饒永才，袁 媛，孫 挺，潘 曄，鄭瀟威，劉亞風(fēng)，謝玉靜，樊正球

(1. 徐州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，徐州 221003； 2. 復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200438)

京杭運(yùn)河徐州段是南水北調(diào)東線工程的一部分，是東線工程的主要輸水通道.該段區(qū)域河網(wǎng)交錯(cuò)，在航運(yùn)、灌溉、排洪方面發(fā)揮作用，也是飲用水源，此外還兼有南水北調(diào)東線工程調(diào)水和輸水的功能[1]，水域功能被定為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2020)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).運(yùn)河水的開(kāi)發(fā)利用與徐州市的城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、人民生活密切相關(guān).隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，河流直接或間接受到工業(yè)污水、生活污水以及農(nóng)業(yè)廢水的影響，水質(zhì)受到不同程度的污染.由于研究區(qū)域位于南水北調(diào)東線工程重要節(jié)點(diǎn)位置，水質(zhì)情況將直接影響出境水質(zhì)[2].因此對(duì)該段水質(zhì)狀況合理準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)顯得尤為重要.

水質(zhì)評(píng)價(jià)是水環(huán)境質(zhì)量研究的主要內(nèi)容之一，它為水環(huán)境合理開(kāi)發(fā)利用和水體污染綜合防治提供了科學(xué)依據(jù)[3].目前，在水質(zhì)評(píng)價(jià)中廣泛應(yīng)用的方法包括簡(jiǎn)單指數(shù)法、綜合水質(zhì)法、水質(zhì)標(biāo)識(shí)法等[4-5]，同時(shí)也有結(jié)合生物指示指標(biāo)對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)的[6].由于水質(zhì)系統(tǒng)是由各種污染指標(biāo)變量組成的復(fù)雜系統(tǒng)，各個(gè)因子之間具有不同程度的相關(guān)性，每個(gè)因子只能從某一方面反應(yīng)水質(zhì)情況，因此上述方法在水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)表現(xiàn)出一定的局限性[7].而多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)，包括相關(guān)分析(Correlation Analysis, CoA)、層次聚類分析(Hierarchical Cluster Analysis, HCA)、判別分析(Discriminant Analysis, DA)和因子分析/主成分分析(Factor Analysis/Principal Component Analysis, FA/PCA)，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋和模式識(shí)別.近20年來(lái)，利用多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)河流水化學(xué)時(shí)空變化進(jìn)行了廣泛的研究[8].其中判別分析的數(shù)據(jù)挖掘方法是根據(jù)對(duì)象隸屬度的先驗(yàn)知識(shí)來(lái)對(duì)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分組，例如根據(jù)樣本的采樣時(shí)間或采樣地點(diǎn)對(duì)樣本進(jìn)行時(shí)間或空間分組等.相關(guān)性分析是用來(lái)提供對(duì)變量之間相互關(guān)系的預(yù)感知[9].相關(guān)矩陣通常用于初始識(shí)別和進(jìn)一步探索.聚類分析是一種無(wú)監(jiān)督模式識(shí)別技術(shù)，專門(mén)用于揭示對(duì)象之間的內(nèi)在相關(guān)性或相似性[10].FA/PCA也是一種強(qiáng)大的技術(shù)，用于降低涉及大量相互關(guān)聯(lián)變量的數(shù)據(jù)集的維數(shù)，同時(shí)將原始信息損失減至最小[11].它試圖解釋一小部分正交主成分的方差，執(zhí)行后，旋轉(zhuǎn)變換產(chǎn)生一套新的主成分為VariFactors(VFs)，它可以為與原始變量重疊較少的潛在相關(guān)性提供更有意義的解釋[12].通常通過(guò)FA/PCA分析得到的每個(gè)組分都是潛在污染源.迄今為止，國(guó)內(nèi)外關(guān)于京杭運(yùn)河徐州段的水體評(píng)價(jià)鮮有研究.本研究則經(jīng)過(guò)對(duì)研究區(qū)水體環(huán)境數(shù)據(jù)的深入挖掘，采用了單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)法與多元統(tǒng)計(jì)如主成分分析、判別分析和聚類分析等方法綜合分析和評(píng)價(jià)了京杭運(yùn)河徐州段8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)情況，并分析了主要受污染指標(biāo)的來(lái)源，為京杭運(yùn)河徐州段水環(huán)境管理和環(huán)境綜合治理，特別是南水北調(diào)東線工程的水質(zhì)安全提供有價(jià)值的參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于由西北向東南傾斜的華北平原，流域地形以平原為主，低山和丘陵地相間.地勢(shì)起伏較明顯，海拔高差5～17 m不等.研究區(qū)地處暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，受東南季風(fēng)影響較大，徐州市多年平均氣溫14.5 ℃，年極端氣溫最高40.6 ℃，最低-15.8 ℃.年降水量800～930 mm，日最大降水量213.0 mm，平均相對(duì)濕度71%.年日照時(shí)數(shù)2 280～2 495 h，日照率52%～57%[13].

