南流江水質時空變化特征及影響因素研究

林 卉，藍月存，許園園，黃伯當，滕云梅

(廣西壯族自治區生態環境監測中心，廣西 南寧 530028)

1 引言

南流江發源于玉林北流市新圩鎮大容山主峰蓮花頂南麓，由北向南依次流經玉林、欽州和北海后匯入廉州灣海域。南流江是桂南沿海諸河中，流程最長、流域面積最大、水量最豐富的河流，干流全長285 km，流域面積9232 km2。南流江流貫的玉林盆地、博白盆地和南流江三角洲是廣西重要的農業生產基地之一[1]，下游總江口是合浦縣集中式飲用水水源地。隨著工農業生產、畜禽養殖業的迅速發展，大量養殖廢水、工業廢水、生活污水污物直接排放導致南流江水質不斷惡化。南流江水質惡化極大地制約了沿岸社會經濟的發展和居民的正常用水，南流江被列為廣西7條污染最為嚴重的河流之一，其治理成為廣西跨世紀綠色工程之一[2]。因此，研究近年南流江水質的變化情況及當前南流江水質狀況，判定當前水質情況及變化，對提出應對策略、保障南流江水質安全具有重要意義。

水質綜合評價是根據某些水質指標值，通過建立數學模型，對某水體的等級進行綜合評判，為水體的科學管理和污染防治提供決策依據。目前水質綜合評價方法很多，其中比較有代表性的方法有主成分分析法、聚類分析法、神經網絡法、質量指數法、模糊綜合評價法等[3～10]，這些評價方法都存在各自的優缺點。主成分分析法、模糊綜合評價法是基于矩陣運算的評價方法，評價結果較符合實際，但在隸屬度矩陣、權重選擇方面存在不足；聚類分析是根據樣本自身的屬性，將性質相近的歸為一類，其結果直觀，結論形式簡明，但樣本量較大時，要獲得聚類結論有一定困難；質量指數法計算原理與過程簡單，能反映河流污染狀況，但是不能直觀判斷綜合水質類別；神經網絡法是基于樣本訓練的評價方法，能夠很好地反映評價因子與水質類別間的非線性關系，但是評價指標的選擇不確定、計算復雜、定性評價結果不直觀，在理論和方法上還不成熟。其中，主成分分析法和聚類分析法能夠較為準確地揭示水質的時空變化趨勢，識別主要污染因子[11]。本文首次利用主成分分析法和Spearman秩相關系數法結合對南流江的水質進行了現狀和趨勢變化分析。利用主成分分析法定量評價水質實際狀態，結合在水質趨勢分析中廣泛運用的Spearman秩相關系數法，可以有效判別時間序列數據趨勢變化的顯著性，對主成分綜合得分進行再分析，分析當前南流江污染變化情況并預測其水質變化趨勢。進一步運用相關性分析，探究水質變化和污染物之間的關系，以期為南流江水質管理提供依據。

2 分析方法

2.1 主成分法分析法

主成分分析(principal component analysis，PCA)是一種降維處理技術的數學變換方法，用在各個變量之間相關關系研究的基礎上，把原來多個變量轉換為少數幾個綜合指標的新變量，且這些新變量盡可能多地保留原來變量所反映的信息[12]。進行主成分分析的主要計算步驟如下[13]。

(1)進行原始數據標準化，轉化為無量綱數據，以消除不同指標間的量綱和數量級影響。

(2)進行指標間的相關性判定，確定原始變量是否適合進行因子分析。

(3)計算相關系數矩陣的特征值和特征向量。

(4)根據各特征值占比，按從大到小排序，選取累積占比>85%的前幾項特征值作為主成分。

(5)特征向量除以對應特征根的絕對值，構成主成分系數矩陣。

(6)主成分系數矩陣與標準化數據相乘，得到各項主成分得分值。

(7)各項主成分得分值與對應主成分在所有主成分中的比值相乘后累加，即得到主成分綜合得分值(F)，綜合得分越高，表明污染越嚴重。

2.2 Spearman秩相關系數法

Spearman秩相關系數法是衡量環境污染變化趨勢在統計上有無顯著性的常用方法。對給出時間周期和它們的相應值(即月均值、季均值或年均值等), 將從大到小排列好。秩相關系數的計算公式如下:

(1)

di=Xi-Yi

(2)

式(1)、(2)中:di為變量Xi和變量Yi的差值;Xi為周期1到周期N按濃度值從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號。

