李 皎，孫從建，陳 偉，張齊飛，劉 顯，周思捷，林若靜

山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，太原 030031

水資源作為區(qū)域發(fā)展的重要戰(zhàn)略性資源，其變化對(duì)區(qū)域的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展具有重要的影響（曹建文等，2021）。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加速以及大量人口的遷移和聚集，部分流域水污染加重、水環(huán)境惡化，嚴(yán)重阻礙了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。黃河流域是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障和重要的經(jīng)濟(jì)地帶，也是打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要區(qū)域（于法穩(wěn)和方蘭，2020）。近年來(lái)，由于國(guó)家加大了水污染治理和水環(huán)境保護(hù)的力度，黃河流域水質(zhì)總體呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，根據(jù)《2020年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》（https://www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/）的數(shù)據(jù)，黃河流域在監(jiān)測(cè)的137個(gè)水質(zhì)斷面中Ⅰ—Ⅲ類水占比達(dá)到84.7%，已全面消除劣Ⅴ類斷面。然而，目前黃河流域的水環(huán)境改善態(tài)勢(shì)并不穩(wěn)固，部分支流水生態(tài)系統(tǒng)受損，水質(zhì)較差，水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范壓力大，亟需加強(qiáng)對(duì)黃河流域重點(diǎn)支流水環(huán)境時(shí)空變化的監(jiān)測(cè)和研究，從而有針對(duì)性地制定區(qū)域水污染治理策略。

自2000年以來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)及生活廢污水排放量的增加，黃河、長(zhǎng)江等流域多次發(fā)生水體嚴(yán)重污染事件（呂振豫和穆建新，2017；景朝霞等，2019），嚴(yán)重危害區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活，特別是大江大河的污染關(guān)乎人民的飲用水安全，因此，在對(duì)水環(huán)境變化特征科學(xué)評(píng)估的基礎(chǔ)上解析污染物來(lái)源已成為國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，多元統(tǒng)計(jì)分析方法中的聚類分析、判別分析、因子分析、絕對(duì)主成分多元線性回歸分析等被廣泛應(yīng)用于流域水環(huán)境變化特征和潛在污染源識(shí)別上，為長(zhǎng)江干流（秦延文等，2018；Deng et al，2021）、岷江（Zhang et al，2020）、漢江（景朝霞等，2019 ；Kuo et al，2019）、黃河（趙萌萌等，2018；Hong et al，2020；Zhao et al，2020）、海河（王超等，2015）、沱河（后?？档?，2021）、湟水河（邱瑀等，2017）、恒河（Kumar et al，2021）等流域的水環(huán)境治理提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于區(qū)域水資源的高效利用具有重要的意義。

黃河中游地處我國(guó)半干旱半濕潤(rùn)區(qū)的過(guò)渡帶，區(qū)域水資源供需矛盾尖銳，地表水作為區(qū)域重要的水資源對(duì)于整個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。受到生態(tài)補(bǔ)給水量減少、流域生態(tài)環(huán)境退化及煤礦產(chǎn)業(yè)布局的影響，黃河中游的水質(zhì)狀況明顯劣于上游和下游（呂振豫和穆建新，2017）。基于此，研究者在黃河中游地區(qū)開(kāi)展了大量水質(zhì)評(píng)價(jià)和分析工作。在渭河流域，河道水質(zhì)在經(jīng)過(guò)綜合治理后呈現(xiàn)出明顯好轉(zhuǎn)，但在寶雞斷面CODCr的污染物濃度有持續(xù)上升趨勢(shì)（胡德秀等，2018）；在沁河流域，丹河的污染程度重于沁河，TN和NH3-N表征的工業(yè)點(diǎn)源排放是相應(yīng)子流域的重點(diǎn)控制污染物（王翠榆等，2012）；在無(wú)定河流域，干流水質(zhì)達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)功能標(biāo)準(zhǔn)要求，而支流榆溪河存在輕度污染，污染 物 以CODCr、BOD、NH3-N和TP為 主（楊飛等，2018）；在三川河流域，綜合污染指數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，主要污染物為NH3-N、CODCr、BOD5和TP（胡海翔，2021）。對(duì)于黃河的第二大支流汾河，前人采用主成分分析法、綜合水質(zhì)指數(shù)法、熵權(quán)-TOPSIS法（呂安等，2012；秦聰和郭華，2020）等開(kāi)展了水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，但上述工作局限于對(duì)污染物的篩選，研究時(shí)段多在2010年前，且時(shí)間不連續(xù)。近年來(lái)，在汾河流域各河段開(kāi)展了一系列的生態(tài)修復(fù)工程，系統(tǒng)地開(kāi)展近期汾河流域水環(huán)境時(shí)空變化特征和污染源特征的研究，對(duì)于評(píng)估水治理工程的成效和優(yōu)化科學(xué)水管理的需求具有重要的實(shí)際意義。

