劉英 劉峰 李勇志

摘要[目的]研究西充縣河流水質(zhì)空間特征及影響因素。[方法]通過對西充縣河流斷面的水質(zhì)調(diào)查與評價，采用聚類分析法和判別分析法，分析了河流水質(zhì)的空間分布特征，進而結(jié)合河流周圍用地類型和人為活動探討了其影響因素。[結(jié)果]受農(nóng)村面源污染與城鎮(zhèn)污染的綜合影響，河流TN普遍偏高，平均值達Ⅴ類水質(zhì)標準；內(nèi)梅羅指數(shù)為0.94～1.91，河流水質(zhì)污染情況不容樂觀。聚類分析可將各斷面劃分為兩組，相對第Ⅰ組而言，第Ⅱ組具有較高的CODCr（P<0.01）和較低的TN（P<0.05），其他指標無顯著性差異。第Ⅱ組各斷面因距離縣城、場鎮(zhèn)或村莊較近，受到較強的城鎮(zhèn)污染，CODCr明顯高于第Ⅰ組。同時，第Ⅱ組各斷面相對處于對應(yīng)河流上游，農(nóng)村面源污染負荷較低，而第Ⅰ組除位于對應(yīng)河流相對下游外，且多緊鄰稻田，農(nóng)村面源污染負荷較高，因而第Ⅰ組TN明顯高于第Ⅱ組。[結(jié)論]表征西充縣河流水質(zhì)空間差異顯著性水質(zhì)指標為CODCr與TN，這種差異與斷面所處不同位置時受到農(nóng)村面源污染與城鎮(zhèn)污染程度的不同有關(guān)。

關(guān)鍵詞河流水質(zhì)；聚類分析；空間分布特征；影響因素

中圖分類號S181.3；X131；Q178文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）28-231-03

Spatial Distribution Features and Influencing Factors of Water Quality in Rivers of Xichong County

LIU Ying1， LIU Feng2*， LI Yongzhi3

（1. Chongqing Municipal & Environmental Sanitation Monitoring Department， Chongqing 401121； 2. College of Resources and Environment， Southwest University， Chongqing 400715； 3. Key Laboratory of Reservoir Aquatic Environment， Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology， Chinese Academy of Sciences， Chongqing 400714 ）

Abstract[Objective] To study spatial distribution features and influencing factors of water quality in rivers of Xichong County. [Method] Based on survey and water quality assessment of river sections in Xichong County， cluster analysis （CA） and discriminant analysis （DA） were employed to analyze the spatial distribution characters of water quality in rivers. Combining with ambient land use types and human activities， its related impact factors were also discussed. [Result] The results show that most river sections had high TN， and the mean TN reached grade V of the environmental quality standards for surface water （Chinese National Standard） . Nemerow index of the river sections varied from 0.94 to 1.91. The above results indicate that river water pollution was serious. All the river sections could be divided into 2 groups by CA. Compared to group Ⅰ， group Ⅱ had relatively higher CODCr （P<0.01） and relatively lower TN （P<0.05）， while the other water quality indices showed no significant difference. Within or near the county， town or village， river sections in group Ⅱ faced higher town pollution， which resulted in higher CODCr， as compared to group Ⅰ. Besides， river sections in group Ⅱ also locate in relatively upper branches of the rivers， and faced low rural nonpoint source pollution； while river sections in group Ⅰ locate in relatively lower branches of the rivers and near the paddy， which faced high rural nonpoint source pollution. Thus may be the main reason that group Ⅰ had relatively higher TN than group Ⅱ. [Conclusion] The results indicate that CODCr and TN could well characterize the spatial heterogeneity of water quality for different river sections in Xichong County. Such heterogeneity is related to the different location for the river sections with different rural nonpoint source pollution and town pollution.

Key wordsRiver water quality； Cluster analysis； Spatial distribution feature； Influencing factor

隨著我國社會經(jīng)濟和城市化的快速發(fā)展，水環(huán)境污染已成為制約國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的限制性因素。河流水質(zhì)空間分布特征及其與流域特征之間的關(guān)系，成為當(dāng)前水環(huán)境研究的熱點[1-2]。三峽水庫首次蓄水成庫后即出現(xiàn)以富營養(yǎng)化和藻類水華暴發(fā)為代表的水環(huán)境問題，引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注[3]。三峽庫區(qū)及其上游流域是我國水污染防治重點流域，西充縣處于三峽庫區(qū)上游區(qū)，其水污染防治對自身的社會經(jīng)濟發(fā)展與三峽水庫水環(huán)境安全都有著極其重要的作用。近年來，在西充縣河流水質(zhì)評價和污染源分析方面開展了一定的研究，表明西充河（西充縣境內(nèi)）主要污染為農(nóng)村面源污染，主要來源于化肥、農(nóng)村居民生活污水和散養(yǎng)畜禽，占污染負荷的83.3%[4]，主要污染物為TN[5]，虹溪河水體的污染狀況比龍灘河嚴重[6]。但河流水質(zhì)在空間分布上是否存在顯著性差異，表征該顯著性差異的水質(zhì)指標及影響因素并不明確。筆者以西充縣5條河流為研究對象，選取6項水質(zhì)指標，采用聚類分析和判別分析法，探討河流水質(zhì)空間分布特征及影響因素，以期為西充縣深入推進水環(huán)境保護與綜合治理提供參考依據(jù)，并豐富三峽庫區(qū)上游水體水質(zhì)的研究內(nèi)容。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