被譽(yù)為“黃金水道”的京杭運(yùn)河橫穿徐州，通道直接經(jīng)過(guò)徐州市的賈汪區(qū)和郊區(qū).徐州境內(nèi)仍在使用的運(yùn)河長(zhǎng)達(dá)200 km以上，北接微山湖，南連駱馬湖，是南水北調(diào)東線工程的一部分，平均流速基本小于1 m/s，水深2～5 m[14].徐州先后實(shí)施了京杭運(yùn)河徐州段航道改建和城區(qū)段綜合環(huán)境治理等重點(diǎn)工程，實(shí)現(xiàn)京杭運(yùn)河徐州段二級(jí)航道的全線貫通.2014年，國(guó)務(wù)院長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶規(guī)劃中將徐州港列入國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)港口.同時(shí)，徐州作為江蘇的北大門(mén)，水路通航里程較長(zhǎng)，加之徐州以其相對(duì)的地理位置成為省內(nèi)及省際煤炭、水泥、砂石、成品油等多種貨物的產(chǎn)地和集散地，以及近年來(lái)經(jīng)濟(jì)及工業(yè)蓬勃發(fā)展，加重了京杭運(yùn)河徐州段水體污染負(fù)荷.

本研究選取徐州境內(nèi)洞山西、紅旗新村、解臺(tái)閘、劉山閘、山頭、索家莊、農(nóng)科所、張樓8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(圖1)，其中5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(包括張樓、農(nóng)科所、索家莊、劉山閘、山頭)位于邳州段，山頭偏離主要運(yùn)河干道，當(dāng)?shù)匾赞r(nóng)業(yè)活動(dòng)為主，其余4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面處靠近市中心，為交通樞紐；3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(包括紅旗新村、解臺(tái)閘、洞山西)位于中運(yùn)河段，近年來(lái)人口大幅增長(zhǎng)，主要為居民生活區(qū)，商圈集中，人口密度大.

圖1 京杭運(yùn)河(徐州段)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Location of monitoring sites in Beijing-Hangzhou Canal (Xuzhou section)

1.2 采樣分析與水質(zhì)評(píng)價(jià)

本研究于2010年1月至2015年12月的每月中旬進(jìn)行采樣.樣品分析的指標(biāo)包括pH、高錳酸鹽指數(shù)(PI)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、石油類(Petroleum)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)、氟化物(F-)、糞大腸桿菌(Fecal coliform)等10個(gè),其對(duì)應(yīng)測(cè)定方法見(jiàn)第598頁(yè)表1.

表1 水質(zhì)分析方法Tab.1 Analytical methods for water quality

因京杭運(yùn)河水域功能確定為Ⅲ類，故京杭運(yùn)河徐州段8個(gè)研究斷面水質(zhì)目標(biāo)均應(yīng)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類，對(duì)該段河流水質(zhì)評(píng)價(jià)所用的各指標(biāo)濃度限值見(jiàn)第598頁(yè)表2.

