清水河干流水質空間分布特征及季節性變化

王世強，趙增鋒，邱小琮，歐陽虹，吳岳玲

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學生命科學學院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】伴隨著社會經濟的快速發展，水資源的過度開采與水環境污染程度加重成為我國當前水危機中最嚴重、最緊迫的問題[1]。針對國內水資源開發利用及水環境污染現狀，關于水量-水質的水資源調配與管理的研究成為科研的熱點領域，某一區域或者流域的水質是否達標成為該地區經濟社會持續發展以及水資源優化配置與管理的關鍵。在水文循環中，水質受地質、氣候等自然因素及人為因素影響，往往表現出季節性、區域性差異[2-4]，在治理水環境過程中應加以重點考慮，因此關于水環境因子空間特點及季節性變化特征的研究顯得尤為重要。【前人研究進展】目前國內外常用的研究方法有聚類分析[5]、主成分分析[6]、方差分析[7]、時間序列檢驗法[8]等方法。清水河地處寧夏干旱半干旱地區中南部，屬于典型季節性河流，河道年均徑流量很小，水生態環境十分脆弱[9]。有關學者針對清水河水質研究主要是健康評價及預警方面[10-12]，有關清水河流域的水環境空間分布及變化研究鮮見報道。水環境易受當地土地利用類型、氣候因素影響，具有一定的時空特點，水資源配置過程除考慮水質的優劣，也要考慮水質的空間分布以及動態變化情況，開展有關清水河流域的水質空分布及季節性變化研究，對于水質評價動態變化和水資源配置具有意義重大。【本研究切入點】本文基于野外實地采集水樣測定的水質指標，從清水河水質空間分布及季節變化特征入手，結合流域地區特點及周邊存在的工業、農業污染源，采用聚類分析、主成分分析和灰色關聯法，探明清水河干流水質特征情況。【擬解決的關鍵問題】此研究以期為清水河流域的水資源管理配置及水環境治理、保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

寧夏清水河是黃河一級支流，發源于固原開城鄉，位于黃土高原的西北邊緣，地勢南高北低，主要流經固原、海原、同心、中寧4市縣，最后匯入黃河，全長320 km，流域面積14 481 km2。清水河支流較多，但主要工業區和農業灌溉區在干流分布較密集。受氣候影響，清水河流域多年平均降水量僅335 mm，多年平均蒸發量1272 mm，流域地表水資源量少、水質差，苦水分布廣、含鹽量高，干旱指數為3.8，主要補水依靠天然降雨，且降雨主要集中在7-10月，具有時空不均勻性[13-15]。根據2018年《寧夏回族自治區清水河“一河一檔”》對清水河水資源、水域岸線功能規劃現狀調查報告，清水河的干流段受工、農業污染較大，河岸線沿線土地利用現狀(保護區段是指在該段限制人類密集活動及進行大量工、農業生產)。由圖1可知，清水河干流源頭及入黃口處土地被劃分為保護區，表明該區域河段受人為生活干擾會較小；農業灌溉區域覆蓋最廣，集中在中下游段，該區域河段受農業影響較大；沿線的工業區主要集中在城鎮區域(固原市、海原縣、同心縣)，該區域河段受工業影響較大。

1.2 采樣點布設

根據清水河流域水系分布特點及干流各監測控制斷面等級情況(三營、泉眼山入黃為國控斷面，其它為區控、縣控)，在清水河干流布設18個采樣點，基本覆蓋上、中、下游3段，于2018年平(4月)、豐(7月)、枯(11月)不同來水期野外采樣。

1.3 水樣采集與測定

按照《水質采樣方案設計技術規定》(HJ 495-2009)要求，采用1 L采水器采集表層水下50 cm深處的水樣。若水深小于50 cm，則采集表層的水樣；若水深大于50 cm，則采集表層下50 cm與底層上50 cm混合水樣帶回實驗室測定。

表1 各采樣點編號及位置

根據孟祥儀[16]關于清水河水質預警研究，并考慮到河岸帶附近工業、農業生產對水質的主要影響作用，本次研究選取氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)、水溶態氟化物(以F-計)及五日生化需氧量(BOD5)6個主要污染水質指標測定分析。NH3-N采用納氏試劑分光光度(HJ535-2009)測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ632-2012)測定，TP采用鉬酸銨分光光度法(HJ670-2013)測定，CODMn采用高錳酸鉀法(GB11892-89)測定，BOD5采用稀釋與接種法(HJ505-2009)測定，F-采用HACH氟化物分析儀測定。

