平原河網(wǎng)地表水空間分布特征

祝新明 李莉 王翡 吳偉超

摘要 以布設(shè)在嘉興市主要水系32個水質(zhì)自動監(jiān)測站2019年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合運用主成分分析和聚類分析等多元統(tǒng)計分析方法，對嘉興市平原河網(wǎng)地表水的空間分布特征進行分析。結(jié)果表明，主成分分析表明嘉興市平原河網(wǎng)地表水主要受總磷、氨氮、總氮等指標(biāo)的影響，pH、溶解氧、電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)的影響較小。聚類分析表明嘉興市平原河網(wǎng)水系主要分為3類，第1類以瀾溪塘為代表的河道，水質(zhì)較好;第2類為南部排入錢塘江、東部排入黃浦江、中部環(huán)嘉興市區(qū)河道，水質(zhì)次之;第3類為西部和北部入境河道，水質(zhì)最差;聚類分析結(jié)果與主成分綜合評判結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞 地表水;空間分布;主成分分析;聚類分析;嘉興市

中圖分類號 X832? 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）02-0038-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.02.012

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Characteristics of Spatial Distribution of Surface Water in Plain River Networks—Taking Jiaxing City as an Example

ZHU Xinming，LI Li，WANG Fei et al （Jiaxing Ecoenvironmental Monitoring Center of Zhejiang Province，Jiaxing，Zhejiang 314000）

Abstract Based on the water quality monitoring data of 32 automatic water quality monitoring stations deployed in the main water systems of Jiaxing City in 2019，the spatial distribution characteristics of surface water in plain river networks of Jiaxing City were discussed by using the methods of principal component analysis （PCA） and cluster analysis （CA）. PCA showed that surface water in plain river networks of Jiaxing City was mainly affected by total phosphorus， ammonia nitrogen and total nitrogen. pH， dissolved oxygen， conductivity and permanganate index had little influence. CA showed that the plain river networks of Jiaxing City were mainly divided into three clusters. The first cluster was the river represented by Lanxitang River， with good water quality;the second cluster was discharged into Qiantang River in the south， discharged into Huangpu River in the East and around Jiaxing Rivers in the middle，followed by water quality;the third cluster was imported river in the west and the north， with the worst water quality. The results of CA were basically consistent with the results of PCA evaluation.

Key words Surface water;Spatial distribution;Principal component analysis;Cluster analysis;Jiaxing City

近幾十年經(jīng)濟飛速發(fā)展和城市化造成的水體污染，嚴(yán)重制約了高質(zhì)量發(fā)展和美麗中國生態(tài)目標(biāo)的實現(xiàn)。影響河流水體水質(zhì)的因素是多方面的，通過對河流的持續(xù)監(jiān)測和評價，摸清其空間分布特征，有利于管理部門分區(qū)分類開展水環(huán)境管理[1-2]。聚類分析、主成分分析、方差分析、判別分析等多元統(tǒng)計方法，已廣泛應(yīng)用于識別不同水體時空分布特征和污染源[3-6]。黃金良等[7]借助主成分分析、聚類分析和一元線性回歸等方法，識別九龍江流域水質(zhì)的時空分布和影響因素;李典寶等[8]利用聚類和判別分析，研究了上海河流秋季水質(zhì)在空間分布的相識性、差異性，并表征了空間差異性的顯著水質(zhì)指標(biāo);唐玉蘭等[9]綜合運用方差分析、聚類分析和多維多尺度分析方法，對渾河流域沈撫段水質(zhì)時空變化特征進行了分析。

嘉興市是典型的江南水鄉(xiāng)，自2013年實施“五水共治”、剿滅劣V類水體、碧水行動等一系列舉措，水環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善，但根據(jù)2018年嘉興市生態(tài)環(huán)境局公布的地表水監(jiān)測斷面結(jié)果，IV～V類斷面占比依然過半[10-11]。因此筆者以分布在嘉興平原河網(wǎng)上的32個自動監(jiān)測斷面監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)，采用主成分分析和聚類分析等多元統(tǒng)計方法，對平原河網(wǎng)開展空間特征分析，解析主要污染源，為地表水治理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

嘉興市位于太湖流域東南部、杭嘉湖平原腹地，市境介于30°21′～30°01′N、120°18′～121°16′E，陸域東西長92 km，南北寬76 km。市內(nèi)河道交錯，湖蕩眾多，河道總長1.38萬km，骨干河道57條，河道密度200 m/km2[12]。市域水系總體屬太湖流域，京杭大運河縱貫其間，其余各水系如長山河、海鹽塘、嘉善塘、平湖塘等河道與之相連，形成網(wǎng)狀水系。

根據(jù)水質(zhì)研究的需要，確定了嘉興市域范圍內(nèi)32個地表水自動監(jiān)測斷面，其中國家環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)站點13個、省級水站19個，除湘家蕩外均設(shè)在市域縣區(qū)交界斷面上，具體如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

