李茹霞,迪麗努爾·阿吉,2*,賽米熱·托合提,王曉蘭,張 敏

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院,新疆 烏魯木齊 830054;2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830054)

引 言

河流水質(zhì)是流域的重要特征之一,可以反映自然因素和人類活動對所經(jīng)區(qū)域的綜合作用[1-2]。在內(nèi)陸干旱地區(qū),河流水質(zhì)一方面受氣候、地貌、土壤類型等自然因素的影響,另一方面受居民生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)退水等人類活動的影響。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人類活動日益增強,使得干旱區(qū)河流水質(zhì)狀況面臨巨大壓力[3-4]。開都河兩岸人口密集,土地肥沃,水能資源豐富,作為新疆重要的農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及地下水補給的主要水源,在社會經(jīng)濟發(fā)展中具有十分重要的地位[5]。近年來,由于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程不斷加快,開都河流域出現(xiàn)水污染現(xiàn)象,開都河水質(zhì)也逐漸惡化,生態(tài)環(huán)境遭到破壞[6-7]。2018年提出《開都河流域生態(tài)環(huán)境保護條例》,使流域水質(zhì)污染逐步得到控制[8],但開都河流域的水環(huán)境問題仍然嚴重。

目前,國內(nèi)外學者大多運用主成分分析法(PCA)對河流水質(zhì)變化特征進行研究,國外學者利用主成分分析法,對越南Nhue河、巴西Doce河、韓國Nakdong河等河流水質(zhì)進行分析與評價[9-11];國內(nèi)學者,邢潔、李森、劉賢梅、孫桂燕等[12-15]采用PCA提取影響河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)環(huán)境因子,分析河流水質(zhì)的時空變化特征。楊浩、王昱、朱琳、張馨月等[16-19]則通過主成分分析法識別河流污染物來源,并對環(huán)境因子載荷系數(shù)進行剖析評判。而上述研究中將因子載荷系數(shù)與樣點得分結(jié)合起來對水質(zhì)時空分布特征進行研究的并不多。本文用主成分分析法分析開都河水質(zhì)時空分布特征,辨別主導(dǎo)河流水質(zhì)變化的環(huán)境因子,揭示水質(zhì)時空分布差異性,并對構(gòu)成時空差異的原因進行探討,以期為開都河的水環(huán)境管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

開都河位于新疆天山南麓焉耆盆地北緣(82°58′～86°55′E,41°47′～43°21′N),是塔里木河流域的主要源流之一,沿岸土地肥沃、人口稠密,流經(jīng)巴音郭楞蒙古自治州和靜、焉耆、博湖三縣,最終流入全國最大的內(nèi)陸淡水湖—博斯騰湖。流域內(nèi)地勢西北高,東南低,屬大陸性溫帶干旱氣候,年徑流量38.78×108km3,年平均氣溫8～8.6 ℃。流域面積22 000 km2,全長560 km,海拔高度介于在871～5 000 m之間,北部為天山高寒區(qū),中部為低山丘陵、沖積扇戈壁區(qū),南部為戈壁平原區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為了更好反映水質(zhì)的季節(jié)變化,于2021年6月和10月對開都河進行水質(zhì)調(diào)查,在上游(S15—S11)、中游(S10—S9)、下游(S8—S1)共布設(shè)15個水質(zhì)采樣點(圖1),選取8個水質(zhì)指標進行分析,在采樣點水面下0.5 m處進行采樣,為減小實驗誤差,每個采樣點均平行測定3次,pH值、水溫和EC采用臺灣產(chǎn)便攜式水質(zhì)檢測儀(AZ8301、AZ8306)現(xiàn)場測定,其余指標用聚乙烯塑料瓶采集500 mL水樣,置于4 ℃冷藏[20],48小時內(nèi)運回實驗室測定,水質(zhì)指標按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定、水質(zhì)等級按《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)評價。DO、NH3-N、TP、TN、濁度分別采用碘量法測定(GB 7489-87)、納氏試劑比色法(GB 7479-87)、鉬酸氨分光光度法(GB 11893-89)、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-89)、福爾馬肼散射法(GB/T 5750.4-2006)測定。文中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮、磷肥使用量以及工業(yè)和生活污染排放量數(shù)據(jù)來自《巴音郭勒統(tǒng)計年鑒2019》。

圖1 開都河采樣點分布示意圖

1.3 研究方法

主成分分析(PCA)也稱主分量分析,旨在利用降維思想將多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個變量,且這些綜合變量能夠反映原變量提供的大部分信息[21-24]。本文運用主成分分析方法提取引起河流水質(zhì)變化的主導(dǎo)環(huán)境因子,把多個水質(zhì)指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標,基于主成分綜合得分分析河流水質(zhì)時空差異[18]。