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

本研究在所有參與綜合水質(zhì)級(jí)別評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)選擇水質(zhì)最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬級(jí)別來(lái)確定水體流域的綜合水質(zhì)級(jí)別，并采用判別分析(Discriminant analysis, DA)對(duì)6年來(lái)京杭運(yùn)河徐州段的監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)級(jí)別進(jìn)行分類[16-17]，以研究京杭運(yùn)河徐州段8個(gè)斷面和水質(zhì)級(jí)別之間關(guān)系，同時(shí)對(duì)10個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析.其中相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)(雙尾檢驗(yàn)，差異顯著水平設(shè)為P=0.05，極顯著差異性水平設(shè)為P=0.01).所有數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合SPSS 22.0與R 3.2.5軟件完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)指標(biāo)特征

圖2(見(jiàn)第598～600頁(yè))為2010年—2015年間研究區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果.結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)水標(biāo)準(zhǔn)(箱圖中紅線為Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn))對(duì)比分析結(jié)果表明：

水體中pH值都在Ⅲ類水體質(zhì)量范圍內(nèi)，但位于中運(yùn)河段的3個(gè)斷面解臺(tái)閘、紅旗新村和洞山西水體pH值較邳州段5個(gè)斷面(張樓、農(nóng)科所、索家莊、劉山閘和山頭)處水體高.pH值能直接或間接影響著水生生物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，同時(shí)TN、TP均在中運(yùn)河段3個(gè)斷面水體中濃度偏低，這可能是由于水草、藻類對(duì)磷和氮具有吸收作用，降低了水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，引起pH值降低[18].BOD5、COD、F-、和PI濃度也都在Ⅲ類水體質(zhì)量范圍內(nèi)，2010年NH3-N于索家莊、山頭、農(nóng)科所、劉山閘處水體中濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水體造成污染，此地區(qū)可能使用大量氮肥，同時(shí)含氮有機(jī)物、硝酸鹽、亞硝酸鹽在水體缺氧情況下，通過(guò)厭氧菌作用產(chǎn)生氨.Petroleum污染物2010年在邳州段5個(gè)斷面水體中濃度均偏高造成水質(zhì)污染，F(xiàn)ecal coliform僅于2014和2015年在中運(yùn)河段的3個(gè)斷面解臺(tái)閘、紅旗新村和洞山西水體中濃度偏高，造成水體質(zhì)量下降.

圖2 2010年—2015年監(jiān)測(cè)斷面水體中各項(xiàng)指標(biāo)分布Fig.2 Distribution of water quality indexes in monitoring sections during 2010—2015

2.2 水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

每個(gè)斷面各個(gè)年份的水質(zhì)類別情況如表3所示，可以得出： 張樓有逐年變好趨勢(shì)，自2011年至2014年水質(zhì)都達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；索家莊、農(nóng)科所、山頭、劉山閘水質(zhì)于2010年—2012年間都存在嚴(yán)重污染，2013年—2014年水質(zhì)達(dá)標(biāo)；2015年，位于邳州段的5個(gè)斷面除劉山閘外，其他4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)都有指標(biāo)污染，水質(zhì)類別降到Ⅳ類及以下.而位于中運(yùn)河段的3個(gè)斷面水質(zhì)均于2013年開(kāi)始惡化，至2015年水質(zhì)類別最差.從各監(jiān)測(cè)斷面超標(biāo)指標(biāo)看，2010年張樓Petroleum和TN超標(biāo)，達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，索家莊TN達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N、TP、Petroleum指標(biāo)都為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，且在山頭、農(nóng)科所、劉山閘處NH3-N、Petroleum、TP、TN濃度也都超過(guò)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中TN指標(biāo)濃度劣于Ⅴ類水，屬嚴(yán)重污染；2011年張樓水質(zhì)達(dá)標(biāo)，而索家莊TN污染較為嚴(yán)重，達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；山頭、農(nóng)科所、劉山閘3個(gè)斷面的TN枯水期時(shí)甚至劣于Ⅴ類水，而劉山閘處水體中TP為Ⅳ類；2012年張樓水質(zhì)達(dá)標(biāo)；索家莊、農(nóng)科所于枯水期TN濃度較高，歸為Ⅳ類；山頭和劉山閘NH3-N、TN污染較為嚴(yán)重，導(dǎo)致水質(zhì)都劣于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn).2013和2014年，邳州段5個(gè)斷面水質(zhì)都達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，而2013年市區(qū)的3個(gè)斷面即解臺(tái)閘、紅旗新村和洞山西水質(zhì)指標(biāo)TN濃度較高，均接近Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，2014年水體中Fecal coliform濃度升高使水質(zhì)降低為Ⅴ類.2015年邳州段5個(gè)斷面張樓、農(nóng)科所、索家莊、劉山閘和山頭水體中TN、TP濃度較高造成污染；位于中運(yùn)河段的3個(gè)斷面解臺(tái)閘、紅旗新村和洞山西處水體中TN、Fecal coliform污染濃度較高，都劣于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水.因2014年，國(guó)務(wù)院長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶規(guī)劃中將徐州港列入國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)港口，且據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2015年底，徐州市干線航道新增達(dá)標(biāo)里程98.96 km，航道貨運(yùn)量合計(jì)達(dá)到1.70億噸，較“十一五”末增長(zhǎng)5 360萬(wàn)噸.另外2015年出現(xiàn)全國(guó)干旱狀況，因受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，東亞-西北太平洋大氣環(huán)流發(fā)生異常，東亞大槽偏強(qiáng)偏東、西太副高位置偏東，我國(guó)北方盛行西北風(fēng)且西南暖濕氣流無(wú)法到達(dá)北方，導(dǎo)致我國(guó)北方干旱嚴(yán)重[19].故加重的交通運(yùn)輸量和嚴(yán)重干旱的氣候，導(dǎo)致京杭運(yùn)河徐州段2015年的水質(zhì)急劇下降.

