基于多元統計分析的尼洋河水質評價

郝守寧，田軍林，董 飛

(1.西藏農牧學院，西藏 林芝 860000；2.中山市水庫水電工程管理中心，廣東 中山 528403；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

河流水質是流域生態系統健康評價的一項重要指標，同時也是分析流域污染特征的重要依據之一[1,2]，全面評價河流水環境質量掌握水環境污染特征是防治河流水環境污染的重要依據[3]。尼洋河流域位于藏東南生態安全屏障區水生態環境極其脆弱，同時也是工布江達縣與林芝市的重要飲用水源地，隨著林芝市種植業及其旅游業的發展，河流水環境問題日益突出，人口的增加及社會經濟系統排放的污染物勢必會對水環境質量造成嚴重的危害[4]，尼洋河水質指標超標問題日益凸顯逐步成為高原城市可持續發展的瓶頸要素。多年來，對尼洋河的水環境問題研究方面極為欠缺，僅僅停留在對尼洋河水質中的幾項常規指標利用單因子評價法和模糊綜合評價法進行簡單的評價論述，但河流水環境問題是由多項組成的復雜系統，且不同的監測指標間往往存在一定程度的重疊，從而造成單因子評價法和模糊綜合評價法在對尼洋河水環境問題的評價上具有一定的局限性和適用性[3]。多元統計分析方法被廣泛應用到水體水質評價與分析中[5]，同時對水質空間變化的分析和污染指標的識別都是很有效的方法[6]。本研究借助SPSS軟件的統計分析平臺利用主成分分析法和絕對主成分多元線性回歸模型，應用主成分分析法[3]對尼洋河干流多個原始水質影響因子轉化為少數幾個相互獨立的綜合指標進行，識別其污染指標并對水質進行綜合評價，進一步利用絕對主成分多元線性回歸模型[6]量化分析各主成分對尼洋河不同水質指標的影響程度，以期為控制尼洋河主要污染物指標，開展高原生態脆弱區水資源保護和可持續利用具有非常重要的意義。

1 材料及方法

1.1 研究區概況

尼洋河流域位林芝市西北部，屬于藏東南生態安全屏障區，河流發源于西藏自治區米拉山西側的錯木梁拉，由西向東流，河流全長約309.02 km，流經工布江達縣、林芝縣，在林芝縣的則們附近匯入雅魯藏布江，多年平均年徑流深大約972 mm，水量僅小于帕隆藏布，為雅魯藏布江的第二大支流[7]。尼洋河受印度洋暖流與北方寒流的影響，形成了林芝地區特有的氣候條件，流域內氣候溫和濕潤，年均氣溫8 ℃左右[8]，年降水量800 mm左右且年內徑流量相對集中在6-9月，汛期徑流量占年徑流總量的90%左右[9]。尼洋河流域河網較為密集，干流的支流眾多，大約每隔4～5 km就有一條常年流水的溝谷，屬于典型的高原河流。同時尼洋河是工布江達縣和林芝縣生活及農牧業生產的重要供水水源地，流域內的畜禽養殖和農耕種植是農牧民的主要經濟來源。隨著社會經濟的發展及農村城鎮化的推進，加之尼洋河干流水利工程的建設的加速，直接影響了尼洋河干流多項水質監測項目濃度值在空間上的變化，因此，分析和評價尼洋河干流水體的污染特征具有重要的意義。

1.2 斷面布設與水質指標監測方法

依據《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91-2002) 中的斷面布設原則，結合高原河流特有的地形地貌特征及尼洋河水系的分布特點，綜合考慮流域內污染源和水利工程的分布特征以及采樣點的可達性，在尼洋河干流共布設10個監測斷面，監測點分布見圖1。采樣頻次為2018年枯水期(1-3月)與豐水期(7-9月)每月1次。評價指標選取化學需氧量COD、氨氮NH3-N、總氮TN、總磷TP、 鉛Pb和鎘Cd共6項。具有代表意義的水質指標總氮TN、總磷TP、氨氮NH3-N、化學需氧量COD，采集500 mL水樣分別加硫酸和硝酸固定后放置于密封采樣容器帶回實驗室進行測定(3次重復)，由于尼洋河水環境中的重金屬含量較小，鉛Pb、鎘Cd和銅Cu的檢測依托西藏農牧學院高原水環境水生態研究所內的SP-35620原子吸收分光光度計進行檢測分析。水樣水質的保存、預處理和檢測嚴格按照國家相關標準方法。