地表水自動監(jiān)測站可實時連續(xù)監(jiān)測，及時反映流域內(nèi)主要斷面水體水質(zhì)狀況的優(yōu)勢。該研究采用2019年32個地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面的月均值數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標(biāo)包含水溫、pH、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮共9個指標(biāo)，數(shù)據(jù)描述見表1。

1.3 評價方法

1.3.1 主成分分析法。主成分分析法通過降維處理技術(shù)，客觀確定各個指標(biāo)的權(quán)重，用少數(shù)指標(biāo)代替原來指標(biāo)，使評價結(jié)果更加客觀。主要步驟如下：對相關(guān)原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化變換，求解相關(guān)系數(shù)矩陣，計算特征值和特征向量，解釋方差，確定主成分，對各主成分進行評價[13-14]。

1.3.2 聚類分析法。

聚類分析是按照某些數(shù)量特征將觀察對象進行空間分類的一種統(tǒng)計方法[15]。層次聚類分析又是其中一種常用水質(zhì)空間分析的方法，其實質(zhì)是根據(jù)變量或觀察對象的相似程度，以逐次聚合的方法，將最相似的對象結(jié)合在一起，直到聚成一類[16]。

該研究在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，采用常用的歐氏距離平方和離差平方和法開展各監(jiān)測斷面的空間相似性分析[17]。應(yīng)用SPSS 22.0軟件對地表水自動站監(jiān)測結(jié)果開展主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于主成分分析法的水質(zhì)質(zhì)量評價

在主成分分析法前，對數(shù)據(jù)的KMO檢驗結(jié)果為0.579（>0.5），顯著性為0（Sig.<0.05），基本適合做主成分分析。對各水質(zhì)自動監(jiān)測站監(jiān)測結(jié)果開展主成分分析，結(jié)果見表2。以累計方差貢獻率大于85%的原則，提取前4個主成分因子（累計貢獻率達87.9%），可以代表原有監(jiān)測項目的絕大部分信息。

第1主成分的方差貢獻率為40.5%，其中總氮、氨氮、總磷、溶解氧所占載荷因子較大，與第1主成分的相關(guān)系數(shù)的絕對值均超過0.6，其中氨氮、總磷、總氮呈正相關(guān)，溶解氧呈負(fù)相關(guān)，表明監(jiān)測點位所在河流營養(yǎng)鹽濃度較高，而有機污染物的增加消耗了水中的溶解氧，反映人類活動（生活污水排放、農(nóng)業(yè)面源污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖等污染）的影響[18]。第2主成分的方差貢獻率為21.8%，其中電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)的所占載荷因子較大，與第2主成分的相關(guān)系數(shù)分別為0.671和-0.667，表明上游引錢塘江水沖刷河道和南排工程開閘放水引起的海水倒灌影響了所在水體的離子水平和河流的有機污染水平，其中電導(dǎo)率呈正相關(guān)，高錳酸鹽指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。第3主成分的方差貢獻率為13.4%，其中電導(dǎo)率所占的載荷因子最大，與第3主成分的相關(guān)系數(shù)為-0.574，反映監(jiān)測點位所在水體的離子水平。第4主成分的方差貢獻率為12.2%，其總磷所占的載荷因子最大，與第4主成分的相關(guān)系數(shù)為0.562，反映了水體中磷的污染水平。

根據(jù)主成分載荷值除以對應(yīng)特征值的平方根，并與相應(yīng)的變量進行線性組合可得到對應(yīng)各主成分的評價得分。各主成分評價得分與相應(yīng)特征值占提取主成分特征值之和的比重乘積[19]，求和后即為各斷面的綜合得分，結(jié)果見表3。

綜合評價得分反映了各斷面所在河流的污染水平，得分越高說明污染越嚴(yán)重。由表3可知，嘉興市水質(zhì)大體呈出境水質(zhì)好于入境水質(zhì)。從入境看，入境斷面大麻渡口、渡船橋和王江涇綜合得分較高，表明上游京杭運河杭州塘、鹽官下河和京杭運河蘇州塘的入境水體污染水平較高，而晚村、新塍港、民主水文站綜合得分較低，表明湖州入境長山河，蘇州入境的新塍塘和蘆墟塘水體污染水平較低。從出境看，楓南大橋、南臺頭閘一號橋綜合得分較高，表明其所在嘉善塘和海鹽塘出境水質(zhì)較差，而烏鎮(zhèn)北、池家浜水文站、清涼大橋和鹽官排澇樞紐綜合得分較低，表明其對應(yīng)的瀾溪塘、俞匯塘、清涼港和鹽官下河出境水質(zhì)得到改善。

2.2 基于聚類分析地表水監(jiān)測斷面空間分布特征

選擇pH、溶解氧、電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等項目開展層次聚類分析，分析前對數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化并進行正態(tài)分布檢驗，結(jié)果峰度為-1.047～3.759，偏度為-0.691～1.546，除個別指標(biāo)外，數(shù)據(jù)大體呈正態(tài)分布。

