西明江流域水質時空分異特征及污染源識別

覃楠鈞 趙侶璇 劉凱 宋曉薇 黃業翔

【摘? 要】論文應用多種多元統計方法對廣西南寧市西明江流域水質進行時空分異特征分析及污染源識別。結果表明，流域水質采樣點可分為A（農村生活用地）、B（城市生活用地）兩個組，其中，B組區域營養鹽污染及有機物污染水平均高于A組區域;全年可分為a（豐水期）、b（平、枯水期）兩個時段，a時段河流水質相對較好，b時段流量較小，水質易受河流沿程生活污水直排口污染;A組區域主要污染來源于面源污染，B組區域主要污染來源于生活污染及底泥內源釋放。

【Abstract】This paper uses a variety of multivariate statistical methods to analyze the spatio-temporal variation characteristics of the water quality of the Ximingjiang basin in Nanning City， Guangxi Province and identify pollution sources. The results show that the water quality sampling points of the basin can be divided into two groups： A （rural living land） and B （urban living land）. Among them， the level of nutrient pollution and organic pollution in group B area is higher than that in group A area. The whole year can be divided into two periods： a （wet period） and b （normal and dry period）. The river water quality in period a is relatively good， and the flow in period b is relatively small， and the water quality is easily polluted by the direct discharge of domestic sewage along the river. The main pollution in group A area comes from non-point source pollution， and the main pollution in group B area comes from domestic pollution and sediment endogenous release.

【關鍵詞】多元統計;時空分異;污染源識別;水質管理

【Keywords】multivariate statistics; spatio-temporal variation; identification of pollution sources; water quality management

【中圖分類號】X522? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）09-0033-05

1 引言

西明江是流入邕江的一級支流，是廣西南寧市打造“中國水城”重點綜合治理的十八條內河之一。在西明江未開展綜合整治前，長期承擔著“城市下水道”的功能，雨水、生活污水一同直排入河道，水質污染嚴重，惡臭不堪，一直為劣Ⅴ類，嚴重制約著城市經濟社會可持續發展和威脅著人民生命財產安全。西明江流域面積相對較小，但受到土地利用、人類活動方式的影響，流域水質在時間和空間上仍呈現出較大的異質性。水環境時空分布特征研究能夠為水質評價提供動態信息，同時，這也是河流水質監測和管理的手段，正確識別流域水污染時空分異特性及污染源特征是科學、有效開展流域綜合治理和水生態環境監管的基礎與前提[1，2]。目前，西明江僅在入邕江口處設有一個環保水質監測點，監測數據有限，且流域水文水資源、氣候氣象、土地利用等數據存在不同程度的缺失，難以建立起高精度的水質模擬模型。在此有限條件下，本文嘗試應用多元統計分析方法分析西明江流域水質時空分布特征。

多元統計分析方法主要包括主成分分析法[3]、聚類分析[4]、判別分析[5]、多維尺度分析[6]等方法，在河流、近海海域、湖泊和地下水水質評價與分析中得到了很好的應用。例如，陳靜生等[7]應用多元統計法分析長江、黃河、松花江20世紀60年代到80年代水質變化趨勢及其成因和機理;董慧峪等[8]應用空間聚類分析方法得出制約南苕溪支流錦溪水質改善的主要因素為農業面源;田智慧等[9]利用方差分析對清潩河流域（許昌段）12個斷面進行時空間顯著差異性檢驗;韓向楠[10]通過Mann-Kendall趨勢檢驗、有序聚類分析等方法分析涇河流域多年來徑流、泥沙、降水的時空變化特征。但在以往的研究中多是分別進行水污染時間特征和空間特征分析，單獨探討時間或空間尺度的污染源特征，對流域綜合治理和水生態環境監管指導意義有限。同時，過去的研究多以大河和湖泊水質變化過程分析，對于小型河流的研究較少，在有限的數據資料中較為準確掌握小流域水環境時空分異特征也是值得探討的問題。鑒于此，本研究應用聚類分析、判別分析等方法對西明江水污染物時空變化特征進行分析，掌水污染物在時間、空間兩個尺度上的演變規律，應用時空聯合分析、因子分析識別不同時間和區域的污染源特征，實現橫向和縱向對比，以利于相關部門掌握流域水質特征，有針對性地制定綜合治理方案。