將秩相關系數rs的絕對值與Spearman秩相關系數統計表中的臨界值Wp進行比較，如果rs>Wp，則表明變化趨勢有顯著意義; 如果rs為正值，則表明數據序列具有上升趨勢;如果rs為負值，則表明數據序列具有下降趨勢。

2.3 皮爾遜(Pearson)相關系數法

皮爾遜相關也稱為積差相關(或積矩相關)，是英國統計學家皮爾遜于20世紀提出的一種計算直線相關的方法。假設有兩個變量x、y，那么兩變量間的皮爾遜相關系數可通過以下公式計算：

(3)

表1 皮爾遜相關系數與相關關系程度對照

3 南流江水質評價與分析

本文選取南流江干流上六司橋、橫塘、江口大橋、南域和亞橋5個斷面，通過這5個斷面水質狀況來代表南流江干流整體的水質現狀。分析數據采用上述5個斷面2011～2019年的溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總磷等6個指標年均值。相關性分析選取2011～2018年玉林、欽州和北海3市污染物排放總量，分析近幾年來污染物排放與南流江干流水質變化相關性。數據主要來自河流例行監測數據和廣西壯族自治區統計年鑒。各監測斷面見圖1。

3.1 2011～2019年水質狀況

采用單因子評價法對不同時間不同監測斷面進行水質評價可得(表2)，2011～2013年南流江干流上各斷面均能保持Ⅲ類水質，2014年以后，南流江干流上六司橋、橫塘、江口大橋和南域4個監測斷面均有不同程度地惡化，亞橋斷面水質相對穩定，南流江干流整體水質由優到2015年下降為輕度污染，到2018年甚至惡化至中度污染，主要污染物為總磷。單因子評價法僅能評價對比分析水質類別，但無法定量分析水質監測值，會因缺乏對眾多指標的綜合評價而難以從全局掌握污染狀況。

3.2 主成分分析結果

基于IBM SPSS Statistic 19軟件，對上述5個斷面的6個水質指標進行主成分分析，均提取2個主成分，累計貢獻率均在85%以上，說明提取的主成分可以很好地反映南流江各斷面不同時間的水質信息。從主成分綜合得分值結果(表3和圖2)來看，南流江干流水質綜合得分有明顯的空間變化，總體從上游到下游呈現出降低趨勢，水質污染程度排序為六司橋>橫塘>江口大橋>亞橋>南域，表明干流沿程水質存在變好的趨勢，中上游六司橋和橫塘2個斷面綜合得分均為正數，水質較差，下游江口大橋、南域和亞橋3個斷面綜合得分均為負數，水質較好，其中水質最差的六司橋斷面綜合得分為1.135；水質最好的南域斷面綜合得分為-0.580，兩者相差1.715。

3.3 南流江干流水質變化趨勢分析

采用Spearman秩相關系數法對南流江干流5個斷面9年的主成分得分值進行分析，計算結果見圖3及表3。從圖3可知，六司橋、南域、亞橋3個斷面主成分綜合得分值表現出波動減小的趨勢，2019年與2011年相比，這3個斷面主成分綜合得分值分別減少了0.08、0.401、0.137，表明水質有所好轉。六司橋斷面得分值在2013年出現1個波峰，最大值為2013年得分值1.599，表明六司橋斷面在2013年有大量外來污染物排入，隨著南流江的整治水質得到好轉，2014～2017年六司橋斷面水質持續變好，但近兩年有反彈趨勢；南域斷面9年來呈波動下降趨勢，水質變化不大；亞橋斷面2011～2018年水質一致持續變好，但在2019年有較大的反彈，表明這一年污染物濃度有所增加。橫塘和江口大橋2個斷面主成分綜合得分值存在增大趨勢，與2011年相比，2個斷面的主成分綜合得分值分別增加了0.427和0.191，表明水質有所惡化，其中橫塘斷面水質惡化最明顯。2011～2014年，橫塘斷面水質不斷惡化，主成分綜合得分值于2014年達到最大值1.096，與2011年差值高達1.179，2015～2019年得分值持續下降，說明橫塘斷面在2015～2019年可能得到了有效治理；江口大橋斷面在2011～2017年期間水質呈持續惡化趨勢，近2年水質有所好轉。

