基于多元統(tǒng)計方法的穆棱河水質(zhì)時空分布特征

薛世勤,王立權(quán),李鐵男,邱朋朋,戴韜嚴(yán)

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 150080)

0 引 言

河流是水循環(huán)的重要途徑,地表水污染會直接或間接影響大氣降水、地下水和海水。地表水極易受到農(nóng)業(yè)活動和工業(yè)污染,以及居民生活廢水、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水、河流內(nèi)源污染均是導(dǎo)致河流水體污染和污染特征差異化顯著的主要因素[1]。經(jīng)濟(jì)和人口增長加劇了地表水污染對人們生活的負(fù)面影響。為了進(jìn)行高效的水體管理,水質(zhì)評價是應(yīng)對地表水污染改善水質(zhì)的首要行動之一。水質(zhì)評價的普遍方式是將收集測量的物理化學(xué)水質(zhì)數(shù)據(jù)與國家或者國際規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,得到相應(yīng)水體的污染程度。河流水體污染通常有顯著的時空間差異,可能是由復(fù)雜的自然因素或人類活動影響形成。但是這種方法無法判斷污染來源和解釋水體污染的時空間異質(zhì)性,龐大的數(shù)據(jù)也難以得出有意義的結(jié)論,而多元統(tǒng)計分析是研究河流水質(zhì)時空分布特征的有效方法。

多元統(tǒng)計是可以處理多維數(shù)據(jù),研究多個變量之間依賴性和規(guī)律性的方法[2]。例如聚類分析(CA),主成分分析(PCA)等多元統(tǒng)計方法,可以簡化水質(zhì)數(shù)據(jù),解釋水質(zhì)參數(shù)的特征變化,并以此分析污染來源。近年來很多研究應(yīng)用了這些方法。CA被應(yīng)用于水質(zhì)時空分異規(guī)律的分析[3-4]。PCA被應(yīng)用于分析水質(zhì)主要驅(qū)動因子及其方差貢獻(xiàn)率[5-7]。但是目前沒有對穆棱河流域水質(zhì)的時空異質(zhì)性應(yīng)用多元統(tǒng)計方法的研究。

穆棱河位于黑龍江省三江平原地區(qū)[8],是烏蘇里江左岸最大的支流[9],其流經(jīng)的穆興(穆棱河-興凱湖)平原是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地之一[10],穆棱河水資源的健康對保障國家糧食安全、保護(hù)耕地生態(tài)健康有重要意義。關(guān)于穆棱河流域,目前已有相關(guān)學(xué)者對穆棱河水質(zhì)健康進(jìn)行了研究。李佳民等利用模糊綜合評價法評價了2010—2014年穆棱河水體質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)穆棱河水質(zhì)季節(jié)性變化較大,主要污染物是有機(jī)物。孫旭利用Shannon-Weaver多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)評價穆棱河水質(zhì),發(fā)現(xiàn)穆棱河上游呈輕污狀態(tài),整體呈中污狀態(tài)。但現(xiàn)有研究對穆棱河水質(zhì)在時間尺度和空間尺度上的變異只按照季節(jié)和流域進(jìn)行了簡單評析,未憑借其水質(zhì)特征和寒區(qū)氣候條件進(jìn)行分類探討。

本研究選取2021年穆棱河流域5個不同監(jiān)測點(diǎn)的7項(xiàng)物理化學(xué)參數(shù),應(yīng)用多元統(tǒng)計技術(shù)(1)揭示穆棱河水質(zhì)的時間和空間變化,(2)確定影響河流水質(zhì)的主要因子及其來源,應(yīng)用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價穆棱河整體污染狀況。本研究目的是為穆棱河流域污染防治和水資源管理提供有效信息。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

穆棱河(E130°15′～133°30′、N45°13′～45°55′)河道總長834km,流域面積1842700hm2,發(fā)源于穆棱縣窩集嶺,自西南流向東北方向,于雞西市青龍山處分成兩支,一支向東流經(jīng)虎林市匯入烏蘇里江,另一支向南流入小興凱湖。地貌多為山地,占51%,其余為丘陵、平原和湖泊,分別占26.3%、22.0%、0.7%。研究區(qū)地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫3.2℃(-44.1～37.6℃);年平均降水量552.9mm,主要集中在6～9月,占全年的70%左右;無霜期140d,結(jié)冰期150～160d。

