焦 嬌

(河北省張家口水文勘測研究中心,張家口 075000)

0 引 言

湘江流域水環(huán)境的評價方法包括均值指數(shù)法[1]、WQI[2]模型等,對水環(huán)境主要污染物的識別方法則主要包括聚類分析[3]、回歸分析[4]以及主成分分析[5]等。WQI模型由徐祖信[6]提出,并應用于綜合水質(zhì)標識指數(shù)的評價中,其克服了評價方法的指標單一性、評價的主觀性等缺陷,并且在近些年不斷有學者對WQI模型進行改進[7],以期以最小的成本、最高的效率,實現(xiàn)水環(huán)境的評價。

本文以湘江流域77個水質(zhì)監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于改進的WQImin模型,結(jié)合主成分分析法及聚類方法,建立湘江流域的WQImin水環(huán)境評價模型,并通過皮爾遜相關(guān)性分析,確定各區(qū)域水環(huán)境的主要驅(qū)動因子。

1 研究概況

本研究以湖南省最大河流——湘江作為研究對象,湘江在湖南境內(nèi)流經(jīng)多個城市,包括長沙、湘潭、衡陽等地,最后匯入洞庭湖。湘江的分支還流經(jīng)婁底等地,支流還涉及到廣西省和江西省的多個城市和縣區(qū)[8]。湘江的流域水系比較發(fā)達,其中支流最大流域面積達上萬平方公里,如瀟水、耒水和洣水流域;流域面積在3 000～10 000km2的支流有5條,流域面積在1 000～3 000km2的支流有9條。

2 研究方法介紹

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

本研究的數(shù)據(jù)來源為湘江流域2020年整年的地表水月監(jiān)測數(shù)據(jù),其中共涉及77個監(jiān)測點,監(jiān)測數(shù)據(jù)包括水的溫度(T)、溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、六價鉻(Cr6+)、酸堿度(pH)、電導率、氯化物、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、鎘(Cd)、砷(As)、氨氮(NH3-N)等共計21個指標。各指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)均由省水利廳提供。

2.2 研究方法

本研究所采用的方法包括聚類分析、主成分分析方法,將多個具備相關(guān)性的變量組合為少數(shù)具備原變量大多數(shù)特征的相互獨立變量[9]。研究主要使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件SPSS,對水質(zhì)的21項監(jiān)測指標進行主成分分析,以此獲得可反映水質(zhì)多數(shù)信息特征的因子。

基于WQImin模型,確定各指標的權(quán)重,公式如下:

(1)

式中:n為研究所涉及的指標總數(shù);Ci為第i個指標的歸一化值,可根據(jù)式(2)計算得到;pi為第i個指標的權(quán)重,該值的選取見表1。

表1 基于WQImin模型計算得到的各水質(zhì)指標歸一化值和權(quán)重

(2)

式中:Ti為第i個指標的檢測值;參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)確定第i個指標的k級和k+n級的標準濃度Si,k和Si,k+n;Ii,k為i指標的k級指標值;N為標準值相同的個數(shù),N=1表示沒有相同標準值。

此外,采用極差標準化的方法,對數(shù)量級差異較大的數(shù)據(jù)進行處理,并基于皮爾遜線性相關(guān)法,對社會經(jīng)濟指標與WQImin值的相關(guān)性進行分析,確定與WQImin值相關(guān)性較高的社會經(jīng)濟指標。

3 研究結(jié)果分析

3.1 聚類分析結(jié)果及污染因子主成分分析

3.1.1 聚類分析結(jié)果

基于SPSS24.0軟件進行聚類分析,確定所涉及的77個監(jiān)測點水質(zhì)特征相似的聚成一類。根據(jù)聚類的結(jié)果,該77個監(jiān)測點聚類為3類。其中,第Ⅰ類監(jiān)測點包括從衡陽市到株洲市范圍的監(jiān)測站站點,如松柏、歸陽等;還有支流部分的監(jiān)測點,如瀏陽河、漣水等。第Ⅱ類包括16個監(jiān)測點,其中以湘江支流為主,包括舂陵水、漣水、涓水等;干流監(jiān)測站如永州境內(nèi)老埠頭站、湘潭境內(nèi)馬家河站和長沙市境內(nèi)暮云站。第Ⅲ類共計32個監(jiān)測點,主要分布在永州市境內(nèi),少數(shù)分布在郴州市和長沙市。

