王世強，趙增鋒，邱小琮，歐陽虹，吳岳玲

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學生命科學學院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】伴隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源的過度開采與水環(huán)境污染程度加重成為我國當前水危機中最嚴重、最緊迫的問題[1]。針對國內(nèi)水資源開發(fā)利用及水環(huán)境污染現(xiàn)狀，關于水量-水質(zhì)的水資源調(diào)配與管理的研究成為科研的熱點領域，某一區(qū)域或者流域的水質(zhì)是否達標成為該地區(qū)經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展以及水資源優(yōu)化配置與管理的關鍵。在水文循環(huán)中，水質(zhì)受地質(zhì)、氣候等自然因素及人為因素影響，往往表現(xiàn)出季節(jié)性、區(qū)域性差異[2-4]，在治理水環(huán)境過程中應加以重點考慮，因此關于水環(huán)境因子空間特點及季節(jié)性變化特征的研究顯得尤為重要。【前人研究進展】目前國內(nèi)外常用的研究方法有聚類分析[5]、主成分分析[6]、方差分析[7]、時間序列檢驗法[8]等方法。清水河地處寧夏干旱半干旱地區(qū)中南部，屬于典型季節(jié)性河流，河道年均徑流量很小，水生態(tài)環(huán)境十分脆弱[9]。有關學者針對清水河水質(zhì)研究主要是健康評價及預警方面[10-12]，有關清水河流域的水環(huán)境空間分布及變化研究鮮見報道。水環(huán)境易受當?shù)赝恋乩妙愋?、氣候因素影響，具有一定的時空特點，水資源配置過程除考慮水質(zhì)的優(yōu)劣，也要考慮水質(zhì)的空間分布以及動態(tài)變化情況，開展有關清水河流域的水質(zhì)空分布及季節(jié)性變化研究，對于水質(zhì)評價動態(tài)變化和水資源配置具有意義重大。【本研究切入點】本文基于野外實地采集水樣測定的水質(zhì)指標，從清水河水質(zhì)空間分布及季節(jié)變化特征入手，結(jié)合流域地區(qū)特點及周邊存在的工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染源，采用聚類分析、主成分分析和灰色關聯(lián)法，探明清水河干流水質(zhì)特征情況?！緮M解決的關鍵問題】此研究以期為清水河流域的水資源管理配置及水環(huán)境治理、保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏清水河是黃河一級支流，發(fā)源于固原開城鄉(xiāng)，位于黃土高原的西北邊緣，地勢南高北低，主要流經(jīng)固原、海原、同心、中寧4市縣，最后匯入黃河，全長320 km，流域面積14 481 km2。清水河支流較多，但主要工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)在干流分布較密集。受氣候影響，清水河流域多年平均降水量僅335 mm，多年平均蒸發(fā)量1272 mm，流域地表水資源量少、水質(zhì)差，苦水分布廣、含鹽量高，干旱指數(shù)為3.8，主要補水依靠天然降雨，且降雨主要集中在7-10月，具有時空不均勻性[13-15]。根據(jù)2018年《寧夏回族自治區(qū)清水河“一河一檔”》對清水河水資源、水域岸線功能規(guī)劃現(xiàn)狀調(diào)查報告，清水河的干流段受工、農(nóng)業(yè)污染較大，河岸線沿線土地利用現(xiàn)狀(保護區(qū)段是指在該段限制人類密集活動及進行大量工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn))。由圖1可知，清水河干流源頭及入黃口處土地被劃分為保護區(qū)，表明該區(qū)域河段受人為生活干擾會較??；農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域覆蓋最廣，集中在中下游段，該區(qū)域河段受農(nóng)業(yè)影響較大；沿線的工業(yè)區(qū)主要集中在城鎮(zhèn)區(qū)域(固原市、海原縣、同心縣)，該區(qū)域河段受工業(yè)影響較大。

