基于多元統計和AquaChem的天山南麓小流域水體化學計量特征

姚 毅

（新疆哈密水文勘測局，新疆 哈密 839000）

1 研究區概況

研究區位于新疆哈密市中部天山南麓，為哈密河上游的支流流域，該區北依山系、南臨哈密盆地，，流域面積1541 km2。區域屬于中亞準地臺天山裙皺帶，地勢東北高西南低，高程介于1053~2926 cm，形成了以山地、盆地、平原為主的地貌。由于身居歐亞大陸中部，距離海洋較遠，形成了暖溫大陸性氣候，冬季寒冷綿長、夏季高溫短促，年均溫7.5℃，多年均降水量50~150 mm之間，無霜期205 d，蒸發量達1800 mm，且晝夜和年溫差較大，日照時數充分。區域河流發源于天山余脈的冰雪融水，流程短促、水系縱列，5~8月是豐水期、11~2月是枯水期，為哈密地區重要的生產生活用水來源。流域土地利用林草為主，森林面積率為23.65%，地下水和山泉水較豐富。近幾年隨著載畜量增加、旅游業發展和城鎮化推進，流域生態系統遭到一定破壞。

2 材料與方法

2.1 水樣采集與化學測定

于2017年5月對流域內白楊溝、柳樹溝、榆樹溝3條河流進行野外取樣調查。在考慮了河流支流密度、流量、地形、河段位置等因素，共設置了23個水質斷面，其中白楊溝6，柳樹溝10個，榆樹溝7個，斷面位置如圖1所示。于斷面流水穩定處，應用，100 mL的聚乙烯瓶隨機采集5個樣品，放置于清潔、干燥玻璃瓶中，經封裝處理后送至實驗室予以測定。對于水體的pH，運用酸堿度檢測計進行現場測定。對于其他的化學指標，雙指示劑中和法測定HCO3，EDTA間接滴定法化驗，硝酸銀滴定法測試 Cl-，火焰分光光度法檢測 Na+、K+、Ca2+、Mg2+等活性金屬離子。在實驗過程中，定標曲線精度達到0.9999，滿足國家水質檢測方法標準要求[1]。

圖1 研究區示意圖和水質斷面

2.2 數據處理

將測定的水質化學指標數據錄入Excel2016中，先經3+δ處理剔除異常值（柳樹溝水質斷面1處），然后運用SPSS 21.0軟件對其他22個水質斷面數據進行統計分析，主要統計量為：極大值、極小值、平均值、標準差，并應用標準差與均值之比計算變異系數，以描述指標屬性離散程度。通過SPSS21.0軟件中的單樣本Kolmogorov-Smirnov法對各序列數據進行正態分布檢驗；person雙變量相關分析以揭示水質指標間的關系；通過主成分分析計算指標荷載矩陣，進而識別水體質量中的主要影響因子。此為，為比較白楊溝、柳樹溝、榆樹溝3條河流水質的化學特性，應用AquaChem軟件進行Durov分析[2~3]。

3 結果與分析

3.1 水質化學指標描述下特征

研究區水質化學計量特征如表1所示，22個水質樣點中的陰離子濃度高于陽離子濃度。在3項陰離子指標中，其中含量最高達到64.178 mg/L，次之，Cl-濃度最低，僅為2.768 mg/L。陽離子中，K+為 1.187 mg/L，其濃度最低，Na+濃度次低為3.272，Ca2+濃度達到18.745 mg/L，Mg2+為12.762 mg/L。從變異系數來看，各指標的變異系數均介于10%~100%，表明為中等程度變異，其中的變異性最大，達29.64%，表明其離散度較大。其他指標的變異性大小依次為：Na+（10.14%）

表1 水體主要化學指標統計特征 單位：mg/L

圖2 水體主要離子濃度直方圖

圖2 為研究區3河流水質化學濃度直方圖所示。依圖可知，各化學指標在柳樹溝、白楊溝、榆樹溝3河流水體中的含量差異性不顯著。Na+、Ca2+、Cl-的濃度以榆樹溝含量最低，并且該河流中Mg2+、pH、S高于另外兩條河流。柳樹溝河流水體中的Cl-、Na+、K+的濃度最高，白楊溝河流水體中、Ga2+的濃度最高。

3.2 水質化學指標相關性特征

相關性分析能夠檢測水體化學性質之間的相似或相異性，表2為研究區水質化學之間相關系數矩陣。依表可知，研究區水體中Ca2+的濃度與Mg2+、K+、Na+等陽離子呈顯著正相關（P<0.05），相關系數依次為 0.293、0.408、0.365，與 Cl-、等因子也標出顯著正相關性，其中與的相關性達到極顯著水平（P<0.01），相關系數為 0.583。Mg2+的濃度與、K+達到顯著相關水平，而與呈負相關，相關系數為-0.093，尚不具統計意義，與Cl-呈極顯著相關，相關系數為0.735。Na+的濃度與 Cl-、、的相關系數依次為 0.252、0.636、0.713，和的相關系數為0.588，均表現出正的顯著或者極顯著相關性。