圖1 尼洋河流域采樣點位分布示意圖

1.3 評價方法

本研究應用SPSS23.0軟件中的因子分析功能對尼洋河各個監測斷面的水體指標濃度提取主成分，采用最大方差法對因子進行旋轉，根據得到的旋轉因子載荷矩陣進行水質綜合評價，同時分析各主成分中顯著相關的水質指標，同時對汛期和枯水期水體水質指標進行相關性分析，了解水體中各指標間的相互關系分析其污染來源，結合因子分析后公共因子的得分進行加權求和，對河流監測點進行綜合得分[10]評價分析，其中權數為公共因子的方差貢獻率。通過對研究區內汛期與枯水期原始檢測水質指標含量的KMO和Bartleet檢驗分析，汛期與枯水期監測數據的KMO檢驗值分別為0.548與0.501(都大于0.5)，且Bartleet檢驗的顯著性分別為0.000與0.001(都小于0.01)，此分析結果說明進行因子分析是可行的[6]。

2 結果與討論

2.1 尼洋河水體污染物含量特征

對2018年尼洋河汛期和枯水期的6項監測水質指標濃度進行統計分析，描述統計結果見表1，由表1可知，6項水質指標中除了COD與Cd汛期均值大于枯水期，其余水質指標平均濃度值均小于枯水期，此結果主要由流域內高山雪融水增加，汛期降雨量充沛所導致，汛期降雨與高山雪融水的驟增使河道水量增加[9]從而增強了河水對入河污染物的稀釋。所監測的6項水質指標在汛期與枯水期有著同樣的規律，其平均濃度值排序均為COD> TN>NH3-N>TP>Pb>Cd。由各水質指標濃度的最小值與最大值可知尼洋河水質在時空分布上，所監測的6項水質指標中除了Pb的濃度范圍波動枯水期大于汛期，其余5項水質指標濃度波動范圍均小于汛期，由此可見汛期尼洋河水質在空間分布上差異較大，此結果與汛期降雨量入河所攜帶的面源污染物離不開關系。依據GB3838-2002《地表水環境質量標準》中水質指標標準值，尼洋河汛期和枯水期的水質指標NH3-N、TP、Pb 與Cd的平均濃度值都低于Ⅰ類標準限值；COD指標平均濃度值在枯水期屬于Ⅲ類水質，在汛期則屬于Ⅳ類水質；TN指標在汛期與枯水期的平均濃度值均屬于Ⅱ類水質。由于所監測的6項水質指標濃度范圍波動較大，結合采樣點的分布及水質指標檢測的原始結果可知尼洋河水體水質在時空分布上有以下特征：根據汛期及枯水期COD指標濃度在河流上的分布，汛期與枯水期有著相似的規律，尼洋河水體中COD指標濃度最高值同時出現在中游(巴河入尼洋河的前后監測點)屬于劣Ⅴ類水質，最小濃度值出現在下游(林芝市前后監測點)小于Ⅰ類水質標準濃度，汛期與枯水期水體中的COD指標濃度表現為中游>上游>下游；TP、NH3-N與TN指標濃度值汛期在空間上的分布有著相同的規律，濃度最高值同時出現在上游，且濃度值伴隨河流方向呈平穩下降的趨勢，TN指標濃度值在枯水期與汛期在空間分布上基本相似，但汛期的TP與NH3-N指標濃度值在空間上沒有明顯的變化趨勢，但總體表現為下游水體濃度值最低，尼洋河水體中TP、NH3-N與TN指標濃度值在Ⅰ～Ⅲ類水體標準值之間；汛期重金屬Pb 與Cd指標濃度值在空間分布上隨河流方向成線性下降趨勢，且濃度值排序為上游>中游>下游，但枯水期重金屬Pb 與Cd指標最小濃度值出現在中游，其濃度值在空間的排序游>下游>中游。值得注意的是6項水質指標濃度在空間上的分布同時表現為汛期水質優于枯水期。以上分析結果與次仁卓瑪[11]對尼洋河水質檢測結果的描述基本吻合。尼洋河下游水體水質在時空分布上變現為汛期下游水體最優。