汾河下游地區(qū)是我國(guó)黃土高原地區(qū)重要的糧棉生產(chǎn)基地，也是我國(guó)三大優(yōu)質(zhì)主焦煤基地之一，在全球氣候變化和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的共同影響下，流域水環(huán)境惡化、水資源短缺和水污染問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》（http://www.gov.cn/zhengce/2021-10/08/content_5641438.htm）的發(fā)布，查明區(qū)域水環(huán)境的時(shí)空變化特征及其影響因素已成為該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的迫切需要?；诖?，本文選取汾河下游臨汾市境內(nèi)的15個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面2013 — 2017年16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，采用水污染指數(shù)法和多元統(tǒng)計(jì)分析方法，開(kāi)展流域水質(zhì)時(shí)空變化特征和污染源解析的研究，從而為汾河下游的水生態(tài)環(huán)境修復(fù)、流域綜合管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

汾河是山西省天然徑流量最大的河流，干流全長(zhǎng)716 km，流域總面積39471 km2。汾河臨汾段位于汾河下游，流經(jīng)臨汾市霍州市、洪洞縣、堯都區(qū)、襄汾縣、侯馬市、曲沃縣、翼城縣7個(gè)縣區(qū)，全長(zhǎng)161.53 km，占汾河總長(zhǎng)的23%，流域面積10127 km2，是該區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要水源。該區(qū)水資源貧乏，水資源總量為15.2億m3，水資源人均占有量?jī)H350 m3。研究區(qū)地處暖溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，年均氣溫10℃，年均降水量430 — 530 mm，降水季節(jié)性顯著（林若靜等，2021）。截至2020年研究區(qū)常住人口303萬(wàn)人，GDP 為 1017.7億元（https://www.yearbookchina.com/naviBooklist-n3021122302-1.html /），區(qū)域主要產(chǎn)業(yè)為煤炭、冶金、電力、新型材料、焦化、裝備制造業(yè)等，是山西省新型能源和工業(yè)基地建設(shè)的重要組成部分。研究區(qū)域地表水監(jiān)測(cè)斷面共15個(gè)，其中：7個(gè)位于汾河干流，8個(gè)位于汾河支流的澇洰河、曲亭河、澮河（圖1）。

圖1 汾河下游水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分布圖Fig.1 Distribution of water quality monitoring sections at the downstream of Fenhe River

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用臨汾市水文水資源勘測(cè)分局提

供的轄區(qū)內(nèi)15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2013 — 2017年的年平均水質(zhì)數(shù)據(jù)，共75個(gè)監(jiān)測(cè)樣本。各斷面每月監(jiān)測(cè)1次，監(jiān)測(cè)過(guò)程、水樣采集和分析測(cè)試依據(jù)《HJ / T 91 — 2002，地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2003）及《環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證手冊(cè)（第二版）》（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1994）規(guī)范操作。水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《GB 3838 —2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2002）。本研究選用的水質(zhì)指標(biāo)共計(jì)16個(gè)：pH值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（CODCr）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、銅（Cu）、鋅（Zn）、氟（F-）、砷（As）、總汞（Hg）、鎘（Cd）、六價(jià)鉻（Cr6+）、鉛（Pb）、氰化物（CN）及揮發(fā)酚（VP），數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)描述見(jiàn)表1。

表1 汾河下游 2013 — 2017 年水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Statistical description of water quality parameters in the downstream of Fenhe River from 2013 to 2017