2 研究區域

西明江位于邕江北岸，廣西南寧市西鄉塘區，發源于西鄉塘區大彎弓、小香爐嶺、大香爐嶺一帶，于羅文園藝場東側約500m處匯入邕江。天然河長13.9km，寬30～60m，深度7～13m，左右支流上游修建有羅文、禾屋等小水庫，控制流域面積33.6km2，河道枯水期水深0.1m左右，豐水期水深約1.5m，天然河道的常水位水域面積為27.5hm2。西明江月平均徑流量為Q=0.19m3/s（表1），河道徑流量在南寧市內河水系中相對較小。西明江的功能定位是“邕江支流，城市排洪通道，作為城市內的自然生態要素，結合水體形成防護林帶，與邕江交匯的河段形成公共、開敞的濱水景觀帶”，根據《南寧市水功能區劃》（南府〔2012〕107號），西明江流域執行地表水Ⅲ類標準。

3 數據采集與研究方法

3.1 數據采集

為了對西明江流域水質時空分布變化特征進行研究，沿西明江河段有大量廢水集中排入河段、沿岸主要居民密集區域、支流與干流匯合處的上下游等布設地表水質采樣點位16個（圖1），其中于沿岸畜禽養殖區域、污水直排口和已判定為黑臭水體的河段加密布點。采樣點位避開死水區、回水區和排污口附近。各采樣點位結合水寬和水深的實際情況，按照HJ/T 91—2002《地表水和污水監測技術規范》、HJ 494—2009《水質 采樣技術指導》要求設置相應的采樣垂線數和采樣點數。根據流域水文規律，分別在2018-2019年的豐水期（6～7月）、平水期（8～9月）和枯水期（2～3月）進行采樣。在前期調查中未發現有重金屬污染物，所以本次采樣監測項目主要包括：溫度（T）、pH值、溶解氧（DO）、化學需氧量（CODGr）、五日化學需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、硫化物（SULF）、懸浮物（SS）、電導率（SEC）、硫酸鹽（SO42-）、硝酸鹽（NO3-）共14項指標，按照HJ/T 91—2002《地表水和污水監測技術規范》規定的分析方法進行測定。西明江流域水質采樣監測數據統計描述見表2。

3.2 研究方法

3.2.1 聚類分析

聚類分析是一種研究“物以類聚”問題的多元統計方法，根據樣本（或研究對象）的數值特征，對其進行分類，判定各

樣本的親疏關系。本文所采用的層次聚類分析又叫作系統聚類分析，是目前使用最多的一種聚類方法。本次分析采用平方歐式距離度量樣本間的距離，運用離差平方和法（Ward法）生成具有層次結構的聚類樹，分別在空間尺度和時間尺度上對西明江水質進行分類分析[11-13]。

3.2.2 判別分析

判別分析是在已知樣本（或研究對象）分成若干類，并已知各類樣品觀測數據的基礎上，根據一定的準則建立判別函數，然后根據判別函數對位置所屬類別的樣本進行分類的一種分析方法[14]。本文采用后退式逐步判別法對聚類分析結果進行驗證分析，相應的判別函數表達式為：

式（1）中，i為組別G的序號，ki為各組的固有常數，n為各組用于分類的變量個數，Wj為特定變量（Pj）的權重系數，Pj為某變量的數值，f為判別函數值。

3.2.3 因子分析

因子分析是在以丟失最少信息為前提，將具有一定相關關系的多個變量綜合為少數幾個指標（即因子）的分析方法[15]。本文在聚類分析和判別分析基礎上，采用因子分析逐步識別各個時間與空間組合的污染源特征，數據分析采用KMO和Bartlett球形檢驗進行適宜性檢驗，通過最大方差法進行旋轉，以特征值大于1為原則提取因子變量[16，17]。

3.2.4 數據處理方法

為了消除量綱的影響，在進行聚類分析和因子分析前，需對數據進行標準化預處理，主要采用Z得分法，即將各變量值減去均值后除以標準差，標準化后的Z分數平均值為0，標準差為1。數據預處理和多元統計過程采用Microsoft Excel 2013和IBM公司的SPSS 24。

4 結果與分析

4.1 空間尺度聚類分析

由空間尺度聚類分析結果可知（圖2），當20<聚類距離<25時，采樣點可分為2組;當18<聚類距離<20時，采樣點可分為3組。應用后退式判別分析分別對空間兩種分組方式的原始數據進行判別，其中2組分類的判別正確率為89.6%，3組分類的判別正確率為81.3%（表3）。因此，采樣點應當分為2組：A組{2、4、1、3、10、11、13、12};B組{5、8、14、15、6、9、16、7}?；旧鲜且源髮W西路為分界，以北區域為羅文村所在地，人類活動影響較小，主要受農業面源、養殖源影響，A組解釋為農村生活用地;以南為城市建設所在地，人類活動較為頻繁，主要受城鎮生活源、點源影響，B組解釋為城市生活用地。通過水質指標標準化箱式圖分析空間污染特征差異（圖3），可以看出A組DO、TN濃度明顯高于B組，而B組CODGr、BOD5、CODMn、NH3-N、TP、SS濃度明顯高于A組，即大學西路以南區域有機物污染水平均高于以北區域，建議重點加強監測與管控。

