杭州市錢塘江干支流水質多元統計分析

錢天鳴

杭州市環境監測中心站，浙江 杭州 310007

錢塘江是浙江省第一大河，流域面積約5.5萬平方千米，有北、南2個源頭，分別發源于安徽省休寧縣和皖贛2省交界處，以新安江和蘭江交匯于杭州建德市梅城。河水由西南向東北流動，經新安江、桐江、富春江和錢塘江，最終注入杭州灣［1］。錢塘江歷來是杭州市的主要飲用水源地，市區80%的飲用水取自錢塘江，取水口均位于錢塘江下游河道。近年來，隨著上游地區經濟社會的快速發展，沿江兩岸的工農業生產排污和城鎮生活污水排放量日益增加，上游流域性外來污染已經給下游杭州市飲用水供水安全造成較大影響［2］。

多元統計分析方法作為水環境問題分析與識別的重要工具，在各種水體水質評價與分析中得到廣泛應用［3-11］。該方法可以對大量復雜的水質監測指標進行分析，在確保原有數據信息量丟失最小的原則下，基于各個指標相關關系的研究，將多個指標的信息壓縮為幾個能反映問題特征的綜合指標，并根據這些特征指標對水體水環境狀況進行綜合分析，從而避免了人為確定各指標權重的主觀隨意性。由于錢塘江上游來水以及干支流的水質狀況存在一定的差異，不同河段水質的主導影響因子也有所不同，因此識別影響錢塘江水體水質的主要因子，確定各個影響因子的貢獻率，對于客觀評價其水環境質量現狀具有十分重要的意義。按水質指標聚類分析將錢塘江上游來水以及干支流分為3組，針對這3組河段分別進行主成分分析，找出其主要影響因子，以期為控制錢塘江主要污染物指標、保護好飲用水源地提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 研究區域及采樣點布設

為比較全面地分析錢塘江上游來水以及干支流水體的水質情況，根據錢塘江水系分布特點，由上游至下游，選取的干支流主要包括新安江、壽昌江、長寧溪、蘭江、富春江、三都溪、胥溪、蘆茨溪、清緒溪、分水江、淥渚江、壺源溪、筧蒲港、大源溪、浦陽江、錢塘江。2012年1—12月在上述干支流布設有代表性的斷面進行水質采樣監測，每月1次，研究區域內共設置26個監測斷面。干支流水系及監測分布見圖1。

圖1 錢塘江干支流采樣分布圖

1.2 監測指標與分析方法

主要監測指標為pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、鉻、鉛、氰化物、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑等20項，除pH、溶解氧用儀器現場測定外，其余水質指標均添加固定試劑后冷藏保存帶回實驗室檢測，各監測指標的測定方法均采用國標方法［12］。

1.3 水質數據處理

采用系統聚類分析法分析水質空間變化特征，首先對原始數據進行標準化，消除量綱影響，再以歐氏距離度量樣本間距離，運用離差平方和法生成具有層次結構的聚類樹。應用因子分析法對聚類分析產生的每一組監測點的水質理化指標進行因子分析，采用主成分法提取公因子，分析影響水質的主導因子。統計軟件為SPSS16.0。

2 結果與討論

根據錢塘江干支流監測斷面水質總體特征(表1)及《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，采用單因子評價方法(河流水質總氮指標未參評)得到研究期間錢塘江干支流監測斷面水質類別以Ⅱ～Ⅲ類為主，所占比例達77%;支流蘭江、三都溪和分水江的水質為Ⅳ類;支流浦陽江的水質為Ⅴ類;支流大源溪和筧浦港的水質為劣Ⅴ類。從監測指標的相對偏差來看，各監測指標值季節波動較小。

表1 錢塘江干支流水質總體特征

2.1 干支流聚類分析

根據錢塘江干支流的水質指標值，進行系統聚類分析，將監測斷面分為3組。第1組包括銅官燈塔、源口、白沙、楊村橋鎮、黃栗坪、乾潭、安仁、蘆茨、青江口，主要分布在壽昌江、新安江、長寧溪、胥溪、清緒溪、蘆茨溪和壺源溪上;第2組包括三都老橋頭、富春江大壩、桐廬一橋、分水江大橋、窄溪大橋、董灣、中埠大橋、富陽、里山、老鼠尾巴、聞家堰、珊瑚沙、閘口，主要分布在三都溪、分水江、淥渚江、富春江和錢塘江干流上;第3組包括三河、筧浦港、大源、臨浦老大橋，主要分布在支流蘭江、大源溪、浦陽江和筧蒲港上。聚類譜系見圖2。