1.2 采樣點布設

根據(jù)清水河流域水系分布特點及干流各監(jiān)測控制斷面等級情況(三營、泉眼山入黃為國控斷面，其它為區(qū)控、縣控)，在清水河干流布設18個采樣點，基本覆蓋上、中、下游3段，于2018年平(4月)、豐(7月)、枯(11月)不同來水期野外采樣。

1.3 水樣采集與測定

按照《水質(zhì)采樣方案設計技術(shù)規(guī)定》(HJ 495-2009)要求，采用1 L采水器采集表層水下50 cm深處的水樣。若水深小于50 cm，則采集表層的水樣；若水深大于50 cm，則采集表層下50 cm與底層上50 cm混合水樣帶回實驗室測定。

表1 各采樣點編號及位置

根據(jù)孟祥儀[16]關于清水河水質(zhì)預警研究，并考慮到河岸帶附近工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水質(zhì)的主要影響作用，本次研究選取氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、水溶態(tài)氟化物(以F-計)及五日生化需氧量(BOD5)6個主要污染水質(zhì)指標測定分析。NH3-N采用納氏試劑分光光度(HJ535-2009)測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ632-2012)測定，TP采用鉬酸銨分光光度法(HJ670-2013)測定，CODMn采用高錳酸鉀法(GB11892-89)測定，BOD5采用稀釋與接種法(HJ505-2009)測定，F(xiàn)-采用HACH氟化物分析儀測定。

1.4 分析方法

采用層次聚類分析法[17]，以歐氏距離度量樣本間距離，按照樣本特征進行分類，同一類別具有一定相似性。依據(jù)聚類分析的原理，研究水質(zhì)空間分布

相似性特征。采用主成分分析法[18]，確定影響清水河干流水質(zhì)的主要水環(huán)境因子，結(jié)合聚類分析的結(jié)果分析空間上水環(huán)境因子的在各組中分布特征及出現(xiàn)這種情況的可能原因。基于聚類分析得出的水質(zhì)空間特征情況，把空間上分布特征相似的斷面進行分組，主成分分析法確定出主要水環(huán)境因子。應用灰色關聯(lián)法[19]，以河流的來水期：平水期，豐水期，枯水期為季節(jié)變化時期，分析空間上各組的水質(zhì)在不同來水期季節(jié)性變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣點空間聚類分析

根據(jù)2018年各來水期采集的水樣，以測定的NH3-N、TN、TP、CODMn、F-及BOD56個水質(zhì)指標平均值對18個采樣點進行空間聚類(圖3)。 根據(jù)聚類情況，以聚類距離進行重新標定，選取閾值為5，將本次研究的區(qū)域樣點在空間上分為G1[A1、A2、C4、C5、C6] 、G2[A3、A4、A5、A6] 、G3[B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2、C3] 3組，由聚類原理可得A1、A2、C4、C5、C6 5個斷面污染程度接近，A3、A4、A5、A6 4個斷面污染程度接近，B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2、C3 9個斷面污染程度接近。

表2 主成分分析及因子旋轉(zhuǎn)荷載矩陣

結(jié)合清水河流域自然地理特征和河岸帶沿線功能規(guī)劃現(xiàn)狀分析聚類可知，聚類結(jié)果與清水河河岸線沿線土地利用情況具有一定關聯(lián)性。G1組中各斷面主要分布在清水河源頭和泉眼山入黃口附近，水質(zhì)較好。源頭處人類活動較少，水環(huán)境受影響較小，且附近植被覆蓋度相對較高，起到一定的水源涵養(yǎng)作用。泉眼山入黃口斷面屬于國控斷面，根據(jù)《寧夏生態(tài)保護與建設“十三五”規(guī)劃》，泉眼山入黃口斷面附近的工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水排水管控嚴格，廢水排放量少。G2組各斷面主要分布在流經(jīng)沿岸附近部分工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)灌區(qū)的部分區(qū)域。G3組各斷面集中分布在清水河揚水灌區(qū)段[20]，流經(jīng)沿河岸分布的工業(yè)聚集區(qū)，受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大，水質(zhì)較差。 聚類結(jié)果表明，清水河干流水環(huán)境污染情況的空間分布特征明顯，與功能規(guī)劃現(xiàn)狀關系較大。