表3 2010年—2015年京杭運(yùn)河徐州段監(jiān)測(cè)斷面年度綜合水質(zhì)級(jí)別Tab.3 The comprehensive water quality grade for the monitoring sections on Beijing-HangzhouCanal(Xuzhou section) during the year of 2010—2015

根據(jù)斷面與水質(zhì)類別綜合進(jìn)行判別分析(DA)，采用最大似然法進(jìn)行分析，是建立在獨(dú)立事件概率乘法定理的基礎(chǔ)上，根據(jù)訓(xùn)練樣品信息求得自變量各種組合情況下樣品被封為任何一類的概率.本文計(jì)算水質(zhì)類別和監(jiān)測(cè)斷面被分到某一類中的條件概率(似然值)，概率最大的那一類就是最終評(píng)定的歸類.分析得到的結(jié)果(圖3)可以直觀地看到2010年—2015年京杭運(yùn)河徐州段8個(gè)斷面水質(zhì)級(jí)別綜合情況.橫坐標(biāo)維度1解釋了所有分類的73.6%，縱坐標(biāo)維度2解釋了所有分類的16.4%，在兩個(gè)維度上已經(jīng)能夠說(shuō)明數(shù)據(jù)的90.0%，由此可知該分析結(jié)果描述性較好.2010年—2015年，山頭、劉山閘兩個(gè)斷面綜合污染較為嚴(yán)重，為劣于Ⅴ類水；洞山西水質(zhì)歸為Ⅴ類；紅旗新村歸為Ⅳ類，其他斷面的水質(zhì)級(jí)別均為Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn).

圖3 8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面與水質(zhì)級(jí)別判別分析圖(維度1解釋率為73.6%，維度2解釋率為16.4%)Fig.3 Discriminant analysis map of eight monitoring sections and water quality grade(Explanation rate of Dimension 1 is 73.6%, explanation rate of dimension 2 is 16.4%)

2.3 水體污染來(lái)源及控制因素

相關(guān)矩陣常通過(guò)整體數(shù)據(jù)集的一致性來(lái)研究變量之間的相關(guān)性[20-22].本研究用相關(guān)性矩陣來(lái)分析10個(gè)水質(zhì)參數(shù)之間的聯(lián)系.結(jié)果(見(jiàn)第602頁(yè)表4)表明，水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)介于-0.612～0.796之間，呈顯著相關(guān)(P<0.01).Helena[23]提到研究區(qū)域水體中元素呈顯著相關(guān)可能是因?yàn)橛兄嗨频乃瘜W(xué)特征.從表4可知，除TP和Fecal coliform外，所有水質(zhì)指標(biāo)都與pH呈顯著相關(guān)，其中NH3-N、Petroleum和TN與pH呈負(fù)相關(guān).最大相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在PI與COD之間，同時(shí)PI也與BOD5、F-和Fecal coliform濃度呈顯著正相關(guān)，但與NH3-N和Petroleum污染物呈負(fù)相關(guān).BOD5與NH3-N、Petroleum、TN呈負(fù)相關(guān)，與COD和F-呈顯著正相關(guān).NH3-N與Petroleum、TN和TP呈正相關(guān)，且與F-呈負(fù)相關(guān).Petroleum與TN、TP呈正相關(guān)，與F-呈負(fù)相關(guān).TN與TP也呈顯著正相關(guān).