3.1.2 污染因子的主成分分析

基于SPSS24.0軟件,對3類監(jiān)測點的21項水質(zhì)指標進行處理,結(jié)果見表2-表4。

表2 基于聚類分析的I聚類監(jiān)測點的主成分分析結(jié)果

表3 基于聚類分析的II聚類監(jiān)測點的主成分分析結(jié)果

表4 基于聚類分析的III聚類監(jiān)測點的主成分分析結(jié)果

根據(jù)3類聚類站點的主成分分析結(jié)果可知,第Ⅰ類聚類站點的3個特征值均超過1,表明其主要污染物為溶解氧、五日生化需氧量、六價鉻、高錳酸鹽和氨氮;第Ⅱ類聚類站點的主要污染物為溶解氧、汞、五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮;第Ⅲ類聚類站點的主要污染物為溶解氧、五日生化需氧量、總磷、六價鉻和高錳酸鹽。由此可得到結(jié)論:整個湘江流域的污染因子為溶解氧、五日生化需氧量和高錳酸鹽。其中,溶解氧是研究水的自凈能力的重要參考依據(jù),其易受水文條件等條件的影響;而五日生化需氧量和高錳酸鹽則反映了水體受到有機物污染的情況,但污染源存在地區(qū)差異性。

第Ⅰ類聚類站點主要分布在衡陽市境內(nèi),由于該地區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)相對密集,包括汽車制造、金屬冶煉、化學品制造等工業(yè)[10],極易形成污染源;并且該區(qū)內(nèi)受到畜禽排泄污染較嚴重[11],由此導致水體中的五日生化需氧量、氨氮和部分重金屬超標,驗證了所確定的污染因子的合理性。第Ⅱ類聚類站點主要分布在湘江的支流上,通過主成分分析獲得的主要污染物為溶解氧、汞、五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮,其中生活污水等構(gòu)成五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮污染因子,而汞主要是工業(yè)污染所致。第Ⅲ類聚類站點主要分布在永州市境內(nèi),以及郴州市和長沙市的小部分區(qū)域,其主要污染物為溶解氧、五日生化需氧量、總磷、六價鉻和高錳酸鹽,其中五日生化需氧量和總磷主要來源于農(nóng)業(yè)污染,而氨氮主要來源于生活污染。

3.2 湘江流域水環(huán)境評價

基于WQImin模型,對湘江水環(huán)境進行評價。其中,3類聚類站點的計算指標分別為:第Ⅰ類聚類站點為溶解氧、五日生化需氧量、六價鉻、高錳酸鹽和氨氮;第Ⅱ類聚類站點為溶解氧、汞、五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮;第Ⅲ類聚類站點為溶解氧、五日生化需氧量、總磷、六價鉻和高錳酸鹽。設置WQImin模型的評分標準,主要包括90～100、80～90、70～80、60～70、50～60五檔。

3.2.1 汛期及非汛期 WQImin值分析

湘江流域非汛期與汛期的月份分別為10月份至次年3月份以及4-9月份。根據(jù)式(1)和式(2)計算得到的各監(jiān)測站的WQImin范圍為70～95.2,而非汛期的水質(zhì)要高于汛期,其中WQImin值處于90～100的站點總數(shù)占全部站點的23%,而處于80～90的站點總數(shù)占全部站點的60%,分別比汛期高出13%和56%。

地區(qū)之間的水質(zhì)也存在較大差異,如永州地區(qū)的水質(zhì)環(huán)境要明顯比其他地區(qū)好。其中,WQImin值處于90～100的站點主要分布在桂湘緩沖區(qū)、永州開發(fā)利用區(qū)、祁陽開發(fā)利用區(qū)以及瀟水;湘江支流如紫溪河、春陵水、漣水等在非汛期水質(zhì)優(yōu)于汛期,且WQImin值處于90～100;湘江干流如衡陽、株洲區(qū)域內(nèi)以及各支流如耒水、攸水等汛期的WQImin值普遍分布于70～80,表明這些地區(qū)的汛期水環(huán)境存在較大問題。

3.2.2 湘江流域干支流的WQImin值沿程分析

湘江干流包括永濟、衡陽、株洲、湘潭和長沙的年平均WQImin值分別為91.1、82.7、80.9、78.7和81.6,WQImin值的變化呈先降低后升高的趨勢。其中,永濟市的年平均WQImin值最高;湘潭市則最低。具體WQImin值見圖1至圖6。