1)將原始數(shù)據(jù)標準化處理,以消除量綱的影響

(1)

2)建立變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣R

相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rij)m×m

(2)

式中,rij=1,rij=rji,rij為第i個指標和第j個指標的相關(guān)系數(shù)。

3)計算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值和特征向量

計算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λ1≥λ2≥…≥λm≥0,及對應(yīng)的特征向量u1,u2,…,um,其中uj=(u1j,u2j,…,unj)T,由特征向量構(gòu)成m個新的指標變量。

(3)

式中,F1是第1主成分,F2是第2主成分,Fm是第m主成分。

4)計算主成分綜合得分

①計算特征值λj(j=1,2,…,m)的信息貢獻率以及累積貢獻率

(4)

(5)

式中,bj為信息貢獻率,αp為累積貢獻率。

②計算綜合得分

(6)

式中,bj為第j個主成分的信息貢獻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)特征

為了更好地揭示研究區(qū)水質(zhì)狀況,對采樣點環(huán)境因子的平均值和標準差進行分析,結(jié)果顯示(圖2):研究區(qū)pH值的平均值均在7.025～7.92之間;DO平均值均大于6 mg/L;S1—S14采樣點EC平均值小于500 μS/cm,而S15采樣點EC平均值為526 μS/cm,達到研究區(qū)EC最大值;S2、S3、S4和S5采樣點TN濃度平均值超過0.5 mg/L;S1、S3、S4、S5、S6和S7采樣點NH3-N濃度平均值超過0.5 mg/L;S4、S8、S9和S14采樣點TP濃度平均值未超過0.025 mg/L,其余的采樣點均超過;S9采樣點EC濃度月間差異明顯,S7采樣點NH3-N濃度月間差異明顯,S2、S6采樣點TP濃度月間差異明顯,S5采樣點的TN、NH3-N和TP濃度月間差異明顯。

圖2 EC(a)、TN(b)、NH3-N(c)、TP(d)空間分布情況

研究區(qū)大部分采樣點的水質(zhì)指標均在Ⅱ類水標準,部分采樣點的TN、NH3-N、TP指標達到Ⅲ類水質(zhì)標準,無超過Ⅳ類水質(zhì)標準的采樣點。河流水質(zhì)呈弱堿性,DO普遍較高,河流水體EC除采樣點S15外均在100～500 μS/cm之間,屬天然淡水體,表明S15水體鹽度較高;采樣點S2、S3、S4和S5的TN濃度,采樣點S1、S3、S4、S5、S6和S7的NH3-N濃度達到III類標準;除S4、S8、S9和S14采樣點外,其他采樣點總磷濃度均達到Ⅲ類標準。

2.2 污染因子確定

在SPSS軟件中對15個采樣點的原始水質(zhì)數(shù)據(jù)進行KMO和巴萊特球形檢驗,KMO統(tǒng)計量為0.685(>0.6),Bartlett球形檢驗為0(<0.001),說明8個水質(zhì)指標之間存在較強的相關(guān)性,PCA方法的適用性較好,符合主成分分析的要求。采用SPSS軟件對水質(zhì)標準化后的數(shù)據(jù)進行主成分分析,本文按照特征值λ>1的原則,提取引起水質(zhì)變化的3個主成分,累計方差貢獻率為75.037%,表明三個主成分反映了原始變量提供的75.037%,可以充分反映原始數(shù)據(jù)的信息(表1)。

表1 KMO和巴特利特檢驗

旋轉(zhuǎn)后成分矩陣顯示(表2),三個主成分中第一主成分PC1的方差貢獻率最大,達到42.543%,其中主要顯著相關(guān)的環(huán)境因子為水溫、NH3-N、TN。水溫反映年內(nèi)的氣象變化對河流水質(zhì)有一定程度的影響,NH3-N與TN濃度高會導(dǎo)致水體中營養(yǎng)型污染物濃度較高,同時NH3-N也是河流水體的毒性指標、耗氧指標,反映農(nóng)業(yè)退水、養(yǎng)殖和工業(yè)廢水對河流水質(zhì)有一定影響,NH3-N和TN表明人類活動造成的營養(yǎng)物污染和有機污染物主導(dǎo)著研究區(qū)域河流水質(zhì)變化,水溫、NH3-N和TN與PC1呈顯著正相關(guān),變化特征明顯;第二主成分PC2的方差貢獻率為18.654%,顯著相關(guān)的主要環(huán)境因子為TP和EC,表明TP和EC主導(dǎo)區(qū)域水質(zhì)變化,TP與PC2呈顯著正相關(guān),反映人類活動造成的營養(yǎng)鹽對河流水質(zhì)有一定程度的影響,而EC與PC2呈顯著負相關(guān);第三主成分PC3的方差貢獻率為13.876%,顯著相關(guān)的主要環(huán)境因子為濁度和pH值,表明濁度和pH值主導(dǎo)區(qū)域水質(zhì)變化,濁度與PC3呈顯著正相關(guān),反映肉眼可見的懸浮物對河流水質(zhì)有一定程度的影響,而pH值與PC3呈顯著負相關(guān)。