西充縣位于四川盆地中偏北部（105°36′ ～106°4′ E，30°52′ ～31°15′ N），地處嘉陵江、涪江脊骨地帶，屬淺丘地貌，溝谷縱橫，丘陵密布。海拔高度282～569 m，地勢西北高、東南低。面積1 108 km2，轄6區(qū)、47鄉(xiāng)鎮(zhèn)，603村。2010年西充縣總?cè)丝?5.9萬，其中農(nóng)業(yè)人口53.1萬，非農(nóng)業(yè)人口12.8萬，是四川省人口密集、經(jīng)濟欠發(fā)達的縣之一。全縣流域面積在100 km2以上河流有6條，均屬嘉陵江水系，發(fā)源于南部縣伏虎的寶馬河最大，全長41.6 km，向西注入涪江。西充屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫17.2 ℃，年均降水量970 mm，降雨大部分集中在7～9月。

1.2樣品采集與分析

根據(jù)西充縣1∶10 000地形圖和前期實地考察情況，于2010年9月對西充縣寶馬河、李家河、盧溪河（岱林段）、虹溪河和龍灘河共5條河流11個位點的水質(zhì)進行了調(diào)查（表1）。取樣點駁岸均為土質(zhì)，各采樣點空間分布見圖1。

按《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 91-2002）采集水樣，于0～4 ℃下保存，8 h內(nèi)測定總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3N）、化學(xué)需氧量（CODCr）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）共6項指標。TN測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894-89）；TP測定采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）；NH3N測定采用水楊酸分光光度法（HJ 536-2009）；CODCr測定采用重鉻酸鹽法（GB 11914-89）；CODMn測定采用酸性法（GB 11892-89）；BOD5測定采用稀釋與接種法（HJ 5052009）。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用SPSS16.0進行正態(tài)分布檢驗、t檢驗與方差分析，比較不同區(qū)域河流水質(zhì)差異的顯著性。采用聚

類分析（Cluster Analysis，CA）和判別分析（Discriminant Analysis，DA），對不同河流斷面進行空間差異性分析[7]；CA分析采用歐氏距離法，DA分析采用逐步判別分析法；對不符合正態(tài)分布的水質(zhì)指標，進行x′=lgx對數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.4水質(zhì)評價標準及方法

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法（Nemerow index method）計算各水樣的內(nèi)梅羅指數(shù)，其計算公式為[8]29：

I=（MaxIi）2+（AveIi）22

AveIi=1nni=1CiCoi

式中，I為內(nèi)梅羅指數(shù)；i為評價指標；MaxIi為各單因子水質(zhì)指數(shù)中最大值；AveIi為各單因子水質(zhì)指數(shù)的平均值；Ci為評價指標i的實測值，mg/L；Coi為評價指標i的標準值，取《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類水質(zhì)標準；n為評價指標數(shù)量。I>1，說明水質(zhì)不能滿足評價標準要求；I=1，說明水質(zhì)處于臨界狀態(tài)；I<1，說明水質(zhì)較評價標準的要求為好[8]29；I越大，水體綜合質(zhì)量越差。

2結(jié)果與分析

2.1水質(zhì)評價

從6項指標的平均值來看（表2），CODCr、BOD5、NH3N、TP平均值均達到或優(yōu)于Ⅱ類水質(zhì)標準，CODMn略高于Ⅱ類水質(zhì)標準限值，TN平均值達到Ⅴ類水質(zhì)標準。從各斷面單指標評價結(jié)果來看（表3），高達10處的TN超標，且有8處為Ⅴ類水質(zhì)。CODCr和BOD5以LJH斷面最高，分別達到Ⅲ類和Ⅳ類水質(zhì)標準；LTH1斷面與HXH斷面的CODCr較高，分別為14.6和14.3 mg/L，均接近Ⅱ類水質(zhì)標準限值。根據(jù)水樣采集時對斷面周邊50戶農(nóng)戶的調(diào)查數(shù)據(jù)（表4），水稻、小麥、玉米等主要作物絕大多數(shù)均以施用氮磷肥為主，鉀肥施用極少或不施用。鉀不足使得氮相對過剩，增加了氮素流失的風(fēng)險，這可能是TN普遍偏高的主要原因。不過，隨著2010年開始測土配方施肥的廣泛開展，目前西充縣測土配方施肥已達80%以上[9]，氮、磷流失會得到較好的控制。