1.4 分析方法

采用層次聚類分析法[17]，以歐氏距離度量樣本間距離，按照樣本特征進行分類，同一類別具有一定相似性。依據聚類分析的原理，研究水質空間分布

相似性特征。采用主成分分析法[18]，確定影響清水河干流水質的主要水環境因子，結合聚類分析的結果分析空間上水環境因子的在各組中分布特征及出現這種情況的可能原因。基于聚類分析得出的水質空間特征情況，把空間上分布特征相似的斷面進行分組，主成分分析法確定出主要水環境因子。應用灰色關聯法[19]，以河流的來水期：平水期，豐水期，枯水期為季節變化時期，分析空間上各組的水質在不同來水期季節性變化情況。

2 結果與分析

2.1 樣點空間聚類分析

根據2018年各來水期采集的水樣，以測定的NH3-N、TN、TP、CODMn、F-及BOD56個水質指標平均值對18個采樣點進行空間聚類(圖3)。 根據聚類情況，以聚類距離進行重新標定，選取閾值為5，將本次研究的區域樣點在空間上分為G1[A1、A2、C4、C5、C6] 、G2[A3、A4、A5、A6] 、G3[B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2、C3] 3組，由聚類原理可得A1、A2、C4、C5、C6 5個斷面污染程度接近，A3、A4、A5、A6 4個斷面污染程度接近，B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2、C3 9個斷面污染程度接近。

表2 主成分分析及因子旋轉荷載矩陣

結合清水河流域自然地理特征和河岸帶沿線功能規劃現狀分析聚類可知，聚類結果與清水河河岸線沿線土地利用情況具有一定關聯性。G1組中各斷面主要分布在清水河源頭和泉眼山入黃口附近，水質較好。源頭處人類活動較少，水環境受影響較小，且附近植被覆蓋度相對較高，起到一定的水源涵養作用。泉眼山入黃口斷面屬于國控斷面，根據《寧夏生態保護與建設“十三五”規劃》，泉眼山入黃口斷面附近的工業、農業用水排水管控嚴格，廢水排放量少。G2組各斷面主要分布在流經沿岸附近部分工業區和農業灌區的部分區域。G3組各斷面集中分布在清水河揚水灌區段[20]，流經沿河岸分布的工業聚集區，受工農業生產影響較大，水質較差。 聚類結果表明，清水河干流水環境污染情況的空間分布特征明顯，與功能規劃現狀關系較大。

2.2 基于主成分分析的主要水環境因子空間分布情況

對聚類前的18個采樣點的6個水質指標檢測

數據平均值進行主成分分析，篩選出對整個干流水質影響大的水環境因子分析。 基于旋轉后累計方差貢獻率大于 85 %，提取主成分，根據旋轉后因子荷載大于0.6的原則選取各主成分影響較大的水環境因子結果如表2所示。

分析提取出4個主成分(F1、F2、F3、F4)，第1主成分F1包含的主要因子是BOD5和F-，其反映的主要是有機物污染水平及水體礦化度。第2主成分F2包含的主要因子是CODMn，其反映的主要是有機物污染水平。第3主成分F3包含的主要因子是TN，其反映的主要是水體氮污染水平。第4主成分F4包含的主要因子是NH3-N，其反映的主要是水體氮污染水平。根據主成分分析結果，說明清水河污染主要是有機物污染及氮含量超標所致。

G1、G2、G3各個組4個主成分的主要水環境因子平均濃度空間變化(圖4～7)。從圖4～5可以看出，G3組的TN、NH3-N的濃度均明顯高于G1組和G2組，這種氮元素含量的明顯差異可能是由于G3組主要流經揚黃灌區，水體流經此處，大量含氮元素的物質排入，各斷面的水質受灌溉回水中殘留的農藥、化肥影響較大。從圖6～7可以看出，G2、G3組的BOD5、F-的平均濃度明顯高于G1組，主要是由于G1組各斷面附近工廠較少，排放的廢物少，而G2和G3組相反，均流經農田、城鎮集中的區域，受其生產影響較大，大量工業有機廢物、農業的有機農藥流入水中，導致有機污染嚴重。根據《寧夏環境保護廳公報》，氟化物污染對清水河水質影響較大，可能主要是地下水含氟量較高以及礦物質中含有的F-流進水中造成的氟化物濃度超標。