2.2 基于主成分分析的主要水環(huán)境因子空間分布情況

對聚類前的18個采樣點的6個水質(zhì)指標檢測

數(shù)據(jù)平均值進行主成分分析，篩選出對整個干流水質(zhì)影響大的水環(huán)境因子分析。 基于旋轉(zhuǎn)后累計方差貢獻率大于 85 %，提取主成分，根據(jù)旋轉(zhuǎn)后因子荷載大于0.6的原則選取各主成分影響較大的水環(huán)境因子結(jié)果如表2所示。

分析提取出4個主成分(F1、F2、F3、F4)，第1主成分F1包含的主要因子是BOD5和F-，其反映的主要是有機物污染水平及水體礦化度。第2主成分F2包含的主要因子是CODMn，其反映的主要是有機物污染水平。第3主成分F3包含的主要因子是TN，其反映的主要是水體氮污染水平。第4主成分F4包含的主要因子是NH3-N，其反映的主要是水體氮污染水平。根據(jù)主成分分析結(jié)果，說明清水河污染主要是有機物污染及氮含量超標所致。

G1、G2、G3各個組4個主成分的主要水環(huán)境因子平均濃度空間變化(圖4～7)。從圖4～5可以看出，G3組的TN、NH3-N的濃度均明顯高于G1組和G2組，這種氮元素含量的明顯差異可能是由于G3組主要流經(jīng)揚黃灌區(qū)，水體流經(jīng)此處，大量含氮元素的物質(zhì)排入，各斷面的水質(zhì)受灌溉回水中殘留的農(nóng)藥、化肥影響較大。從圖6～7可以看出，G2、G3組的BOD5、F-的平均濃度明顯高于G1組，主要是由于G1組各斷面附近工廠較少，排放的廢物少，而G2和G3組相反，均流經(jīng)農(nóng)田、城鎮(zhèn)集中的區(qū)域，受其生產(chǎn)影響較大，大量工業(yè)有機廢物、農(nóng)業(yè)的有機農(nóng)藥流入水中，導致有機污染嚴重。根據(jù)《寧夏環(huán)境保護廳公報》，氟化物污染對清水河水質(zhì)影響較大，可能主要是地下水含氟量較高以及礦物質(zhì)中含有的F-流進水中造成的氟化物濃度超標。

表3 各月份各組關聯(lián)度計算結(jié)果

2.3 基于灰色關聯(lián)的水質(zhì)季節(jié)性變化情況

選用主成分分析法確定的NH3-N、TN、CODMn、BOD5及F-5個水環(huán)境因子作為評價因子。采用灰色關聯(lián)法，依據(jù)實測濃度與水質(zhì)標準濃度的關聯(lián)度值對G1、G2、G3各組不同來水期的水質(zhì)等級進行評價，分析其不同季節(jié)來水期的水質(zhì)情況。

由表3可知，平水期G1組整體接近Ⅲ類水，G2組整體為Ⅳ類水，G3組整體接近Ⅴ類水；豐水期G1組整體接近Ⅱ類水，G2組整體為Ⅲ類水，G3組整體依然接近Ⅴ類水，無明顯變化；枯水期G1組整體接