2.2 研究方法

2.2.1 水污染指數(shù)法

水污染指數(shù)法（water pollution index，WPI）能夠同時(shí)進(jìn)行水質(zhì)類別評(píng)價(jià)和水質(zhì)定量評(píng)價(jià)，特別是劣Ⅴ類水體水質(zhì)的比較（劉琰等，2013；景朝霞等，2019），可以滿足汾河下游水質(zhì)定量研究需求。該方法對(duì)照《GB 3838 — 2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》水質(zhì)類別與WPI值（表2），通過(guò)內(nèi)插方法計(jì)算出監(jiān)測(cè)斷面每個(gè)參加水質(zhì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的WPI值，取其最高值作為該斷面的WPI值。

表2 《GB 3838 — 2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》水質(zhì)類別與WPI值對(duì)應(yīng)表（劉琰等，2013）Tab. 2 WPI and water quality classification in GB 3838 — 2002, environmental quality standards for surface water (Liu Y et al, 2013)

當(dāng)水質(zhì)未超過(guò)Ⅴ類水限值時(shí)WPI值的計(jì)算方法見(jiàn)公式 (1)。其中：6＜pH＜9 時(shí)，WPIpH= 20；DO≥7.5 mg · L-1時(shí)，WPIDO= 20； 2≤DO＜7.5時(shí)，WPI的計(jì)算方法見(jiàn)公式(2)；當(dāng)水質(zhì)超過(guò)Ⅴ類水限值時(shí)WPI值的計(jì)算方法見(jiàn)公式(3)。其中：pH＜6 時(shí)，WPIpH= 100 + 6.67 × (6 - pH )；pH＞9 時(shí)，WPIpH= 100 + 8.00 × ( pH - 9) ；DO＜2 mg · L-1時(shí)，WPIDO= 100 + (2 -CDO) ÷ 2 × 40（劉琰等，2013）。

式中：Ci、Chi、Cli和C5i分別代表第i個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)濃度值、水質(zhì)項(xiàng)目所在類別標(biāo)準(zhǔn)的上限濃度值和下限濃度值，以及第i個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目在《GB 3838 — 2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值。WPIi、WPIhi、WPIli代表各濃度值對(duì)應(yīng)的水污染指數(shù)值。當(dāng)《GB 3838 —2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中兩個(gè)水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值相同時(shí)，按低分?jǐn)?shù)值區(qū)間插值計(jì)算。

2.2.2 聚類分析

聚類分析（cluster analysis）是根據(jù)對(duì)象距離遠(yuǎn)近或相似性大小進(jìn)行分類的多元統(tǒng)計(jì)方法。層次聚類分析（hierarchical cluster analysis）通過(guò)逐次聚合的方式將距離最近或者最相似的對(duì)象聚成一個(gè)類簇，直至最后聚成一類，是目前應(yīng)用最廣泛的聚類方法（李義祿等，2014）。本研究利用SPSS軟件對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行空間尺度的層次聚類分析，在空間上識(shí)別出具有不同污染程度的區(qū)域，聚類方法選用離差平方和法（Ward法），距離測(cè)量方法使用平方歐氏距離（squared euclidean distance），對(duì)數(shù)據(jù)按照Z(yǔ)值的方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.3 判別分析

判別分析（discriminant analysis）的目的在于建立一種變量的線性組合來(lái)概括分類之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)已知樣本的分類情況來(lái)判斷未知分類樣本歸屬的目的。在水質(zhì)評(píng)價(jià)研究中，判別分析可以用來(lái)驗(yàn)證聚類分析結(jié)果并識(shí)別顯著性指標(biāo)（王翠榆等，2012；李義祿等，2014）。本文利用貝葉斯判別分析法對(duì)基于空間分組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，同時(shí)采用交叉驗(yàn)證法檢驗(yàn)此方法的判別能力。