穆棱河中上游為低山丘陵地區(qū),其支流分布有河谷漫灘,工業(yè)尤其是采煤業(yè)發(fā)達(dá),企業(yè)很多,點(diǎn)源污染嚴(yán)重。下游地處河谷平原,數(shù)百萬畝耕地化肥農(nóng)藥等化學(xué)品使用量很大,眾多大型畜禽養(yǎng)殖場大量排污,嚴(yán)重影響穆棱河水環(huán)境質(zhì)量。極端大陸性氣候的結(jié)合使河流污染受到強(qiáng)烈的季節(jié)性影響。

1.2 數(shù)據(jù)

根據(jù)穆棱河水文特征、土地類型工業(yè)污染排放位置和農(nóng)業(yè)耕地分布,本研究選擇穆棱河的5個監(jiān)測點(diǎn),見圖1,包括三岔屯、團(tuán)結(jié)水庫(上游),堿廠橋(中游),知一橋、穆棱河口內(nèi)(下游)。選擇7項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評價,包括水溫(T)、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)。以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)》為評價準(zhǔn)則。所有數(shù)據(jù)采用SPSS22.0、Origin 2021和Excel數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析統(tǒng)計。

圖1 基于層次聚類方法的穆棱河監(jiān)測時間聚類譜系圖(組間聯(lián)結(jié))

1.3 數(shù)據(jù)處理

對主要環(huán)境變量應(yīng)用聚類分析(CA),判別污染物來源;使用主成分分析(PCA)識別研究區(qū)域水質(zhì)健康關(guān)鍵影響因子;應(yīng)用KaiserMeyer-Olkin(KMO)檢驗(yàn)和Bartlett球度檢驗(yàn),檢驗(yàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)對PCA的適用性。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)污染現(xiàn)狀

穆棱河水質(zhì)指標(biāo)描述統(tǒng)計,見表1。由表1可知:各項(xiàng)指標(biāo)的最大值(Max)、最小值(Min)、均值(Mean)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD),以及7項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)(CV),并列出了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)》規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)限值。從表中可看出,T、NH3-N、TN和TP等指標(biāo)的高變異系數(shù)表明其在時間或空間尺度上波動程度較大,可能是由氣候因素和人類活動造成。所有指標(biāo)中TN污染程度最嚴(yán)重,平均濃度達(dá)到Ⅴ類,最大值高出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的3.16倍,表明在部分時空條件下該水資源無法滿足人類生活和工業(yè)用途。其余指標(biāo)的平均濃度均在三級標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。

表1 穆棱河水質(zhì)指標(biāo)描述統(tǒng)計

2.2 穆棱河水質(zhì)參數(shù)的時間分布特征

時間尺度上對穆棱河水質(zhì)指標(biāo)應(yīng)用CA,得到的譜系圖將12個監(jiān)測期分為三類。平方歐姆距離<8時有顯著差異。聚類Ⅰ包括1～5月、11月、12月,對應(yīng)穆棱河水量的低流量(LF)時段。該時段河流在零下溫度下結(jié)冰,冰層厚度普遍達(dá)到0.8～1.5m。聚類Ⅱ?qū)?yīng)穆棱河的高流量(HF)時段,包括7月、8月、9月,夏季汛期雨量增大,多發(fā)洪水。聚類Ⅲ包括6月和10月,對應(yīng)穆棱河的平均流量(MF)時段,處于冰封期和非冰封期的過渡階段。因此,按照穆棱河的水文特征,將12個月分為低流量、中流量和高流量三個時段。穆棱河流冬季氣溫低,河流結(jié)冰期長,該聚類結(jié)果比季節(jié)分類更為合理。基于層次聚類方法的穆棱河監(jiān)測時間聚類譜系圖(組間聯(lián)結(jié)),見圖1。