表1 尼洋河水質監測數據統計

2.2 尼洋河水質指標相互關系

相關性分析常用來揭示指標間的相互內在關系，通過對尼洋河6項水質指標濃度值進行相關分析，尼洋河各水質指標間的相關關系矩陣見表2。由表2可知汛期水體中水質指標間顯著相關指標多于枯水期，說明尼洋河水體受流域內降雨匯流帶來的面源污染因子影響較大；無論在汛期還是枯水期尼洋河水質指標COD與其余5項水質指標無明顯的相關關系，說明指標COD污染來源于其余污染指標來源不同[8]；汛期指標TP與TN、NH3-N、Pb 、Cd指標均有顯著的相關性，指標TN與NH3-N相關系數為0.686，指標NH3-N與重金屬指標Pb與Cd的相關系數分別達到了0.724與0.846，同時重金屬指標指標Pb與Cd的相關系數達到0.921；尼洋河流域重金屬指標主要來自流域的土壤內，而常規指標污染物主要來自流域內的畜禽養殖及其他的農業面源污染源[12]，重金屬指標Pb與Cd的相關系數說明，受汛期降雨影響流域內水土流失加重是河流水體重金屬的主要來源，結合流域監測斷面實測指標濃度與流域內的生產力及其生活生產方式分布[13]，指標TP與TN、NH3-N、Pb 、Cd的相關系數，反映了流域內降雨入河所帶入水體的常規污染物及重金屬污染物(TP、TN、NH3-N、Pb 、和Cd)主要來源于流域地表殘留的面源污染物[14]，NH3-N與重金屬指標Pb與Cd相關系數說明了此三項指標污染源主要來源于流域內農田的水土流域。枯水期唯有兩組顯著相關的指標關系，指標TP與TN的顯著相關系數為0.734，指標NH3-N與重金屬指標Pb和Cd的顯著相關系數分別為0.640與0.936；枯水期的水體水質受降雨匯入的影響較小，綜合6項指標濃度間的顯著相關系數與各監測斷面的結果，枯水期水體中TP與TN指標主要來源于流域內居民生活污水及河灘地的畜禽養殖，污染物NH3-N與重金屬Pb和Cd主要來自高山融雪水對河流沿程土壤中重金屬的攜帶。

表2 各指標之間相關關系

注：**表示在0. 01上顯著相關，*表示在0. 05上顯著相關。

2.3 尼洋河水質主成分分析

對尼洋河汛期和枯水期的水質指標濃度進行主成分提取及旋轉因子載荷矩陣見表3，結果表明：尼洋河水體指標汛期提取出2個主成分，第1主成分FPC1和第2主成分FPC2的方差貢獻率分別為59.33%和25.37%，累計方差貢獻率達到84.7%，由此可知FPC1較FPC2對尼洋河汛期水體水質狀況影響大；從旋轉因子載荷系數值可知，汛期尼洋河水體指標與FPC1顯著相關的指標有TP、TN、NH3-N、Pb 、Cd，其中唯有NH3-N、Pb 、Cd與FPC1的相關性均大于0.90，說明汛期尼洋河水體重金屬污染較為嚴重，據研究畜禽養殖對水環境的影響中發現畜禽糞便中重金屬含量較高[14]，且長期的畜禽糞便停留在流域地層表明，經過汛期降雨的沖刷大部分會帶入主干河流水體中，加之汛期降水量較大加快了流域內的水土流失，土壤中的重金屬與畜禽糞便中的重金屬是汛期重金屬指標的重要來源；與FPC2顯著相關的指標有TP、COD、TN、NH3-N、Pb ，其中唯有指標COD與FPC2的相關系數大于0.90，尼洋河流域地處高原，流域內沒有重工業的影響，其污染物的主要來源為流域內的農業污染源[12]，研究成果[15]顯示流域水體COD，TP、TN、NH3-N等常規指標污染的主要來源為畜禽養殖及生活污水污染源，汛期的降雨是畜禽養殖、生活污水與農田化肥等污染源通過面源污染進入河流水體的主要途徑。尼洋河水體指標枯水期同樣提取了出2個主成分，第1主成分LPC1和第2主成分LPC2的方差貢獻率分別為47.254%和34.743%，累計方差貢獻率達到81.997%，同樣LPC1較LPC2對尼洋河枯水期水體水質狀況影響大，枯水期尼洋河水體指標與LPC1顯著相關且相關系數大于0.90的指標唯有NH3-N和Pb兩個指標，與LPC2顯著相關且相關系數較大唯有TP指標，枯水期水體主要為有機污染，常規指標污染濃度較大，枯水期面源污染對河流影響較小，但尼洋河流域地形特殊，流域內農牧業主要分布在寬闊的河谷灘地，河流主要來水為高山雪融水，受特殊的地形地貌及農牧業的影響，枯水期內畜禽養殖糞便直接排放到河流當中，較汛期雨水引起的面源污染更為嚴重，監測結果與主成分分析結果基本吻合，枯水期水體有機物指標濃度高于汛期。由于枯水期重金屬Pb與Cd指標濃度平均值與汛期差別較小(表1)，且在汛期和枯水期都與第1主成分相關性較高，此結果說明了尼洋河水體中重金屬污染來源有差異。