圖1 湘江干流的WQImin值

春陵水經(jīng)由永州在衡陽境內(nèi)匯入湘江的干流,春陵水的WQImin值呈逐漸降低的變化趨勢,WQImin值由89.0降低至84.0,見圖2;耒水經(jīng)由郴州在衡陽境內(nèi)匯入湘江的干流,耒水的WQImin值呈降低的變化趨勢,WQImin值由88.2降低至81.2,見圖3;漣水經(jīng)由婁底在湘潭境內(nèi)匯入湘江的干流,漣水的WQImin值也呈降低的變化趨勢,WQImin值由86.4降低至80.0,見圖4;洣水經(jīng)由株洲在衡陽境內(nèi)匯入湘江的干流,洣水的WQImin值呈降低的變化趨勢,WQImin值由83.8降低至80.6,見圖5;位于永州境內(nèi)的瀟水的WQImin平均值為90.7,見圖6。

圖2 春陵水WQImin值

圖3 耒水WQImin值

圖4 漣水WQImin值

圖5 洣水WQImin值

圖6 瀟水WQImin值

3.3 湘江流域水環(huán)境驅(qū)動因子分析

針對湘江流域進行分區(qū)域,以追蹤水環(huán)境的驅(qū)動因子,并開展皮爾遜相關(guān)性分析,以確定各區(qū)域水環(huán)境的主要驅(qū)動因子,確定的各主要地區(qū)WQImin值與社會經(jīng)濟指標的相關(guān)性分析結(jié)果見表5。其中,長沙、株洲、湘潭以及衡陽水環(huán)境的主要驅(qū)動因子為化肥使用、工業(yè)廢水排放和常住人口;永州的主要驅(qū)動因子為化肥使用和常住人口;婁底和郴州的主要驅(qū)動因子為工業(yè)廢水排放和常住人口。

表5 各主要地區(qū)WQImin值與社會經(jīng)濟指標的相關(guān)性分析結(jié)果

4 結(jié) 論

本文采用聚類分析的方式,對湘江流域77個水質(zhì)監(jiān)測點進行了聚類,并采用主成分分析的方式,對各聚類監(jiān)測點的水質(zhì)指標進行了分析,然后基于WQImin模型,建立水環(huán)境在汛期與非汛期的評價方法,同時開展了皮爾遜相關(guān)性分析,最終確定了各區(qū)域水環(huán)境的主要驅(qū)動因子。結(jié)論如下:

1)整個湘江流域的主要污染因子為溶解氧、五日生化需氧量和高錳酸鹽。其中,以衡陽市境內(nèi)為主的第Ⅰ類聚類站點主要受農(nóng)業(yè)因素的影響,主要污染物為五日生化需氧量、氨氮和部分重金屬。主要分布在湘江支流上的第Ⅱ類聚類站點的主要污染物為溶解氧、汞、五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮,污染源包括生活污水、工業(yè)污染和市政污水;第Ⅲ類聚類站點主要分布在永州市境內(nèi)以及郴州市和長沙市的小部分區(qū)域,其主要污染物為溶解氧、五日生化需氧量、總磷、六價鉻和高錳酸鹽,其中五日生化需氧量和總磷主要來源于農(nóng)業(yè)污染,而氨氮主要來源于生活污染。

2)根據(jù)WQImin模型,計算得到湘江流域各監(jiān)測站的WQImin范圍為70～95.2,非汛期的水質(zhì)要明顯優(yōu)于汛期水質(zhì)。湘江流域各地區(qū)之間的水質(zhì)存在較大差異,其中水質(zhì)最好的地區(qū)即WQImin值處于90～100的站點,主要分布在桂湘緩沖區(qū)、永州開發(fā)利用區(qū)、祁陽開發(fā)利用區(qū)以及瀟水;而湘江干流如衡陽、株洲區(qū)域內(nèi)以及各支流如耒水、攸水等汛期的WQImin值普遍分布于70～80,表明這些地區(qū)的汛期水環(huán)境存在較大問題,應加強該地區(qū)汛期水環(huán)境的監(jiān)管。

3)根據(jù)皮爾遜相關(guān)性分析,確定各區(qū)域水環(huán)境的主要驅(qū)動因子。其中,長沙、株洲、湘潭以及衡陽水環(huán)境的主要驅(qū)動因子為化肥使用、工業(yè)廢水排放和常住人口;永州的主要驅(qū)動因子為化肥使用和常住人口;婁底和郴州的主要驅(qū)動因子為工業(yè)廢水排放和常住人口。