從時間尺度上應(yīng)用斯皮爾曼系數(shù)評價穆棱河水質(zhì)變化。分別給三個周期分配相應(yīng)整數(shù)(LF;1;HF:2;MF:3),各個水質(zhì)指標(biāo)分別與序變量建立斯皮爾曼相關(guān)性。結(jié)果表明,水溫與水質(zhì)時間分布相關(guān)系數(shù)最大(R=0.769),并且達(dá)到極顯著水平。其余指標(biāo)中與周期有顯著相關(guān)性的有達(dá)到顯著水平的溶解氧(R=-0.591)、化學(xué)需氧量(R=0.493)、總磷(R=0.434)、高錳酸鹽指數(shù)(R=0.217)。目前為止,這些參數(shù)可看做水質(zhì)指標(biāo)周期性變化的主要因素,其時間分布特征可用該區(qū)域?qū)?yīng)時段的水文特征和氣候變化解釋。水溫反映了大氣溫度,氣溫與水體溶解氧含量有顯著負(fù)相關(guān)。在LF時段,研究區(qū)域氣溫低,個別月份低至-30℃以下,基本沒有農(nóng)業(yè)活動,污染物負(fù)荷低。河流冰封期長,人類活動對水質(zhì)造成的影響小。在MF時段,穆棱河冰封期結(jié)束,流量增大,農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖和人類活動造成的污染負(fù)荷逐漸增加。在HF時段,該流域降雨增大,產(chǎn)生的徑流對地表沖刷,以及水田灌排水為穆棱河帶入大量有機(jī)污染物,其次是沿途主要城市(雞西市、虎林市等)的城市生活污水和工業(yè)污水排放對水質(zhì)的有機(jī)物貢獻(xiàn)。其余參數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)的周期性變化相關(guān)性不顯著,應(yīng)該與人類活動密切相關(guān)。

對兩個時段(LF、HF)分別應(yīng)用PCA(通過KMO檢驗(yàn)和Bartlett球度檢驗(yàn)),以分析影響水質(zhì)參數(shù)的主要因素并對比其不同組成。主成分分析得到特征值>1的低流量時段3個主成分,解釋了該時段水質(zhì)參數(shù)集總方差的93.057%。高流量時段2個主成分,100%解釋了其對應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)集。3個時段水質(zhì)參數(shù)主成分負(fù)荷矩陣及解釋方差,見表2。

表2 3個時段水質(zhì)參數(shù)主成分負(fù)荷矩陣及解釋方差

對于低流量時段相關(guān)的水質(zhì)參數(shù)集,在3個主成分中,成分1對水溫、CODMn、COD具有強(qiáng)正荷性,對NH3-N具有強(qiáng)負(fù)荷性。高錳酸鹽指數(shù)的大小代表水中可被氧化的還原性物質(zhì)的多少,與化學(xué)需氧量正相關(guān)。在冰凍期,水溫趨近零度,厚冰層阻擋了農(nóng)業(yè)活動和城市造成的有機(jī)物污染,水中有機(jī)物濃度低。該成分反映了有機(jī)物污染的貢獻(xiàn)。成分2對DO和TN具有強(qiáng)正荷性。成分3對TP具有強(qiáng)正荷性。人類生活污水或者含氮工業(yè)廢水的排放,使水中有機(jī)氮和各種無機(jī)氮化合物增加,消耗了大量的溶解氧。水體中的磷主要來自生活污水中各種含磷洗滌劑、人類排泄物以及養(yǎng)殖廢水、煤化工廢水的排放。成分2和成分3反映了水體中的氮、磷營養(yǎng)鹽污染。

對于高流量時段相關(guān)的水質(zhì)數(shù)據(jù)集,在兩個主成分中,成分1對水溫、CODMn、COD具有強(qiáng)正荷性,對DO和TN具有強(qiáng)負(fù)荷性。河流中高濃度的有機(jī)物和氮主要來源于生活污水和農(nóng)業(yè)活動,夏季農(nóng)業(yè)活動使用大量的有機(jī)肥料和氮肥,通過灌排水和大量降雨形成的地表徑流被直接帶入河流,或者滲入地下形成徑流,最終匯入河流。成分2對NH3-N和TP具有強(qiáng)正荷性。河流中的氨氮和磷主要來源于城市生活污水,以及工業(yè)廢水和廢水處理廠的排放。養(yǎng)殖生物的糞便和飼料中的可溶性蛋白融入水中也使NH3-N濃度增加,形成點(diǎn)源污染。