各斷面的主成分綜合得分值趨勢變化顯著性結果表明(表4)：南流江干流六司橋、南域和亞橋斷面主成分綜合得分值呈下降趨勢，3個斷面在置信水平90%時均有顯著意義；橫塘和江口大橋斷面主成分綜合得分值呈上升趨勢，其中橫塘斷面無顯著意義，江口大橋斷面在置信水平95%時有顯著意義。表明六司橋、南域、亞橋斷面水質變好趨勢顯著，江口大橋斷面水質惡化趨勢顯著，橫塘斷面有水質惡化趨勢，但相對較微弱。

圖1 監測點位示意

表2 2011～2019年各斷面水質單因子評價結果

表3 2011～2019年各斷面的主成分得分值

3.4 南流江干流水質變化相關性分析

為了分析南流江水質變化與水中主要污染物濃度及排放量的關系，本文對其相互關系進行了探討。對南流江主成分綜合得分值、水中溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、總磷、氨氮和化學需氧量濃度進行Person相關系數，雙側檢驗分析，結果見表5。皮爾遜相關系數統計結果顯示：主成分綜合得分值與氨氮濃度呈高度正相關，與總磷和五日生化需氧量濃度呈顯著正相關，與溶解氧呈高度負相關，與高錳酸鹽指數和化學需氧量濃度呈微弱負相關。隨著氨氮、總磷、五日生化需氧量等營養性物質的增加，主成分綜合得分值也增大，表明氨氮、總磷和五日生化需氧量是南流江水質惡化的主要污染因子。

圖2 各斷面主成分綜合得分均值

南流江水中污染物濃度和污染物排放量進行Person相關系數分析結果顯示(表6)：綜合得分值與化學需氧量、氨氮的生活源排放量均呈正相關，與化學需氧量、氨氮的工業源和農業源排放量均呈負相關；水中氨氮濃度與生活源氨氮排放量呈正相關，與工業源和農業源排放量均呈負相關；水中化學需氧量濃度與工業源和農業源化學需氧量排放量呈正相關，與生活源化學需氧量排放量呈負相關。說明生活污染是南流江水中氨氮的主要來源，工業和農業污染是水中化學需氧量的主要來源。據調查分析，南流江流域存在大量的畜禽散戶養殖，多分布在南流江干流或主要支流附近，僅玉林市存欄11頭以上生豬的養殖戶就達10000多戶，存欄量230余萬頭，其中小散養戶的生豬存欄量約77萬頭，占33.5%。大量畜禽養殖廢水直排入河，導致水中磷、氮等營養物濃度超標，畜禽養殖來源的總磷污染物占南流江流域總量的48.8%，氨氮占27.6%，成為首要污染源，對水質造成極大影響；其次沿江48個鄉鎮和街道的生活污水受納水體主要為南流江流域，41個鎮級污水處理廠已建成未運行，已投入運行的17個污水處理廠處理能力不足或污水收集率低，導致生活污水直排南流江及其支流，生活污染占總量的30%。畜禽養殖和生活廢水的排入是導致南流江水質惡化的主要原因。按照從源頭控制的原則，南流江的治理必須大力開展畜禽養殖污染治理，推進畜禽養殖方式轉變；加快流域內城鎮生活污水處理設施建設，提高城市生活污水處理能力，完善雨污分流管網建設和污水處理配套管網建設。

圖3 各斷面主成分綜合得分值變化曲線

表4 各斷面主成分綜合得分值變化趨勢顯著性檢驗

表5 主成分綜合得分值與GDP及水中污染物濃度相關系數統計

表6 水中污染物濃度與污染物排放量相關系數統計

4 結論

本文采用主成分分析法對南流江干流2011～2019年水質進行了分析，在此分析結果基礎上采用Spearman秩相關系數法對綜合得分值進行再分析，分析了當前南流江污染變化情況及其水質變化趨勢。進一步運用相關性分析，探究水質變化和污染物的關系，結果表明：六司橋和橫塘2個斷面綜合得分均為正數，下游江口大橋、南域和亞橋3個斷面綜合得分均為負數，南流江干流水質呈現下游水質優于中上游水質的空間分布；六司橋、南域和亞橋3個斷面水質有明顯好轉趨勢，江口大橋斷面水質有明顯惡化趨勢，橫塘斷面水質存在變差趨勢；南流江干流水體自凈能力較差，在外來污染影響下，水質的好轉需要人為治理；南流江水體中氨氮、總磷和五日生化需氧量是南流江的主要污染因子，生活污水和養殖廢水的排入是導致南流江水質惡化的根本原因。研究結果為探究南流江水質變化趨勢，給南流江水質管理提供依據。