表2 旋轉(zhuǎn)后成分矩陣

為了更清晰地反映研究區(qū)水質(zhì)指標之間的相關(guān)性,采用Origin對河流水質(zhì)數(shù)據(jù)進行主成分分析。環(huán)境因子的箭頭越長表示其因子載荷越大,對排序的貢獻也越大,夾角越小表示相關(guān)性越高[19]。對于PC1來講,指標橫坐標絕對值越大,越重要,而對于PC2來講,指標縱坐標絕對值越大,越重要(圖3)。

圖3 PCA環(huán)境因子分析

箭頭較長的環(huán)境因子在排序空間中分成NH3-N、TP、DO,TN、水溫、濁度,pH值和EC四簇排列,第一主成分中TN、水溫、NH3-N的載荷系數(shù)分別為0.458、0.428、0.397,對排序的貢獻大,主導(dǎo)著研究區(qū)河流水質(zhì)的變化,且TN、水溫、NH3-N之間夾角較小,相關(guān)性高。TN、水溫和NH3-N之間呈顯著正相關(guān),且彼此相互影響,其中,水溫是影響河流中藻類植物生長的重要因素,藻類的生長顯著影響河流水體營養(yǎng)鹽,TN是水中各種無機和有機氮的總量,在農(nóng)業(yè)退水、生活污水、工業(yè)廢水排放過程中,會對NH3-N、TP以及DO造成影響,表明水體溫度、水體營養(yǎng)物質(zhì)對河流水體污染具有顯著影響;pH值與EC呈正比,這是受大氣中可溶性離子和沉積過程的影響;pH值與TP、TN呈顯著負相關(guān),一方面可能是由于農(nóng)田地區(qū)灌溉和暴雨沖刷等原因,會使殘留在農(nóng)田里的氮、磷元素進入河流,另一方面也可能是因為TP、TN含量的增加,引起水中藻類迅速繁殖,導(dǎo)致水體pH值變化。

2.3 水質(zhì)空間分布特征

為揭示研究區(qū)各采樣點污染狀況,采用主成分分析法計算各采樣點的綜合得分。通過系數(shù)矩陣計算每個采樣點三個主成分得分F1、F2和F3,并以三個主成分的貢獻度為權(quán)重計算出綜合主成分得分F。在PCA分析中,樣本的綜合得分越高,指標的方差貢獻率越大,樣本對數(shù)據(jù)的影響力就越大。對于整個研究區(qū)水質(zhì)的評價,采樣點得分越高,表明該采樣點水體污染越為嚴重,污染物含量高,水質(zhì)差[25]。

3個主成分因素在開都河各采樣點空間變化顯著(圖4),S7、S14和S15采樣點的F1顯著高于F2、F3,表明這3個采樣點河流水質(zhì)受TN、水溫和NH3-N的影響較強;S3、S5、S10、S11、S12和S13采樣點F2顯著高于F1、F3,表明這6個采樣點受TP和EC的影響較強,受TN、水溫和NH3-N影響較弱;S8和S9采樣點的F3顯著高于F1、F2,表明這2個采樣點受濁度和pH值影響較強;S6采樣點的F1、F2較高,S1、S2和S4采樣點的F2、F3較高,表明這4個采樣點的營養(yǎng)物質(zhì)、有機污染物含量均較高,同時2個主成分之間差別較小,受兩種類型污染物影響較為均衡。

圖4 各采樣點主成分得分情況

水質(zhì)綜合得分顯示(表3),開都河S5采樣點水質(zhì)最差,其次為S1采樣點,S5采樣點所在區(qū)域農(nóng)業(yè)分布和居民生活較密集,而S1采樣點所在區(qū)域同時發(fā)展農(nóng)業(yè)和旅游業(yè),因此開都河下游S5、S1水質(zhì)主要受農(nóng)田退水、生活污水影響;綜合得知,下游水質(zhì)最差,其次為上游水質(zhì),是由于開都河流域農(nóng)業(yè)規(guī)模較大,人口密集,城鎮(zhèn)化水平較高,并且建有若干不同規(guī)模的水電站,河流承接著農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)污水的排放。