2.2 干支流水質主導因子分析

根據聚類分析結果，采用主成分分析法對3組監測斷面的水質主導因子進行分析，其中前2組水質指標提取 4 個主成分(F1、F2、F3、F4)，第3組水質指標提取2個主成分(F1、F2)，旋轉因子載荷矩陣結果見表2。

圖2 錢塘江干支流斷面水環境因子聚類分析

表2 錢塘江干支流斷面旋轉因子載荷矩陣

表2顯示，前2組4個主成分和第3組2個主成分累計貢獻率均超過80%，基本包含20項水質指標信息。第1組F1的方差貢獻率為27.87%，高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、總氮所占因子載荷較大，與F1的相關系數絕對值都超過0.65，反映了監測斷面所在河流水體以有機污染為主的特征，氮鹽作為水生生物的主要營養來源在水體中保持較高的濃度，使得水生生物數量增加，五日生化需氧量也隨之上升［13］。F2方差貢獻率為21.80%，總磷所占因子載荷較大，也進一步反映該組監測斷面水體中的營養鹽濃度較高。總體來說，第1組監測斷面所在河段以有機污染為主，水體中氮、磷營養鹽濃度相對較高。從監測斷面所在河流分析，水體污染程度較輕，污染來源也比較單一。

第2組F1的方差貢獻率為33.85%，其中高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、總氮、石油類、陰離子表面活性劑所占因子載荷較大，說明該組監測斷面所在河流水體的有機污染特征與第1組類似，石油類及陰離子表面活性劑載荷較大，可能是由所在河段碼頭船舶航運污水排放導致。F2方差貢獻率為18.02%，其中銅、鋅、鎘所占因子載荷較大，反映該組監測斷面所在河流水體中存在一定的重金屬污染。第2組監測斷面所在河流水體受有機物、重金屬、石油類等多個水質指標的影響。從監測斷面所在河流分析，水體水質較第1組差，污染來源相對復雜，主要來自上游及支流水體。

第3組F1的方差貢獻率為49.47%，其中溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、總氮、銅、氰化物、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑所占因子載荷較大;F2的方差貢獻率為34.43%，其中pH、總磷、鋅、氟化物、六價鉻、鉛所占因子載荷較大。該組監測斷面所在河流水體污染情況是3組中最重的，既有一般有機污染，也有重金屬、有毒有害物質的污染。從監測斷面所在河流分析，三河斷面所在的蘭江是錢塘江水系的2大重要支流之一，由于上游衢江與金華江地區經濟發展迅速，兩岸諸多工業污染源和生活污染源的排放使得近年來蘭江污染一直較重;筧浦港斷面所在河流位于富陽城區，主要是生活污染較重;大源斷面所在的大源溪，主要是由當地大量造紙企業生產帶來的污染;臨浦老大橋斷面所在的浦陽江，主要是由上游地區大量工業污染源排放帶來的污染，其中水晶、制藥等企業數量眾多，給水體帶來較重污染。

杭州市區的飲用水取水口主要設置在錢塘江的聞家堰至閘口段，處于整個水系的下游河段，承納了上游地區及兩岸支流的污染來源。從3組監測斷面所在河流水體水質的主導因子分析，錢塘江干支流不同組別之間的主要影響因子存在比較明顯的差異，但總體上仍以有機污染為主，氮、磷營養鹽濃度偏高，部分支流的水體污染嚴重，污染指標包含重金屬及有毒有害物質。

3 結論

利用2012年1—12月錢塘江干支流的水質監測數據進行多元統計分析，應用系統聚類分析將26個監測斷面所在河流分為3組。這3組斷面所在河流的空間分布區域性明顯，顯示了3種不同的污染水平。對聚類后3組河流分別進行因子分析，結果表明，第1組河流以有機污染為主，水體中氮、磷營養鹽濃度相對較高，水體污染程度較輕，污染來源也比較單一;第2組河流水體受有機物、重金屬、石油類等多個污染指標的控制，水體水質較第1組差，污染來源相對復雜;第3組河流水體既有一般有機污染，也有重金屬、有毒有害物質的污染，水體水質污染重。杭州市區的飲用水取水口均位于錢塘江下游河段，聚類分析后該河段屬于第2組，水體水質易受上游地區及兩岸支流污染匯入的影響，應當根據干支流不同的污染主導因子，有針對性地加大治理力度，保障錢塘江水資源的可持續發展。

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