從內(nèi)梅羅指數(shù)來看（表5），僅LJH斷面略低于1，其他斷面均高于1，且BMH2斷面接近于2，水質(zhì)污染情況不容樂觀。各河流總體上表現(xiàn)為下游斷面內(nèi)梅羅指數(shù)高于上游斷面，表明下游水質(zhì)污染有加重的趨勢。

2.2河流水質(zhì)空間異質(zhì)性分析

2.2.1 空間相似性分析。

上述分析從總體上明確了差異較大的樣本，為進一步獲得各樣本的空間相似性與差異性，分別采用聚類分析和判別分析法進行分析。以峰度和偏度對各水質(zhì)指標進行正態(tài)分布檢驗，經(jīng)檢驗CODCr、CODMn、BOD5、TN和TP指標均符合正態(tài)分布，NH3N經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后也接近正態(tài)分布。

由圖2可知，西充縣河流斷面按空間相似性可分為2組。寶馬河各斷面均屬于第Ⅰ組，其余河流斷面屬于該組的都距離縣城、場鎮(zhèn)或村莊較遠，受城鎮(zhèn)污染的影響相對較小。盡管各組都受到農(nóng)村面源污染的影響，但第Ⅱ組河流斷面因處于縣城內(nèi)或距離場鎮(zhèn)、村莊很近，從而易受到強烈的城鎮(zhèn)

污染。

2.2.2空間差異性分析。

為進一步驗證聚類分析結(jié)果，并檢驗組間各水質(zhì)指標的差異顯著性，采用逐步判別分析法分

析各分組間的差異性。統(tǒng)計檢驗結(jié)果表明，判別函數(shù)的顯著性檢驗值（0.001）小于0.05，表明聚類分析結(jié)果有效。其中，組平均值的同等檢驗中，CODCr達到極顯著水平（P<0.01），TN達到顯著水平（P<0.05）。從CODCr來看，LJH斷面CODCr超過了15.0 mg/L，達16.2 mg/L，LTH1與HXH斷面均高于14.0 mg/L，其他斷面均低于12.5 mg/L。從TN來看，第Ⅱ組斷面均低于1.60 mg/L，而其他斷面均高于1.60 mg/L，且大多超過2.00 mg/L。

結(jié)合采樣點周邊情況（表1），LJH斷面CODCr和BOD5最高（表3），主要由于該斷面距離李橋鄉(xiāng)場鎮(zhèn)較近（場鎮(zhèn)下游約1.5 km處），除受到農(nóng)村面源污染外，還受到強烈的城鎮(zhèn)生活污染與屠宰場廢水污染。根據(jù)2008年污染源調(diào)查數(shù)據(jù)，李橋鄉(xiāng)屠宰場廢水排放量約為515 t/a。盡管LTH1距離場鎮(zhèn)較遠，但周邊有花炮廠與村莊，CODCr和BOD5也相對較高。HXH斷面則位于縣城城郊，污染源較為復(fù)雜，其CODCr較高可能與城鎮(zhèn)地表徑流有關(guān)[10]。

由圖3可知，CODCr和TN組間存在明顯差異，其他指標盡管差異未達顯著水平，但變化趨勢仍較為明顯。從第Ⅰ組

到第Ⅱ組，CODCr、CODMn、BOD5、NH3N和TP均呈增加趨勢，這與前文分析結(jié)果一致。第Ⅱ組TN顯著低于第Ⅰ組，可能主要與兩方面的因素有關(guān)。一是空間分布上，第Ⅱ組斷面均處于各河流相對上游位置（圖1），農(nóng)村面源污染較輕；二是周邊用地上，第Ⅰ組斷面多臨稻田（表1），易直接受到周邊農(nóng)田的影響。

3結(jié)論

（1）在研究時間段內(nèi)，西充縣河流水質(zhì)污染情況不容樂觀。普遍表現(xiàn)為TN偏高，其他指標均以Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類為主，內(nèi)梅羅指數(shù)多大于1。

（2）各斷面根據(jù)相似性可劃分為2組，且表征該區(qū)域河流空間差異性的顯著水質(zhì)指標為CODCr和TN。影響因素分析表明，水質(zhì)污染是農(nóng)村面源污染與城鎮(zhèn)污染綜合作用的結(jié)果，表現(xiàn)為下游水質(zhì)較上游差，且城鎮(zhèn)污染對近城鎮(zhèn)下游水質(zhì)產(chǎn)生了明顯的影響。

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