近Ⅱ類水，G2組整體為Ⅲ類水，G3組整體依然接近Ⅳ類水。綜合分析比較，不同來水期空間各組的水質(zhì)情況變化明顯，G3組的水質(zhì)最差，在平水期和豐水期份均為Ⅴ類水，枯水期得到改善變?yōu)棰纛愃?；G1組最好，在豐水期和枯水期均達到了Ⅱ類水質(zhì)，水質(zhì)情況與功能規(guī)劃有密切關聯(lián)。G1和G2組豐水期的水質(zhì)情況比枯水期月份水質(zhì)好，造成這種變化主要是由于豐水期降雨多，河道徑流量增加，水體對污染物的稀釋作用加大，使水體污染程度降低，水質(zhì)得到改善，但G3組在豐水期水質(zhì)并沒明顯變化，這種差異可能是由于水質(zhì)受氣候環(huán)境和人為干擾綜合影響，即使豐水期來水較多，但G3組各監(jiān)測斷面受人類活動影響也較大，其周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中，豐水期也正處于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌水施肥期間，大量含氮有污染性的物質(zhì)流入水中，對水環(huán)境造成較大影響。到枯水期G3組水質(zhì)有所改善，變?yōu)棰纛?，且G1、G2組水質(zhì)明顯好于平水期，分別達到Ⅱ類、Ⅲ類。

3 討 論

結(jié)合清水河流域自然地理特征和河岸帶沿線土

地利用現(xiàn)狀對聚類后的3組情況進行分析可知，各組清水河干流水質(zhì)空間分布特征明顯，與清水河河岸線土地利用現(xiàn)狀確有一定的關聯(lián)性，這與冉桂花等[21]在對三峽庫區(qū)不同斷面的水質(zhì)分類情況研究時得出空間上水環(huán)境污染情況與土地利用類型關系較大的結(jié)論具有一致性。

依據(jù)主成分分析的基本原理，分析提取的4個主成分包含的主要水質(zhì)污染指標為總氮、氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物(F-)，說明清水河的氮污染、有機污染和氟化物污染對干流水環(huán)境影響較大。為改善水質(zhì)，應減少水體廢物排放，加大治理氟化物污染強度。

由灰色關聯(lián)法分析可知，清水河干流水質(zhì)在不同來水期季節(jié)性變化較明顯。根據(jù)鄧樹松[22]對清水河實行河長制管理的效果評價以及2018年中衛(wèi)市政府制定《清水河流域水污染防治工作方案》的實施，說明清水河水質(zhì)的改善與政府的管理工作、治污力度密不可分。平水期時上中游、下游段水質(zhì)較差,上中游為Ⅳ類水，下游段為Ⅴ類水，豐水期上中游段得到改善達到Ⅲ類水標準，但下游仍為Ⅴ類水?？菟谏现杏味芜_到Ⅲ類水標準，下游段也逐漸變好達到Ⅳ類水。清水河干流水質(zhì)整體表現(xiàn)為平水期較差，到枯水期時逐漸變好，季節(jié)性差異較大。

4 結(jié) 論

(1) 清水河干流18個水質(zhì)監(jiān)測點在空間上分為3組，G1組為植被覆蓋度高、人類活動少的清水河源頭和泉眼山入黃口；G2組為流經(jīng)部分工業(yè)區(qū)和部分揚水灌區(qū)的上、中游段；G3組為流經(jīng)大部分工業(yè)聚集區(qū)和揚水灌區(qū)的下游段。G1組水質(zhì)較好，G3組水質(zhì)較差，清水河干流水質(zhì)空間分布特征與河岸線功能規(guī)劃關系密切，表明土地利用情況對清水河水質(zhì)空間分布影響較大。

(2)清水河水質(zhì)主要污染源為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的氮元素污染和工業(yè)生產(chǎn)的有機污染，其主要水環(huán)境污染因子為總氮、氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物(F-)；各水環(huán)境因子空間分布異質(zhì)性較明顯。總體表現(xiàn)為下游水環(huán)境因子濃度高于上游和中游，下游受污染程度較大。

(3)清水河干流水質(zhì)在不同來水期季節(jié)性變化較明顯?？菟谒|(zhì)最好，平水期最差。豐水期大量的天然降雨對污染物由稀釋作用，使上、中游段水環(huán)境污染程度明顯得到改善，但下游段水質(zhì)仍較差，為Ⅴ類水。