2.3 穆棱河水質(zhì)參數(shù)的空間分布特征

對2021年穆棱河CODMn、NH3-N、TN、TP,4個水質(zhì)參數(shù)的濃度分布進(jìn)行計算研究。2021年穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)比較,見圖2。團(tuán)結(jié)水庫的高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度顯著高于其他監(jiān)測點(diǎn),知一橋高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度均值最低,且變化幅度最小。團(tuán)結(jié)水庫位于黑龍江省穆棱市共和鄉(xiāng)境內(nèi),以灌溉為主,兼具發(fā)電、防洪和養(yǎng)魚等功能[33]。水庫上游的大量農(nóng)田和雨季大量降雨形成的徑流,使土壤中的大量有機(jī)物和含氮營養(yǎng)鹽流入團(tuán)結(jié)水庫,污染物沉積、轉(zhuǎn)化,使該監(jiān)測點(diǎn)高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度升高。水庫上游的公路橋常有游客垂釣,水庫中心和大壩上游有當(dāng)?shù)鼐用癫遏~,這些人類活動和水庫附近居民的生活污水排放也是造成團(tuán)結(jié)水庫高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度高于其他監(jiān)測點(diǎn)的原因。知一橋位于黑龍江省密山市境內(nèi),沿岸農(nóng)場眾多,下游種植業(yè)發(fā)達(dá)。上游流經(jīng)雞西市,雞西市以煤炭、冶金和建材等重工業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)給穆棱河帶來了較大的生態(tài)保護(hù)壓力。該監(jiān)測點(diǎn)主要污染來源是農(nóng)業(yè)化肥造成的面源污染和上游城市生活污水和工業(yè)廢水造成的點(diǎn)源污染。該河段河面寬闊,兩岸植被覆蓋率高,雨季流速快,水體污染物稀釋能力強(qiáng),且附近無工廠和廢水處理廠排污等點(diǎn)源污染,各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)濃度均較低。由圖(c)可看出穆棱河全段總氮濃度無顯著變化。堿廠橋處氨氮和總磷濃度變化較大,并且總磷濃度高于其余監(jiān)測點(diǎn)。堿廠橋位于穆棱河中上游,地處黑龍江省牡丹江市和雞西市交界處,地形為山地。該監(jiān)測點(diǎn)處河岸左側(cè)為居民區(qū),右側(cè)分布農(nóng)場和魚塘。冬季主要污染來源是附近村鎮(zhèn)生活污水的直接排放。夏季農(nóng)業(yè)活動頻繁,降雨沖刷土壤造成水中氮磷營養(yǎng)鹽濃度增高。該公路橋旁的工廠排污也是造成此處氨氮和總磷濃度變化大的原因之一。

圖2 2021年穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)比較

比較2021年穆棱河5個監(jiān)測點(diǎn)和3個流量時段的水質(zhì)指標(biāo)變化情況,2021年穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)不同時段瀑布圖,見圖3。在低流量時段,團(tuán)結(jié)水庫水質(zhì)指標(biāo)中氨氮和總氮濃度遠(yuǎn)高于其余監(jiān)測點(diǎn),化學(xué)需氧量和溶解氧濃度低于其余監(jiān)測點(diǎn),可能是由于枯水期水庫蓄水,水體流動性和交換能力差,在微生物和藻類作用下含氮營養(yǎng)鹽持續(xù)積累,并消耗水中的溶解氧。并且此時段水溫低,水中溶解的氧氣少。河段上游工業(yè)廢水排放少,水體有機(jī)物污染程度不高,使得化學(xué)需氧量較低。隨著中下游河流受到廢水處理廠和煤廠等企業(yè)排污,以及農(nóng)田施肥造成的有機(jī)物污染嚴(yán)重,水體中化學(xué)需氧量濃度升高。在平均流量時段,各監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)濃度無顯著變化。在高流量時段,高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量兩項(xiàng)指標(biāo)從上游到下游有較顯著波動,這兩項(xiàng)指標(biāo)越高,代表了河流受到有機(jī)物污染的程度越嚴(yán)重,說明堿廠橋是穆棱河受到工業(yè)排污造成點(diǎn)源污染最嚴(yán)重的監(jiān)控斷面。

