25%和100%。以上的累積頻率均超過(guò)85%，基本包含了9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的全部信息。

對(duì)于A組，①濕季中，與第1主成分(方差貢獻(xiàn)率為38.99%)密切相關(guān)的是TOC、SiO2和EC，代表水體中含有機(jī)物、硅和離子水平，與第2主成分(占27.57%)密切相關(guān)的是TN、COD和T-Hard，代表水體中的含氮、有機(jī)物和堿度水平，與第3主成分(占23.89%)相關(guān)的是T-Alk和TP，代表水中含磷和堿度水平。總體來(lái)說(shuō)，A組中的濕季，SiO2和TOC是影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，其次是TN、COD、T-Hard、T-Alk和TP。②干季中，與第1主成分(方差貢獻(xiàn)率為37.23%)密切相關(guān)的是TOC、SiO2、TP和COD，代表水體中含磷、硅和有機(jī)物水平;與第2主成分(占26.19%)密切相關(guān)的是TN和EC，代表水體中的含氮和離子水平;與第3主成分(占22.81%)相關(guān)的是T-Hard和T-Alk，代表水中含硬度和堿度水平;與第4主成分(占13.76%)相關(guān)的是DO，代表水體自凈能力。表明A組在干季中，TP、SiO2、TOC和COD是影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，其次是TN、T-Hard和 T-Alk。

A組所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?qū)儆谏褶r(nóng)架林區(qū)，人為干擾小，濕季氮、磷主要來(lái)自地表徑流。在干季，氮、磷亦占較大的比重。磷可能與該區(qū)地質(zhì)成因磷有關(guān)，氮也可能與河流本身的“地質(zhì)氮”(基巖中NO-3-N)有關(guān)［32］。TOC 代表水中的有機(jī)物含量，可能與該地植被覆蓋率高、進(jìn)入水體中的枯枝落葉豐富有關(guān)［33］。該河段基本未受到污染，T-Hard和T-Alk表明河流水質(zhì)主要由礦物質(zhì)組成，符合山區(qū)河流水質(zhì)特性［34］。

表5 不同空間上不同季節(jié)的9個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的最大方差旋轉(zhuǎn)主成分分析結(jié)果Table5 Principal component analysis result of 9 measured variables on VARIMAX rotated factors at different seasons in different spatial types

對(duì)于B組，①濕季中，與第1主成分(方差貢獻(xiàn)率為36.99%)密切相關(guān)的是DO、T-Hard和TOC，代表水體中含氧、硬度和水平，與第2主成分(占33.48%)密切相關(guān)的是T-Hard、EC、T-Alk、TP和COD，代表水體中的含離子、堿度、磷和有機(jī)物水平，與第3主成分(占22.54%)相關(guān)的是TN和SiO2，代表水中含氮和硅水平?？傮w來(lái)說(shuō)，B組中的濕季，T-Hard和TOC是影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，其次是T-Alk、TP、COD、TN和SiO2。②干季中，與第1主成分(方差貢獻(xiàn)率為49.09%)密切相關(guān)的是TP、COD、T-Hard和T-Alk，代表水體中含磷、有機(jī)物、硬度和堿度水平;與第2主成分(占37.65%)密切相關(guān)的是EC、TN和TOC，代表水體中的含離子、氮和有機(jī)物水平。表明B組中干季，TP、COD、SiO2和TOC是影響水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，其次是TN和TOC。

B組對(duì)應(yīng)的區(qū)域，主要是耕地、林地和村鎮(zhèn)居民，濕季氮、磷污染主要來(lái)自農(nóng)業(yè)徑流、地表徑流以及未經(jīng)處理的生活污水;干季，氮和磷主要來(lái)自未經(jīng)處理的生活污水，該季節(jié)河流中水量相對(duì)少，污水進(jìn)入河流不能迅速被稀釋和凈化，致使氮、磷含量偏高。TOC和COD代表的有機(jī)污染主要是來(lái)自未經(jīng)處理的生活污水和耕地徑流。EC代表水中離子濃度，與水中堿度、硬度和溶解性鹽有關(guān)［29］。

對(duì)于C組，①濕季中，與第1主成分(方差貢獻(xiàn)率為35.26%)密切相關(guān)的是SiO2、TN和TP，代表水體中含硅、氮和磷水平，與第2主成分(占31.16%)密切相關(guān)的是COD、EC、T-Alk和T-Hard，代表水體中的含有機(jī)物、離子、堿度和硬度水平，與第3主成分(占23.15%)相關(guān)的是DO和TOC，代表水中含氧和有機(jī)物水平?？傮w來(lái)說(shuō)，C組中的濕季，SiO2、TN和TP是影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，其次是含COD、EC、T-Alk和THard。②干季中，與第1主成分(方差貢獻(xiàn)率為35.58%)密切相關(guān)的是TN、TOC、EC和SiO2，代表水體中含氮、有機(jī)物、離子和硅水平;與第2主成分(占31.72%)密切相關(guān)的是DO、T-Hard和T-Alk，代表水體中的含氧、硬度和堿度水平;與第3主成分(占25.18%)相關(guān)的是TP和COD，代表水中含磷和有機(jī)物水平。C組在干季，TN、TOC和SiO2是影響水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，其次是T-Alk、T-Hard、TP和COD。