4.2 時間尺度聚類分析

由時間尺度聚類分析結果可知（圖4），可分為兩個時段：a時段{6月、7月};b時段{10月、11月、2月、3月}，對比西明江徑流表（表1），分組情況基本符合流域水文規律，a時段可以解釋為豐水期，b時段可以解釋為平、枯水期。通過水質指標標準化箱式圖分析時間污染特征差異（圖5），b時段pH、CODGr、BOD5、CODMn、NH3-N、TN、TP濃度明顯高于a時段，結合表1可知在P=90%標準條件下b時段最枯季流量多在0.02～0.07m3/s，水體環境容量小，稀釋能力弱。根據前期污染源調查，西明江沿程污水直排口平均流量約為0.01m3/s，污水流量接近b時段最枯季流量，易造成水體污染。

4.3 因子分析

4.3.1 A組各時段因子分析

將A組原始數據分為A組-a時段、A組-b時段進行因子分析，識別不同時間段的污染源特征。由因子分析結果可知（表4），在A組-a時段抽取了3個因子，A組-b時段抽取了4個因子，累計方差分別為85.3%和81.2%。

在A組-a時段，因子1方差貢獻42.8%，特征因子為TN、TP;因子2方差貢獻30.6%，特征因子為CODMn;因子3方差貢獻11.9%，特征因子為BOD5。此類特征因子表明，污染主要來源于過量的營養鹽和有機物，A組區域沿河有大片蔬菜地和養鴨場，a時段雨水沖刷土壤中氮、磷進入水體以及畜禽養殖污染物排入河道引起耗氧有機物和營養鹽污染。

在A組-b時段，因子1方差貢獻28.3%，特征因子為DO、SEC;因子2方差貢獻25.5%，特征因子為CODMn、T;因子3方差貢獻15.3%，特征因子為SS;因子4方差貢獻12.1%，特征因子為TN。此類特征因子表明，b時段河流水量小，水中含氧量不足，溫度升高極易加速有機物和營養鹽消耗氧氣。

4.3.2 B組各時段因子分析

將B組原始數據分為B組-a時段、B組-b時段進行因子分析，識別不同時間段的污染源特征。由因子分析結果可知（表5），在B組-a時段抽取了4個因子，B組-b時段抽取了5個因子，累計方差分別為87.9%和85.7%。

在B組-a時段，因子1方差貢獻35.9%，特征因子為NH3-N、TN;因子2方差貢獻30.8%，特征因子為CODMn;因子3方差貢獻11.6%，特征因子為BOD5、SULF;因子4方差貢獻9.5%，特征因子為DO。此類特征因子表明，B組區域因左右兩側支流交匯且a時段河流流量大，因此，DO增加，但由于該區域有生活污水直排口匯入，導致水體有機污染物濃度升高。

在B組-b時段，因子1方差貢獻29.2%，特征因子為CODGr、CODMn、NH3-N、T;因子2方差貢獻19.5%，特征因子為SS、SEC;因子3方差貢獻16.4%，特征因子為pH;因子4方差貢獻11.4%，特征因子為BOD5、SULF;因子5方差貢獻9.3%，特征因子為TN。此類特征因子表明，B組-b時段流量小，來自左右兩側支流的底質不斷堆積，此時不僅有生活污水帶來大量的有機污染物，還有底泥釋放的有機污染和氨氮。

4 結論

①在空間尺度上，西明江流域水質采樣點分成A（農村生活用地）、B（城市生活用地）兩個組。其中，大學西路以南的B組區域營養鹽污染及有機物污染水平均高于以北的A組區域，建議重點加強監測與管控。

②在時間尺度上，全年分a（豐水期）、b（平、枯水期）兩個時段。其中，a時段河流水質相對較好，b時段流量較小，河流沿程生活污水直排口流量接近該時段最枯季流量，易造成水體污染。

③綜合時空聯合分析與因子分析的結果，A組區域主要污染來源于面源污染，a時段雨水沖刷土壤以及畜禽養殖污染物排入河道引起耗氧有機物和營養鹽污染;b時段水中含氧量不足，溫度升高極易加速有機物和營養鹽消耗氧氣。B組區域主要污染來源于生活污染及底泥內源釋放，a時段河流流量大，但生活污水直排口匯入導致水體有機污染物濃度升高;b時段不僅有生活污水帶來大量的有機污染物，還有底泥釋放的有機污染物和氨氮。

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