圖3 2021年穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)不同時段瀑布圖

2.4 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價

對2021年穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)狀況,分別于不同流量時段(LF、MF、HF)應(yīng)用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法進(jìn)行評價,穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)不同流量時段綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù),見表3;2021年穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)不同流量時段綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù),見圖4。

圖4 2021年穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)不同流量時段綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

表3 穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)不同流量時段綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

低流量時段,團(tuán)結(jié)水庫水質(zhì)最差,為劣Ⅴ類,其余監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)全部達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。穆棱河水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類,另外4個監(jiān)測點(diǎn)各有一個指標(biāo)劣勢于水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì),均為TN,因此在低流量時段,TN為穆棱河的主要污染物。平均流量時段,團(tuán)結(jié)水庫水質(zhì)接近Ⅳ類,堿廠橋水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類,其余監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)均為Ⅲ類。各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)中TN均劣勢于水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì),可看做平均流量時段的主要污染物。高流量時段,團(tuán)結(jié)水庫和堿廠橋水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類,且各有三個指標(biāo)劣勢于水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì),均為CODMn、COD和TN,這三項(xiàng)可視為該時段穆棱河流域主要污染物。在5個監(jiān)測點(diǎn)中,三岔屯、知一橋、穆棱河口內(nèi)三處水質(zhì)健康狀態(tài)保持較好,全年基本均達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。與李佳民等(2016)的研究結(jié)果不同,其得出結(jié)果2010—2014年穆棱河上游水質(zhì)總體好于中、下游,造成這種差別的原因可能與穆棱河流域上、中游的旅游開發(fā)和中游城市工業(yè)建設(shè)力度加大相關(guān)。

3 結(jié) 論

穆棱河7項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中,T、NH3-N、TN和TP在時間或空間尺度上波動顯著,TN污染最嚴(yán)重。應(yīng)用CA對穆棱河2021年水質(zhì)狀況進(jìn)行分析,得到三個不同流量時段,低流量時段(LF)為1～5月、11月和12月,平均流量時段(MF)為6月和10月,高流量時段(HF)為7月、8月和9月。對LF和HF應(yīng)用PCA,LF得到3個主成分,解釋了該時段水質(zhì)參數(shù)總方差的93.057%,HF得到2個主成分,解釋了該時段水質(zhì)參數(shù)總方差的100%。對比2021年穆棱河各監(jiān)測點(diǎn)CODMn、NH3-N、TN、TP,4項(xiàng)指標(biāo)的平均濃度,得出:對于CODMn和NH3-N兩項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo),團(tuán)結(jié)水庫的濃度顯著高于其他監(jiān)測點(diǎn),主要原因是降雨匯流和水體交換能力差;知一橋受到的點(diǎn)源污染很少,CODMn和NH3-N濃度均值最低,且變化幅度最小;穆棱河全段總氮濃度變化不顯著;堿廠橋處氨氮和總磷濃度變化較大,并且總磷濃度高于其余監(jiān)測點(diǎn),主要是由于工業(yè)排污嚴(yán)重和農(nóng)業(yè)活動大量使用化肥農(nóng)藥。5個監(jiān)測點(diǎn)中,三岔屯、知一橋、穆棱河口內(nèi)三處水質(zhì)狀態(tài)較健康,上游的團(tuán)結(jié)水庫和中上游的堿廠橋污染較嚴(yán)重。應(yīng)用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對穆棱河2021a水質(zhì)健康狀況進(jìn)行綜合評價,得出:在LF時段,主要污染物為TN,團(tuán)結(jié)水庫水質(zhì)最差,為劣Ⅴ類;MF時段,穆棱河水質(zhì)狀況總體較好;在HF時段,穆棱河主要污染物為CODMn、COD和TN。