C組對(duì)應(yīng)的區(qū)域，土地利用類型多樣，包括有水庫(kù)、耕地、村鎮(zhèn)和林地。水土流失、農(nóng)業(yè)徑流、地表徑流以及未經(jīng)處理的生活污水?dāng)y帶更多的氮、磷顆粒進(jìn)入水庫(kù)，致使水中氮、磷的含量高，這些離子進(jìn)入水庫(kù)，也會(huì)使水中EC增加。在干季該區(qū)水質(zhì)也受到氮、磷的影響，可能是由于水庫(kù)中藻類死亡分解導(dǎo)致水體中溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽增加［35］。對(duì)于采樣點(diǎn)GF18位于水庫(kù)下方，水質(zhì)經(jīng)過(guò)水庫(kù)的混合后，水質(zhì)并沒(méi)有好轉(zhuǎn)。該點(diǎn)的左、右兩側(cè)皆是柑橘林。河流氮、磷主要來(lái)自柑橘林地、裸露坡地的徑流攜帶大量含氮、磷的泥沙，與王曉燕等［36］的研究相一致。干濕季節(jié)，水庫(kù)型河段均與SiO2有密切聯(lián)系，進(jìn)一步說(shuō)明，電站建設(shè)、水庫(kù)蓄水會(huì)影響到水中的二氧化硅的通量［19］。TOC一方面受到水庫(kù)截留，另一方面庫(kù)區(qū)浮游植物光合作用較強(qiáng)，對(duì)有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)大大增加［37］。

對(duì)于D組，①濕季中，與第1主成分(方差貢獻(xiàn)率為29.56%)密切相關(guān)的是SiO2和TN，代表水體中含硅和氮水平，與第2主成分(占23.22%)密切相關(guān)的是T-Hard、TP和EC，代表水體中的含硬度、磷和離子水平，與第3主成分(占21.24%)相關(guān)的是TOC和T-Alk，代表水中含有機(jī)物和堿度水平。與第4主成分(占19.23%)相關(guān)的是DO和COD，代表水體含有機(jī)物和氧水平?？傮w來(lái)說(shuō)，D組中的濕季，SiO2、TN、TP是影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，其次是T-Hard、T-Alk、TOC和COD。②干季中，與第1主成分(方差貢獻(xiàn)率為28.62%)密切相關(guān)的是DO、T-Alk和EC，代表水體中含氧、堿度和離子水平;與第2主成分(占27.93%)密切相關(guān)的是TN和TOC，代表水體中的含氮和有機(jī)物水平;與第3主成分(占23.52%)相關(guān)的是COD，代表水中含有機(jī)物水平;與第4主成分(占19.94%)相關(guān)的是TP和T-Hard，代表水體含磷和硬度水平。表明D組在干季中，T-Alk、T-Hard、TN和TOC是影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，其次是COD和TP。

D組所在區(qū)域經(jīng)過(guò)村鎮(zhèn)、工礦企業(yè)、耕地，土地受到嚴(yán)重的干擾，主要表現(xiàn)在部分耕地變成建筑用地和裸地。該組中氮、磷主要來(lái)自村鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的地表徑流以及其他生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生污水直接進(jìn)入河流。EC主要是由于村鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的輸入，水質(zhì)的離子濃度增加所致。COD和TOC代表的有機(jī)污染主要來(lái)自村鎮(zhèn)產(chǎn)生的生活污水、農(nóng)業(yè)徑流和工業(yè)廢水［38］。另外，TOC還可能來(lái)源于上游庫(kù)區(qū)初級(jí)生產(chǎn)積累的有機(jī)碳隨水流下泄到下游河段［39］。