表4 各水質(zhì)指標(biāo)間Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.4 Pearson correlation coefficients of the water quality indexs

Fecal coliform作為水體大腸桿菌污染指示被廣泛使用[24]，并且已被證實(shí)與致病性腸道細(xì)菌有正相關(guān)[25]，其與PI、BOD5、COD和F-呈顯著正相關(guān)，與Petroleum污染物呈負(fù)相關(guān).超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的TN、TP、NH3-N、Petroleum和Fecal coliform指標(biāo)中(圖2)，TN和NH3-N呈顯著正相關(guān)，TP和Petroleum呈顯著正相關(guān)，Petroleum和Fecal coliform呈顯著負(fù)相關(guān).經(jīng)過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)各種指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且Bartlett球度檢驗(yàn)相伴概率為0.000，小于顯著水平0.001且KMO值大于0.6，因此本研究的數(shù)據(jù)適合開(kāi)展因子分析[26].通過(guò)主成分分析，提取了前3個(gè)主成分，其解釋了總方差的82.20%.

第1主成分(PCA1)的貢獻(xiàn)率為36.6%，通過(guò)圖4(a)可知第1主成分中因子變量在PI、COD、F-、Fecal coliform、BOD5的濃度上有較高的正載荷，其中Fecal coliform可能與當(dāng)?shù)厣锓柿系拇罅渴褂糜嘘P(guān)；同時(shí)在農(nóng)藥和化肥等生產(chǎn)過(guò)程中，也會(huì)排放含有F-的污水.水體中PI、COD、BOD5的含量與水體中有機(jī)污染程度密切相關(guān)[27]，說(shuō)明第1主成分反映了監(jiān)測(cè)斷面的有機(jī)質(zhì)污染[28].同時(shí)結(jié)合Pearson相關(guān)性分析(表4)也可以看出，PI、COD、F-、Fecal coliform、BOD5等指標(biāo)間具有較強(qiáng)的相關(guān)性.相關(guān)系數(shù)從0.434(COD～Fecal coliform)至0.796(PI～COD)，可知第1主成分中這5種物質(zhì)的來(lái)源相似.PI、COD、F-、Fecal coliform、BOD5在洞山西有較高的數(shù)值，通常Fecal coliform被作為水體受到糞便污染的指標(biāo)，結(jié)合監(jiān)測(cè)斷面的相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)位于中運(yùn)河段的3個(gè)斷面(謝臺(tái)閘、紅旗新村和洞山西)周?chē)蔷幼^(qū)和商業(yè)區(qū)，其居民生活污水可通過(guò)不同途徑流入河道并引起水污染[29].所以，從PI、COD、F-、Fecal coliform、BOD5對(duì)第1主成分的貢獻(xiàn)可以得知其代表的實(shí)際意義，即第1主成分主要代表居民生活排污對(duì)水質(zhì)的污染.第2主成分(PCA2)的貢獻(xiàn)率為29.5%，其中TN、NH3-N、Petroleum具有較高的載荷，同時(shí)結(jié)合Pearson相關(guān)性分析結(jié)果可知TN、NH3-N和Petroleum之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這在一定程度上反應(yīng)了水體中氮的來(lái)源和Petroleum污染物相似，NH3-N和TN(0.757)的相關(guān)性較高，說(shuō)明NH3-N在TN中占較大的比例.Petroleum具有較高的載荷，可能是由于監(jiān)測(cè)斷面周?chē)煌ǜ删€密集的車(chē)輛交通所排放的尾氣[28,30]，和京杭運(yùn)河船舶航運(yùn)污水及尾氣排放導(dǎo)致.從圖2可以看出邳州段5個(gè)斷面(張樓、農(nóng)科所、索家莊、劉山閘和山頭)水體中NH3-N、TN和Petroleum的濃度相對(duì)較高，結(jié)合該5個(gè)斷面的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和功能分區(qū)，交通、運(yùn)輸是主要的污染源，因此驗(yàn)證了第2主成分主要是源于交通和運(yùn)輸?shù)葘?duì)水質(zhì)的污染.圖4(b)表示所研究指標(biāo)的空間三維分布，第3主成分(PCA3)的貢獻(xiàn)率是16.1%，TP具有較高的正載荷值，由于TP一般可以作為識(shí)別農(nóng)業(yè)污染源的指標(biāo)[31-32]，且于TP箱式分布圖(圖2)中，我們可以看出山頭地區(qū)TP的平均濃度值最高，而該地周?chē)赞r(nóng)田分布為主，農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，故結(jié)合這個(gè)當(dāng)?shù)貙?shí)際，可以推斷出這個(gè)主成分主要表征了農(nóng)業(yè)對(duì)水質(zhì)的影響.各元素之間的離散程度較直觀地反映出了監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)污染的3個(gè)主要來(lái)源,即生活污水排放、交通運(yùn)輸污染和農(nóng)業(yè)污染[33-34].