表3 各采樣點水質(zhì)狀況綜合評價

空間分布表明,開都河水質(zhì)污染程度由大到小依次為下游>上游>中游。下游S1—S8采樣點區(qū)域農(nóng)業(yè)種植規(guī)模和城市面積大,且有食品加工、造紙、煤礦、制糖等5個企業(yè)廢水排污口和生活污水處理廠排污口,同時耕地面積占博湖、焉耆、和靜三縣的14.12%,承接農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活污水較多,受居民生活、工業(yè)點源和種植業(yè)面源污染綜合影響;上游S11—S15采樣點位于草原牧區(qū),近年來人口密度增大、放牧量增多且巴音布魯克草原景區(qū)接待游客數(shù)量不斷增加,使該區(qū)域受生活污水和畜禽養(yǎng)殖點源污染的影響較為嚴重;中游S9—S10采樣點位于峽谷地帶,水流湍急,人口密度低,且水能資源集中在此段,水體自凈能力較強,外來污染小,水質(zhì)較為良好。

2.4 水質(zhì)時間分布特征

為了區(qū)分夏季(6月)、秋季(10月)不同季節(jié)主導(dǎo)的環(huán)境因子,對兩個季節(jié)采樣點水質(zhì)進行主成分分析,以觀察不同季節(jié)環(huán)境因子的影響水平,夏季與秋季河流水質(zhì)差異較為明顯,在第一主成分中,水溫、NH3-N以及TN濃度與季節(jié)的變化密切相關(guān);夏季,水溫、NH3-N、TN以及TP主導(dǎo)河流水質(zhì)變化;秋季,pH值與EC主導(dǎo)河流水質(zhì)變化;夏季對水質(zhì)污染的貢獻率最大,污染較為嚴重,而秋季的貢獻率小,污染較輕,水質(zhì)在時間上的分布特征為夏季>秋季(圖5)。

圖5 水質(zhì)季節(jié)分布

夏季因降雨集中使河流水體流速大,底泥中氮、磷釋放量增多,同時雨水形成的地表徑流將城市地面、鄉(xiāng)村農(nóng)田中的污染物質(zhì)裹挾到河流中,加之氣溫高使河流內(nèi)微生物和底棲動物活動頻繁,河流水體污染較為嚴重;秋季人類活動減少,因降水少、氣溫低,使水體流動緩慢,泥沙等沖刷物逐漸沉降,河流內(nèi)水生生物進入休眠期,河流水體污染較輕。

3 討論

開都河水體污染物主要來自工業(yè)廢水、生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水和農(nóng)田退水引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染。下游主要為居民生活和工業(yè)點源以及農(nóng)業(yè)退水面源,上游為生活污水和養(yǎng)殖廢水點源,因此河流以富營養(yǎng)污染為主。河流下游農(nóng)業(yè)污染源較多,水質(zhì)最差,上游主要污染源為畜禽養(yǎng)殖帶來的氮、磷污染,隨著水體自凈,中游水質(zhì)優(yōu)于上游和下游。夏季由于雨水沖刷造成的農(nóng)業(yè)面源污染,使得水質(zhì)比其他季節(jié)差。據(jù)《巴音郭勒統(tǒng)計年鑒2019》統(tǒng)計,全州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥使用261 807 t,磷肥使用135 261 t,工業(yè)污染排放中NH3-N排放量163.368 t,生活污染排放中NH3-N、TN、TP排放量分別為893.549、1 024.453、20.290 t。說明巴州農(nóng)業(yè)、工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較大,生產(chǎn)生活用水量和污水排放量多,致使環(huán)境污染負荷上升。按照地區(qū)來說,開都河流域?qū)儆诰用裆?、工業(yè)點源和種植業(yè)面源污染中等地區(qū),水質(zhì)受面源與點源污染的雙重影響,與上述結(jié)論一致。

開都河各采樣點水質(zhì)呈現(xiàn)顯著的時空差異性,為減少河流水體污染物濃度,改善河流水體環(huán)境,要從源頭控制污染物的來源,加強開都河流域的監(jiān)測和治理[26]。

4 結(jié)論

(1)開都河水質(zhì)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅰ～Ⅲ類水標準,整體水質(zhì)狀況較好。S15采樣點EC最高,S2、S3、S5采樣點的TN、TP達到Ⅲ類標準,S1、S3、S5、S6和S7采樣點的NH3-N、TP達到Ⅲ類標準。

(2)TN、水溫和NH3-N主導(dǎo)開都河水質(zhì)的變化,且三者之間呈顯著正相關(guān)。

(3)空間上,開都河水質(zhì)污染情況為下游>上游>中游,下游和上游水質(zhì)受居民生活、工業(yè)點源和種植業(yè)面源污染綜合影響;而中游水體自凈能力較強,外來污染小,水質(zhì)較好。

(4)時間上,夏季是開都河污染最嚴重的季節(jié),夏季與秋季水質(zhì)差異較明顯,開都河受面源污染影響較大。水溫、NH3-N、TN以及TP主導(dǎo)夏季水質(zhì)變化,pH值與EC主導(dǎo)秋季水質(zhì)變化。