綜上所述，不同空間類別上不同季節(jié)的河流水質(zhì)時(shí)空分異特征的影響因子主要為以下4種類型:營(yíng)養(yǎng)鹽(TN和TP)、一般可溶性鹽(T-Hard、T-Alk、EC和SiO2)、物理參數(shù)(DO)和有機(jī)物(TOC和COD)。其中，營(yíng)養(yǎng)鹽以及以T-Hard、T-Alk為代表的一般可溶性鹽類是影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子。氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)自自然(地表徑流、水土流失、植被、風(fēng)化作用和地質(zhì)成因等)和人為(農(nóng)業(yè)徑流、生活污水排放等)因素的點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染。一般溶解性鹽類的T-Hard、T-Alk、EC和SiO2(可溶性硅)，代表水中的離子水平。由于該區(qū)為石灰?guī)r地質(zhì)［18］，河流水體的T-Hard和T-Alk普遍偏高，T-Hard的變化范圍為1.59—2.36mmol/L，T-Alk的變化范圍為144.15—196.76mg/L，河流EC表征河流水體中溶解鹽的含量，主要表現(xiàn)為與水體中的T-Hard和T-Alk相關(guān)，在人類活動(dòng)較頻繁的D、C、B組，還受農(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活污水排放等人為因素影響，如土地利用［40］、水電開(kāi)發(fā)［41］等。SiO2主要與河道風(fēng)化過(guò)程的輸送有關(guān)，也受到電站建設(shè)、污水排放等人為活動(dòng)影響［19］。DO僅與河流本身有關(guān)，DO變化范圍為8.6—10.9 mg/L，均達(dá)到飽和狀態(tài)，說(shuō)明河流具有強(qiáng)的自凈能力。TOC和COD代表水中的有機(jī)物水平，TOC主要源于外源即地表徑流的侵蝕沖刷和內(nèi)源即河流水生植物的生長(zhǎng)而增加的有機(jī)碳。COD來(lái)自有機(jī)生活廢水、農(nóng)業(yè)徑流以及工業(yè)廢水。

3 結(jié)論與研究展望

本文運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法研究了古夫河河流水質(zhì)時(shí)空分異特征。

(1)根據(jù)土地利用類型差異將空間采樣點(diǎn)分成A、B、C和D組，按照該區(qū)域的水文節(jié)律將采樣時(shí)間分為干季和濕季。

(2)通過(guò)空間判別分析和顯著性檢驗(yàn)得出，古夫河河流水質(zhì)指標(biāo)TP、SiO2、EC、COD、T-Hard和T-Alk具有空間顯著性差異。通過(guò)單因素方差分析，TN、COD、DO、SiO2和TOC與季節(jié)存在顯著的相關(guān)性，且所有水質(zhì)指標(biāo)在不同空間類別上呈現(xiàn)出季節(jié)的顯著變化。

(3)對(duì)不同空間類別上的干濕季節(jié)進(jìn)行主成分分析表明 ①A組中，SiO2、TP、TOC和COD是引起水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，該組主要來(lái)自自然因素的影響，如地表徑流、地質(zhì)成因以及風(fēng)化作用。② B組中，TP、THard、COD、T-Alk、TOC和TN是引起水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，該組除了受自然因素的影響，還受人為因素影響，如農(nóng)業(yè)徑流、未處理的生活污水排放。③ C組中，TN、TP、SiO2、TOC和EC是引起水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，主要與農(nóng)業(yè)徑流、地表徑流以及未經(jīng)處理的生活污水有關(guān)，這些污水?dāng)y帶氮、磷顆粒進(jìn)入水庫(kù)，致使水中氮、磷等溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽的含量高，進(jìn)而使水中EC增加。水庫(kù)中藻類死亡分解也可能導(dǎo)致水體中溶解性營(yíng)養(yǎng)鹽增加。④D組中，TN、TP、SiO2、T-Alk、T-Hard和TOC是影響水質(zhì)變化的主導(dǎo)因子，主要來(lái)自村鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的地表徑流以及其他活動(dòng)產(chǎn)生的污水直接進(jìn)入河流。從分析結(jié)果可以看出，古夫河河流水質(zhì)受自然和人類因素的影響而發(fā)生了變化，綜合來(lái)看，下游變化更大，受人為干擾的影響更甚。

此次研究在空間尺度上設(shè)立了多個(gè)定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在時(shí)間尺度上對(duì)古夫河水質(zhì)進(jìn)行了為期一年的月監(jiān)測(cè)，對(duì)河流水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，初步探討了古夫河水質(zhì)時(shí)空分異特征，研究結(jié)果表明河流表現(xiàn)出季節(jié)性和區(qū)域性動(dòng)態(tài)變化特征。但是，本文僅局限在對(duì)古夫河年內(nèi)時(shí)空分異特征進(jìn)行研究。水質(zhì)受多方面的自然因素和人為因素的影響而處于不斷的時(shí)空變化中，具有復(fù)雜性和不確定性，如果能跟蹤獲得2—3a以上的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間序列分析，則更能準(zhǔn)確把握水質(zhì)的時(shí)空變化特征，為水資源的管理決策者提供更為科學(xué)可靠的結(jié)論。因此，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)古夫河河流水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的追蹤研究顯得尤為迫切。

致謝:中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所李鳳清博士、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)李建峰、潘曉穎、姚敏敏、田幸、谷金普、唐佳、曾露、王自業(yè)等參加采樣，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)程丹丹博士幫助寫作，特此致謝。

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