2.2.4 因子分析

因子分析（factor analysis）是多元回歸分析中處理降維問(wèn)題的常用方法，它將具有復(fù)雜關(guān)系的變量綜合為少數(shù)幾個(gè)因子，從而再現(xiàn)原始變量與因子之間的相互關(guān)系，探討具有一定相關(guān)性的實(shí)測(cè)變量是如何受到少數(shù)幾個(gè)內(nèi)在的獨(dú)立因子支配的。同時(shí)，根據(jù)各個(gè)因子對(duì)原變量影響的大小，可將原變量劃分為等同于因子數(shù)目的類數(shù)（王翠榆等，2012）。本研究利用SPSS軟件對(duì)研究區(qū)污染因子進(jìn)行提取和識(shí)別，在數(shù)據(jù)分析前對(duì)變量進(jìn)行Bartlett’s 球形檢驗(yàn)和KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分析，以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于因子分析的可行性。為消除水質(zhì)指標(biāo)量綱的影響，在進(jìn)行因子分析前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)

采用水污染指數(shù)法評(píng)價(jià)汾河下游15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)狀況。由表3可知：汾河下游水質(zhì)的WPI的多年平均值介于74.1 — 636.2。水質(zhì)以劣Ⅴ類水為主，斷面占比為66.7%，主要分布在汾河干流、七一水庫(kù)和小河口水庫(kù)，其中趙城斷面的水質(zhì)污染最為嚴(yán)重。其余水庫(kù)斷面的水質(zhì)狀況相對(duì)較好，曲亭水庫(kù)和澇河水庫(kù)的水污染程度最輕。對(duì)比2017年各斷面水質(zhì)狀況及保護(hù)目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)除澮河水庫(kù)外，其余斷面均未達(dá)到水質(zhì)要求?？傮w來(lái)看，汾河下游整體水質(zhì)狀況較差。

表3 汾河下游監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab. 3 Evaluation results of water pollution index method for monitoring sections of the downstream of Fenhe River

3.2 地表水水質(zhì)年際變化特征

2013 — 2017年汾河下游劣Ⅴ類水的占比平均達(dá)60%以上，Ⅴ類和劣Ⅴ類水的占比平均達(dá)78%以上（圖2a）。由于缺失曲亭水庫(kù)及小河口水庫(kù)監(jiān)測(cè)斷面2013年的水質(zhì)數(shù)據(jù)，因此當(dāng)年劣Ⅴ類水的占比被高估。水質(zhì)最差的是2015年，Ⅴ類和劣Ⅴ類水的斷面占比高達(dá)93%。針對(duì)汾河水質(zhì)及水生態(tài)狀況惡化的實(shí)際情況，山西省2015年制定出臺(tái)了汾河流域生態(tài)修復(fù)規(guī)劃綱要（2015 — 2030年）（https://slt.shanxi.gov.cn/sltzwgk/gzdt/tzgggs/202111/t20211110_3143417.html/），同年啟動(dòng)了第五次汾河流域生態(tài)修復(fù)工程，以上舉措對(duì)于改善汾河下游地區(qū)Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)狀況，特別是Ⅴ類水向Ⅳ類水的轉(zhuǎn)換有積極的作用。

圖2 汾河下游水質(zhì)年際變化圖：水質(zhì)類別斷面占比（a）及主要污染指標(biāo)（b）Fig. 2 Interannual variations of water quality in the downstream of Fenhe River: proporition of sections with different water quality categories (a) and main pollution indexes (b)

從主要污染物的年際變化上來(lái)看，2017年CODCr、NH3-N和CODMn的水污染指數(shù)相較2015年和2016年有了明顯降低。因此，對(duì)汾河流域的水治理顯著降低了地表水體中上述主要污染物的濃度，有效改善了汾河下游水質(zhì)狀況。

對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面的WPI值的年際變化進(jìn)行分析（圖3），發(fā)現(xiàn)道美橋、趙城、洪洞、甘亭和高河橋，整體水質(zhì)較差，水質(zhì)的年際波動(dòng)顯著。上述斷面主要位于承接廢污水量較大的干流，廢污水成分和來(lái)源復(fù)雜，綜合治理難度大，是汾河下游水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)與監(jiān)控。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面WPI指數(shù)的年際變化Fig. 3 Interannual change of WPI of water quality monitoring sections