表2 水質斷面相關性分析 單位：mg/L

3.3 水質化學指標Durov分析

利用AquaChem軟件對研究區白楊溝、柳樹溝、榆樹溝3條河流水質的化學指標間的關系進行空間可視化表達，如圖3所示。圖中方框、星號、圓形分別表示白楊溝、柳樹溝、榆樹溝的水質斷面，其在各軸上的投影，為該化學指標軸上此種指標的相對含量。圖中各河流水質斷面間并不存在明顯的分類聚集性，而呈現綜合聚集特征，表明各河流斷面水質差異性不明顯；其中投影位置存在些許重疊，表明其化學含量相近。各斷面水質特性在Cl-—軸上集中度最高，表明水體中其他金屬陽離子與該兩項指標存在密切的化學成分遷移[4]；有部分斷面水質集中于Ca+—Mg軸一側，表示陽離子成分中Ca2+、Mg2+的成分占優，是參與水體化學物質轉化的主要成分。另外，圖3還表明，區域水質總硬度主要分布于500~2000 mg/L，隨著礦化度增加Ga2+和 Na+濃度增加，區域水化學以 Cl-·+Na+·Ca2+型為主。

圖3 研究區水質指標Durov三線圖

3.4 水質化學指標主成分分析

研究區河流水源主要為冰雪融水和大氣降水，在水匯流過程中大氣環境、地質背景、人為活動是水質特性的主控因素。為更好分析各水質指標的來源，采用主成分分析法厘定斷面水質指標間的關系。一般而言，當特征值大于1的時候，表明提取的主成分具有統計意義，本研究主要提取了3個主成分，其因子荷載矩陣如表3所示。依表可知，第一主成分解釋了49.84%的信息，第二主成分可解釋度達到25.86%，第三主成分解釋量最小，僅為13.74%，3個主成分共解釋了89.44%的信息，表明其能夠較好地反映區域水化學特征。通常認為變量因子與主成分軸的相關系數大于0.7，表明該因子與成分軸之間的關系達到顯著水平。第一主成分軸反映的是Na+、K+、Ca2+、Cl-，研究區水體中Cl-的含量為0.231~9.782 mg/L，屬于中等偏小水平，表明氣象因素對其影響較低；而Cl-/Na+的值約約1.76，大于正常偏離值0.86的水平，表明存在硅酸鹽類礦物質的影響，(Na++K+)/Cl-小于1，表明Na+、K+的含量有一部分來自長石、方解石類黏土礦物。第二主成分主要反映了Ca2+、Mg2+、，統計表明(Ca2++Mg2+)/的摩爾濃度大于1，表明碳酸鹽類礦物是Ca2+、Mg2+的重要來源，而SO42-主要源于大氣沉降[5]。

表3 研究區斷面水質主成分分析

4 結論

通過對哈密河的上游水質進行調查取樣和測定分析，得出以下結論：哈密天山南麓上游水源區的水體pH呈中性至弱堿性；水體中各離子濃度結構不均衡，其中陰離子中以HCO3-和SO42-為主，陽離子以Ca2+和Mg2+為主。區域斷面水質指標間具有良好的相關性，表明它們存在共同而穩定的來源，Durov分析表明區域水化學為Cl-·HCO3-+Na+·Ca2+型，巖石風化和大氣沉降是水質特性的主控因素。哈密境內天山冰川生態環境良好，受人為污染影響較小，以冰雪融水為主哈密河上游地區水質各指標基本滿足飲用水標準，應該加強該地水環境生態保護。

[1]劉海平,鐘國輝,葉少文,等.西藏尼洋河水環境特征多元統計分析[J].湖泊科學,2015,27(6):1187-1196.

[2]劉永林,雒昆利,李玲,等.新疆天然水化學特征區域分異及其地質成因[J].地理科學,2016,36(5):794-802.

[3]洪濤,謝運球,喻崎雯,等.烏蒙山重點地區地下水水化學特征及成因分析[J].地球與環境,2016,44(1):11-18.

[4]孫平安,于奭,莫付珍,等.不同地質背景下河流水化學特征及影響因素研究:以廣西大溶江、靈渠流域為例[J].環境科學,2016,37(1):123-131.

[5]卓勇,吳勇,孫為奕,等.貴州威寧草海地區地下水化學特征與控制因素研究[J].科學技術與工程,2016,16(8):59-65.