表3 尼洋河水質主成分分析及其旋轉因子載荷矩陣

2.4 尼洋河水質特征綜合評價

尼洋河各監測斷面汛期與枯水期水體水質指標的主成分綜合得分見表4，其中綜合評價得分中所計算的每個斷面得分數據都是標準化后的數據，其得分為負值不代表負相關，而是說明此綜合得分低于平均水平。結果表明：無論是汛期還是枯水期綜合得分最高的監測斷面為巴河入尼洋河的前后監測斷面，值得注意的是汛期巴河前監測斷面綜合得分大于巴河后監測斷面，而枯水期巴河巴河前監測斷面綜合得分小于巴河后監測斷面，說明汛期巴河水質優于巴河入口氣前的尼洋河水質，汛期巴河與干流水量較大，受巴河上游水庫的影響巴河匯入尼洋河后對干流水質有較好影響，而枯水期巴河水量及干流水量都比較小，優于巴河上游老虎嘴電站蓄水發電的影響，巴河流量較少，受巴河流域內農牧業的影響水體中所含污染物濃度較高從而影響尼洋河干流水質；結合圖1監測點的分布及各斷面，各監測斷面在汛期與枯水期的綜合得分有著相同的規律，即綜合得分最低的斷面分布在尼洋河下游，說明下游水體水質最優，自多布電站水庫以下，尼洋河干流河網密集度逐步減少，且下游多以城鎮民居住為主[13]，污染源相對單一且容易控制，在時空分布上下游水體水質在整個尼洋河流域屬于最優水體；上游各監測斷面(工布江達后至娘曲前)在汛期與枯水期的綜合得分低于中游，高于下游，說明上游水體水質劣于下游水體而優于中游水體，上游河網較為密集，且控制流域面積較大，無論汛期還是枯水期水土凍融流失[16]較為嚴重，同時上游以牧業為主[13]，大量畜禽糞便對尼洋河上游水質有一定的影響。主成分分析(表3)的分析結果與水質指標間相互關系(表3)分析結果從側面目驗證了上游水體中重金屬與常規指標污染物主要來自流域土壤和畜禽養殖糞便的流失。同時尼洋河水質的綜合評價得分結果，與上述尼洋河水體污染特征中依據GB3838-2002《地表水環境質量標準》分析的結果一致，無論汛期還是枯水期下游水體水質最優，中游水體水質最差，上游水體水質優于下游劣于下游。

表4 尼洋河水體各斷面水質綜合評價

3 結 論

(1)尼洋河水體水質主要為水體富營養化污染和有機污染，主要體現在COD、 TN及TP的污染濃度較大；不論枯水期還是汛期，水體中水質指標濃度的大小與流域內畜禽養殖、生活污染及水土流失等污染源的分布有著密切的關系；尼洋河水體在時間上的表現為汛期水質優于枯水期，汛期和枯水期水質指標濃度提取的主成分和各個監測斷面綜合得分的差異，說明流域內降雨及支流對水質指標濃度產生一定的影響。

(2)尼洋河水體各水質指標間在汛期和枯水期的顯著相關關系，說明水體中各水質指標的污染來源同流域內生產生活方式的分布及水土流失的分布有著密切的關系。尼洋河水質指標的統計分析的結果說明，汛期水質指標污染程度在空間上分布上差異較枯水期大，且研究水體中水質指標的濃度值在空間上的分布與提取的主成分綜合得分的評價結果一致。

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