3.3 地表水水質(zhì)空間分布特征

以研究區(qū)15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)多年平均值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)空間尺度的層次聚類分析。對(duì)聚類分析結(jié)果進(jìn)行了貝葉斯判別分析，2組分類的判別正確率為95.4%，3組分類的判別正確率為90.7%。因此，水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)當(dāng)分為2組（圖4），A組為甘亭、堯都、洪洞、趙城、道美橋和高河橋；B組為其余斷面。交叉驗(yàn)證正確率達(dá)80%，表明總體分類結(jié)果較好。結(jié)合各采樣斷面WPI值的空間分布（圖5）可知：A組的監(jiān)測(cè)斷面主要位于汾河干流堯都斷面的上游及澇洰河，其水質(zhì)情況整體上劣于B組。

圖4 汾河下游地表水水質(zhì)的空間尺度聚類分析Fig. 4 Spatial cluster analysis of water quality in the downstream of Fenhe River

圖5 水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面WPI指數(shù)多年平均值的空間分布圖Fig. 5 The spatial distribution map of the multi-year average value of the WPI of water quality monitoring section

水質(zhì)指標(biāo)的箱線圖能夠指示汾河下游地區(qū)水質(zhì)指標(biāo)的空間差異性（圖6），總體上，A組的營(yíng)養(yǎng)鹽類指標(biāo)（TP、NH3-N）、耗氧有機(jī)物（CODMn、CODCr）、有毒有機(jī)物（VP、CN）、鋅、氟的濃度遠(yuǎn)高于B組，DO的濃度遠(yuǎn)低于B組，進(jìn)一步表明水質(zhì)受地理位置空間分布影響較大。A組的監(jiān)測(cè)斷面主要分布在汾河干流，承接了上游及支流的廢污水。另一方面，這些斷面位于臨汾市人口聚集區(qū)，人口密度大，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，農(nóng)業(yè)資源豐富，工業(yè)企業(yè)集中，特別是煤炭、冶金、焦化業(yè)發(fā)達(dá)。因此，受到生活污水、農(nóng)業(yè)廢水和工業(yè)廢水的多重影響，水體污染嚴(yán)重，WPI值的多年平均值在200以上。B組的監(jiān)測(cè)斷面一部分位于汾河支流，人口密度相對(duì)較少，工業(yè)活動(dòng)較少，水質(zhì)的污染程度相對(duì)較輕；柴莊和侯馬監(jiān)測(cè)斷面位于汾河干流的下游，近年來(lái)，在洪洞至堯都屯里橋段開(kāi)展的流域綜合治理提升工程緩解了該河段的污染程度，同時(shí)由于沿程降解和支流匯入稀釋作用，汾河下游地區(qū)的水質(zhì)有一定的改善。水質(zhì)的空間分異特征同樣表明臨汾市汾河流域的水環(huán)境治理重點(diǎn)為汾河干流道美橋 — 堯都段和澇洰河。

圖6 汾河下游水質(zhì)指標(biāo)空間尺度的差異性Fig. 6 Spatial variation of water quality parameters in the downstream of Fenhe River

3.4 污染源空間分布特征

3.4.1 污染源解析

基于臨汾盆地2013 — 2017年的地表水污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用因子分析法對(duì)汾河下游地表水污染源進(jìn)行解析。KMO檢驗(yàn)值為0.597，Bartlett球形檢驗(yàn)P＜0.05，表明地表水水質(zhì)因子之間具有一定的相關(guān)性，適合做因子分析?；谝蜃臃治鎏崛〉墓蜃樱‵1 — F6），采用Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法將因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如表3所示，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為74.40%，包含了原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息，表明提取的因子符合要求。