基于水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測斷面的聚類分析結(jié)果見圖2。依據(jù)監(jiān)測斷面水體理化性質(zhì)的相似性，監(jiān)測斷面聚類分析結(jié)果在空間上可劃分為3類。第1類包括斜橋、大麻渡口、王店南梅、楓南大橋、王江涇、杭申公路橋、渡船橋、聯(lián)合橋8個監(jiān)測斷面，對應(yīng)鹽平塘、京杭運河杭州塘入境、長水塘、楓涇塘、京杭運河蘇州塘入境、鹽官下河入境、上塘河入境、長山河中段，水質(zhì)污染水平較高，主要污染物為耗氧型有機污染物。

第2類包括尤甪村等20個斷面，其中尤甪村、南臺頭閘一號橋和長山河大橋、長山閘一號橋分別對應(yīng)為排入錢塘江的海鹽塘和長山河;荒田浜、青陽匯、小新村和紅旗塘大壩分別對應(yīng)為以上海塘、廣陳塘為骨干排入黃浦江河道和經(jīng)紅旗塘入浦的河道，其中長山河和海鹽塘開閘后受海水倒灌影響導(dǎo)致電導(dǎo)率水平較高;善西、大云、天凝、楊廟大橋、新塍大通、新文橋?qū)?yīng)為嘉善塘、大云市河、紅旗塘入口、三店塘、運河嘉興段等環(huán)市區(qū)河道;鹽官排澇樞紐、上塘河排澇閘對應(yīng)為排入錢塘江的鹽官下河和上塘河;清涼大橋、烏鎮(zhèn)、新塍港、晚村對應(yīng)為清涼港、雙林塘、新塍塘和長山河入境。第2類河道污染水平相較第1類有明顯降低，表明水體自入境后經(jīng)過各河道凈化后，消耗了一部分污染物。

第3類包括民主水文站、池家浜水文站、湘家蕩、烏鎮(zhèn)北4個監(jiān)測斷面，表明蘆墟塘入境、俞匯塘、三店塘支流和瀾溪塘的水體總體污染水平較低;其中氨氮、總磷和總氮平均濃度低于其余各組，且水體中溶解氧濃度較高。

聚類分析結(jié)果與主成分分析所得結(jié)果基本一致。嘉興市平原河網(wǎng)水質(zhì)大體分為3類，第1類為瀾溪塘、俞匯塘、蘆墟塘和湘家蕩，水質(zhì)最優(yōu);第2類為東部入黃浦江河道、南部排入錢塘江河道、中部環(huán)嘉興市區(qū)各河道，水質(zhì)次之;第3類為北部入境的京杭運河蘇州塘（引長濟太后因太湖水位抬升，王江涇出境改為入境）、西部入境的京杭運河杭州塘、上塘河和鹽官下河，水質(zhì)較差。

隨著“五水共治”“河長制”“污水零直排區(qū)”創(chuàng)建等措施的推進，目前工業(yè)企業(yè)污水均已入網(wǎng)排放，嘉興平原河網(wǎng)各水系中西部和北部入境的京杭運河杭州塘、鹽官下河、上塘河、京杭運河蘇州塘均為受上游來水較差影響。市區(qū)內(nèi)主要河道主要受城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水、農(nóng)業(yè)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和航道污染等影響。河道兩側(cè)分布各式居民區(qū)，部分尚未實現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋，或雖經(jīng)納管，但雨污分流不徹底，導(dǎo)致雨天生活污水外溢情況的發(fā)生。沿河大部農(nóng)村生活污水雖經(jīng)微動力等終端處理設(shè)施集中處理，但處理后大多排入平原河網(wǎng)各水系。嘉興素有魚米之鄉(xiāng)的美譽，根據(jù)2019年嘉興統(tǒng)計年鑒，現(xiàn)有耕地面積204 897 hm2[20]，基本沿河分布，由于化肥利用率不高，大部分肥料隨著雨水沖刷，進入河道，造成磷氮污染。畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖也易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化污染。嘉興地勢平坦，平均海拔只有3.7? m，水體流動性差，污染物易累積，水體自凈能力較差。河網(wǎng)密布，大多河道屬“杭申線”或“湖嘉申線”航道，航運繁忙，船只來往航行攪動底泥，引起水體渾濁導(dǎo)致水質(zhì)較差。城市化導(dǎo)致的水系變化劇

烈[21]，部分水系水流不暢容易導(dǎo)致徑流排泄能力不足。

3 結(jié)論

對2019年分布在嘉興市平原河網(wǎng)的32個水站水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果開展主成分分析表明，嘉興平原河網(wǎng)水質(zhì)主要污染物為氨氮、總磷、總氮，其中pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)和電導(dǎo)率的影響較小。

聚類分析結(jié)果表明嘉興市平原河網(wǎng)水系主要可分為3類，其中瀾溪塘等河道水質(zhì)最優(yōu)，水體污染較小，南部排入錢塘江、東部排入浦河道和中部環(huán)市區(qū)河道水質(zhì)次之，西部和北部等入境河道水質(zhì)最差。西部、北部等主要入境河道水質(zhì)較差，主要受上游來水水質(zhì)較差影響。市域河網(wǎng)各水系主要污染來源于城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污染源、農(nóng)業(yè)面源污染、養(yǎng)殖業(yè)、航道污染等。

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