表3 各月份各組關聯度計算結果

2.3 基于灰色關聯的水質季節性變化情況

選用主成分分析法確定的NH3-N、TN、CODMn、BOD5及F-5個水環境因子作為評價因子。采用灰色關聯法，依據實測濃度與水質標準濃度的關聯度值對G1、G2、G3各組不同來水期的水質等級進行評價，分析其不同季節來水期的水質情況。

由表3可知，平水期G1組整體接近Ⅲ類水，G2組整體為Ⅳ類水，G3組整體接近Ⅴ類水；豐水期G1組整體接近Ⅱ類水，G2組整體為Ⅲ類水，G3組整體依然接近Ⅴ類水，無明顯變化；枯水期G1組整體接

近Ⅱ類水，G2組整體為Ⅲ類水，G3組整體依然接近Ⅳ類水。綜合分析比較，不同來水期空間各組的水質情況變化明顯，G3組的水質最差，在平水期和豐水期份均為Ⅴ類水，枯水期得到改善變為Ⅳ類水；G1組最好，在豐水期和枯水期均達到了Ⅱ類水質，水質情況與功能規劃有密切關聯。G1和G2組豐水期的水質情況比枯水期月份水質好，造成這種變化主要是由于豐水期降雨多，河道徑流量增加，水體對污染物的稀釋作用加大，使水體污染程度降低，水質得到改善，但G3組在豐水期水質并沒明顯變化，這種差異可能是由于水質受氣候環境和人為干擾綜合影響，即使豐水期來水較多，但G3組各監測斷面受人類活動影響也較大，其周邊農業生產集中，豐水期也正處于農業生產灌水施肥期間，大量含氮有污染性的物質流入水中，對水環境造成較大影響。到枯水期G3組水質有所改善，變為Ⅳ類，且G1、G2組水質明顯好于平水期，分別達到Ⅱ類、Ⅲ類。

3 討 論

結合清水河流域自然地理特征和河岸帶沿線土

地利用現狀對聚類后的3組情況進行分析可知，各組清水河干流水質空間分布特征明顯，與清水河河岸線土地利用現狀確有一定的關聯性，這與冉桂花等[21]在對三峽庫區不同斷面的水質分類情況研究時得出空間上水環境污染情況與土地利用類型關系較大的結論具有一致性。

依據主成分分析的基本原理，分析提取的4個主成分包含的主要水質污染指標為總氮、氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、氟化物(F-)，說明清水河的氮污染、有機污染和氟化物污染對干流水環境影響較大。為改善水質，應減少水體廢物排放，加大治理氟化物污染強度。

由灰色關聯法分析可知，清水河干流水質在不同來水期季節性變化較明顯。根據鄧樹松[22]對清水河實行河長制管理的效果評價以及2018年中衛市政府制定《清水河流域水污染防治工作方案》的實施，說明清水河水質的改善與政府的管理工作、治污力度密不可分。平水期時上中游、下游段水質較差,上中游為Ⅳ類水，下游段為Ⅴ類水，豐水期上中游段得到改善達到Ⅲ類水標準，但下游仍為Ⅴ類水。枯水期上中游段達到Ⅲ類水標準，下游段也逐漸變好達到Ⅳ類水。清水河干流水質整體表現為平水期較差，到枯水期時逐漸變好，季節性差異較大。

4 結 論

(1) 清水河干流18個水質監測點在空間上分為3組，G1組為植被覆蓋度高、人類活動少的清水河源頭和泉眼山入黃口；G2組為流經部分工業區和部分揚水灌區的上、中游段；G3組為流經大部分工業聚集區和揚水灌區的下游段。G1組水質較好，G3組水質較差，清水河干流水質空間分布特征與河岸線功能規劃關系密切，表明土地利用情況對清水河水質空間分布影響較大。

(2)清水河水質主要污染源為農業生產帶來的氮元素污染和工業生產的有機污染，其主要水環境污染因子為總氮、氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、氟化物(F-)；各水環境因子空間分布異質性較明顯。總體表現為下游水環境因子濃度高于上游和中游，下游受污染程度較大。

(3)清水河干流水質在不同來水期季節性變化較明顯。枯水期水質最好，平水期最差。豐水期大量的天然降雨對污染物由稀釋作用，使上、中游段水環境污染程度明顯得到改善，但下游段水質仍較差，為Ⅴ類水。