由表4可知：公因子F1的方差貢獻(xiàn)率為16.96%，TP、F-、DO和VP所占的因子載荷較大，其中TP和F-與F1有很強(qiáng)的正相關(guān)性，DO與F1呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。公因子F2的方差貢獻(xiàn)率為14.87%，CODMn和CODCr與F2有很強(qiáng)的正相關(guān)性。公因子F3與特征因子Hg和NH3-N有很強(qiáng)的正相關(guān)性。公因子F1、F2和F3的8個(gè)污染指數(shù)主要與營(yíng)養(yǎng)鹽和耗氧有機(jī)污染物有關(guān)，其潛在的污染源包括工業(yè)廢水、城市生活污水、農(nóng)業(yè)排水、畜禽養(yǎng)殖廢水和農(nóng)田地表徑流等。Hg主要來(lái)自于工業(yè)排放。公因子F4（方差貢獻(xiàn)率12.06%，特征因子Zn、Gd和CN）、公因子F5（方差貢獻(xiàn)率9.52%，特征因子As、Cr6+和Pb）、公因子F6（方差貢獻(xiàn)率8.86%，特征因子Cu和pH）主要表征了受工業(yè)污染源影響的重金屬污染。

表4 因子分析旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Tab. 4 Loading of 16 variables on significant principal components for factor analysis

3.4.2 污染源空間分布特征

為進(jìn)一步深入探究汾河下游地表水污染源的空間分布特征，利用前述因子分析得到的監(jiān)測(cè)斷面在各主因子中的因子得分，以各公因子所對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率比例作為權(quán)重，計(jì)算出監(jiān)測(cè)斷面綜合污染因子得分值，綜合評(píng)價(jià)該水質(zhì)斷面的污染程度。

公因子F1的高值區(qū)域主要分布在霍州市、洪洞縣、堯都區(qū)及襄汾縣的部分地區(qū)（圖7）。這些區(qū)域人口集中，河流水質(zhì)一方面受到了含磷、氟化物和揮發(fā)酚的城市中心生活污水排放的影響，在部分河段生活污水直排的現(xiàn)象仍然存在；另一方面，農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中施用的化肥、禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢水會(huì)導(dǎo)致磷、氮等營(yíng)養(yǎng)鹽通過(guò)雨水沖刷進(jìn)入地表水體（馬小雪和王臘春，2014；Haji Gholizadeh et al，2016；楊中文等，2020）。此外，該地區(qū)工業(yè)企業(yè)密集，來(lái)自食品、制藥、化肥廠、木材防腐、絕緣材料、化學(xué)原料、造紙工業(yè)等生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢水使磷、揮發(fā)酚、氟化物富集于附近河道（解瑩等，2012；秦延文等，2018；Zhao et al，2020）。當(dāng)水體中磷等營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)物含量增加時(shí)，水體中的溶解氧消耗加劇（Haji Gholizadeh et al，2016），使水體發(fā)臭、水質(zhì)變差，這也是溶解氧與F1呈負(fù)相關(guān)的原因。

圖7 公因子TP、F-、DO和VP（a）； CODMn和CODCr（b）； Hg和NH3-N（c）； Zn、Gd和CN（d）；As、Cr6+和Pb（e）； Cu和pH（f）及綜合污染因子（g）得分值的空間分布圖Fig. 7 Spatial distribution map of common factors TP, F-, DO and VP (a); CODMn and CODCr (b); Hg and NH3-N (c);Zn, Gd and CN (d); As, Cr6+ and Pb (e); Cu and pH (f ); comprehensive pollution factor score (g)

公因子F2和F3的高值分布區(qū)域相似，主要集中在霍州市及洪洞縣。CODMn和CODCr能夠指示水體的耗氧有機(jī)污染物水平，污染來(lái)源包括工業(yè)廢水排放和生活污水排放（邵志江等，2020）。根據(jù)臨汾市2017年重點(diǎn)排污單位名錄，霍州市和洪洞縣域內(nèi)主要有霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司辛置煤礦、山西三維集團(tuán)股份有限公司及山西焦化股份有限公司，涉及化工產(chǎn)品、化纖產(chǎn)品、焦炭、礦產(chǎn)資源開(kāi)采等多個(gè)產(chǎn)業(yè)，河道承接了大量工業(yè)廢水，可能是造成CODMn和CODCr具有較大因子載荷的原因。氨氮是目前汾河下游干流的主要水質(zhì)污染指標(biāo)，高濃度的氨氮一般主要來(lái)自生活污水、大量使用化肥的農(nóng)田地表徑流、禽畜養(yǎng)殖等（Zhao et al，2020），同時(shí)，氨氮也指征了工業(yè)廢水（化學(xué)原料、化肥廠）的污染（邱瑀等，2017；后?？档?，2021）。從臨汾市農(nóng)業(yè)氣候資源的整體分布來(lái)看，公因子F3的低值區(qū)優(yōu)于高值區(qū)，因此霍州市及洪洞縣的氨氮的高值可能主要受到生活污水和工業(yè)廢水的影響。地表水中的汞及其化合物主要來(lái)源于金屬冶煉、造紙、塑料等工業(yè)廢水。