圖4 主成分分析圖(其中PCA1貢獻(xiàn)率為36.6%，PCA2貢獻(xiàn)率為29.5%，PCA3的貢獻(xiàn)率是16.1%)Fig.4 The plot of principle analysis result (The contribution rate of PCA1, PCA2 and PCA3 was 36.6%, 29.5% and 16.1% respectively)

本研究同時(shí)通過(guò)以Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)的單因子指數(shù)對(duì)各個(gè)斷面和指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見(jiàn)圖5.紅色為污染最嚴(yán)重，至綠色為無(wú)污染，屬于同一類的所有站點(diǎn)的水質(zhì)情況是相似的，類與類之間的距離相差越遠(yuǎn)水質(zhì)狀況差別也越大.本研究所調(diào)查的8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面根據(jù)污染情況可分為3類.第1類監(jiān)測(cè)斷面有3個(gè)，分別為位于中運(yùn)河段的紅旗新村、洞山西和解臺(tái)閘，TN和Fecal coliform濃度都較高，根據(jù)主成分分析結(jié)果可得知居民生活污水排放是導(dǎo)致此處河水水質(zhì)惡化的主要原因；第2類監(jiān)測(cè)斷面有4個(gè)，分別為農(nóng)科所、劉山閘、索家莊和張樓，此類斷面的水體TN、NH3-N和Petroleum污染較高，可知此類地區(qū)水體主要為交通運(yùn)輸綜合污染；第3類監(jiān)測(cè)斷面為山頭監(jiān)測(cè)斷面，此處TP污染指數(shù)較高，結(jié)合前文結(jié)論可知此處水體主要為農(nóng)業(yè)污染.

圖5 監(jiān)測(cè)斷面及水質(zhì)指標(biāo)聚類熱點(diǎn)圖Fig.5 The heat map of cluster analysis result for monitoring section and water quality index

3 結(jié) 論

2010年在邳州段5個(gè)斷面(張樓、農(nóng)科所、索家莊、劉山閘和山頭)水體中Petroleum污染物濃度均偏高造成水質(zhì)污染，F(xiàn)ecal coliform僅于2014和2015年在中運(yùn)河段的3個(gè)斷面(解臺(tái)閘、紅旗新村和洞山西)水體中濃度偏高，造成水體質(zhì)量下降.2010年—2015年間，山頭、劉山閘兩個(gè)斷面綜合污染較為嚴(yán)重，為劣Ⅴ類水；洞山西水質(zhì)歸為Ⅴ類；紅旗新村歸為Ⅳ類，其他斷面的水質(zhì)級(jí)別都在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn).

超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的TN、NH3-N和Petroleum污染物主要源于交通和運(yùn)輸?shù)葘?duì)水質(zhì)的污染，F(xiàn)ecal coliform指標(biāo)主要源于生活污水排放，而TP則可能主要源于農(nóng)業(yè)化肥使用造成的地表水污染.

監(jiān)測(cè)斷面處水環(huán)境質(zhì)量受人類活動(dòng)影響較大，山頭水體主要為農(nóng)業(yè)污染；張樓、農(nóng)科所、索家莊和劉山閘地區(qū)主要為交通運(yùn)輸綜合污染；居民生活污水排放是導(dǎo)致中運(yùn)河段的3個(gè)斷面(解臺(tái)閘、紅旗新村和洞山西)水質(zhì)惡化的主要原因.主管部門(mén)應(yīng)據(jù)此采取相應(yīng)措施，加大污染防治力度，防止運(yùn)河徐州段水質(zhì)進(jìn)一步惡化.