公因子F4和F5分值較高的區(qū)域集中在霍州市及洪洞縣的部分地區(qū)。重金屬（Zn、Gd、As、Cr6+和Pb）和有毒有機(jī)物（CN）主要受工業(yè)污染源的影響，結(jié)合汾河流域工業(yè)行業(yè)類型來(lái)看，主要源于冶金工業(yè)、煤化工企業(yè)、電鍍企業(yè)廢水排放（王翠榆等，2012；Kumar et al，2021）。由于銅礦主要分布在塔兒山—二峰山一帶的襄汾、翼城、曲沃等縣，因此公因子F6的高值集中分布在兩地區(qū)，其一在霍州市和洪洞縣，另一區(qū)域出現(xiàn)在翼城、侯馬和曲沃縣的部分地區(qū)。水體的pH是水體物理化學(xué)特征的綜合指標(biāo)，受流域基巖、土壤類型及水生植物等多方面因素影響（郝昊等，2015）。

結(jié)合監(jiān)測(cè)斷面綜合因子得分值與WPI指數(shù)多年平均值的空間分布圖，發(fā)現(xiàn)汾河下游地表水的污染程度具有從北向南、從上游向下游減弱的特征，且污染源具有顯著的多源性。城市生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染在汾河下游地區(qū)普遍存在，在水質(zhì)最差的霍州市、洪洞縣，工業(yè)污染的影響最大。因此，臨汾當(dāng)?shù)毓芾聿块T應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制工業(yè)污染，杜絕沿河各類企業(yè)的不達(dá)標(biāo)排放，搶抓山西產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的機(jī)遇，調(diào)整區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)清潔生產(chǎn)，堅(jiān)定走綠色、可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展之路。其次，通過(guò)完善城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)、提高污水處理效率等方式加強(qiáng)城鄉(xiāng)生活污水治理。對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染，要推廣科學(xué)施肥、安全用藥，建立禽畜糞污無(wú)害化處理體系，從而降低進(jìn)入河網(wǎng)的氮、磷等污染物濃度。

4 結(jié)論

（1）汾河下游WPI的多年平均值為74.1 —636.2，以《GB 3838 — 2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劣Ⅴ類水為主，趙城斷面的水質(zhì)污染最為嚴(yán)重。2017年除澮河水庫(kù)外，其余斷面均未達(dá)到水質(zhì)要求?？傮w來(lái)看，汾河下游水質(zhì)狀況較差。

（2）2015年水質(zhì)最差，Ⅴ類和劣Ⅴ類水的占比高達(dá)93%，之后水質(zhì)狀況有所改善。水質(zhì)年際波動(dòng)大的道美橋、趙城、洪洞、甘亭和高河橋河段是汾河下游水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)。

（3）在空間尺度上，位于汾河干流堯都斷面上游及澇洰河的甘亭、堯都、洪洞、趙城、道美橋和高河橋監(jiān)測(cè)斷面，具有高營(yíng)養(yǎng)鹽、高耗氧有機(jī)物、高有毒有機(jī)物及低DO濃度的特征，水質(zhì)情況整體上劣于其他斷面，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)上述河段的污染治理。

（4）因子分析結(jié)果表明汾河下游典型污染物為TP、F-、DO和耗氧有機(jī)污染物（CODMn、CODCr），其次為Hg和NH3-N，同時(shí)還受到各種重金屬污染的影響。污染程度的空間分布具有從北向南、從上游向下游逐漸減弱的特征。城市生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染在汾河下游地區(qū)普遍存在，在水質(zhì)最差的霍州市、洪洞縣，工業(yè)污染的影響最大。