长江宜宾段水质时空分布特性分析

 龚清莲，  刘颖+，  汤冰冰

  （西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川  成都610000）

  摘要：依据长江宜宾段出入境监测断面2004年、2008年和2012年的水质监测数据，分析了该江段的综合水质、主要污染因子及水质时空分布特性。选取高锰酸盐指数、氨氮、石油类、TN、TP和粪大肠菌群6个水质指标，通过综合污染指数法对水质进行综合评价得出：该江段2008年水质清清，2004年和2012年水质轻污染。选取pH值、DO、高锰酸盐指数、氨氮、石油类、TN、TP和粪大肠菌群8个水质指标，利用SPSS17.0软件和主成分分析方法对该江段的主要污染因子和水质时空分布特性进行分析得出：主成分分析将8个水质指标概括为4个主成分；水质年内变化特点为夏季水质最差，其它季节较夏季水质更好；水质年际变化为2008年的水质优于2012年的水质，2012年的水质优于2004年的水质；挂弓山断面的水质优于井口断面的水质。

  关键词：水质；时空分布；综合污染指数法；主成分分析；长江宜宾段

  长江是我国水量最丰富的地区，其流域面积约占全国总面积的1/5，人口占全国的42.7%，长江经济带覆盖的11省（市）的GDP总量占全国的45.5%，排污量也占到了中国总量的43.1%。宜宾市地处四川盆地的西南部边缘，位于金沙江、岷江、长江汇合处，是长江干流的起始点，长江在其境内的流程为83.6 km。宜宾作为一个农业大市，随着其社会经济高速发展，城市化进程的加快，该段水体的氮、磷负荷不断增加。宜宾独特的地理位置使其成为长江水环境监测及水质控制的重要地区（见图1），因此对长江流域宜宾段的水质时空分布特性进行分析，可以了解该江段的综合污染状况、主要污染因子及水质时空分布特性，为调节优化沿江产业布局、制定合理的城市管理方案、控制水体污染及加强水质管理提供科学依据。

1研究方法

1.1综合污染指数法

综合污染指数法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值。该方法计算方法简单，适用范围广，可以有效地衡量水质总体状况，确定水体的污染程度，并对水污染状况进行综合判断，也便于进行同一水系时间上的基本污染状况和变化的比较。计算公式如下：

 式(1)中，P，为，断面的水污染综合指数；G为j断面f项指标年平均值；C,o为f项指标评价的标准值；，z为参与评价的指标项数。

  水质状况分级标准如表1。

  文章根据长江宜宾段上游挂弓山和下游井口2个监测断面2004年、2008年和2012年的水质监测数据，选取高锰酸盐指数、氨氮、石油类、TN、TP和粪大肠菌群6个水质指标（pH值和DO达到一类水质标准，重金属铅、镉未检出，故未选取），通过综合污染指数法对该江段的水质进行综合评价。

1.2主成分分析法

 河流水质污染是由许多因素综合而成的，水质系统是一个由多维因子（多种污染物含量、指标变量）组成的复杂系统，因子间具有不同程度的相关性，每一因子从某个方面反映了水质质量。依据这些变量做综合评价有一定的难度，尤其是在变量和样本繁多的情况下。主成分分析法( principal component analysis，PCA)是通过对各水质参数进行标准化处理后，将原来众多的具有一定相关性的变量重新组合成新的少数几个相互无关的综合变量，来代替原来变量的一种统计分析方法。这些新的综合变量称之为主成分，主成分包含主要的污染物信息既彼此独立，又能够反映主要问题，还能有效排除不相关指标的影响，具有较好的客观性。水质时空分布研究是分析水质在时间、空间尺度上的离散与分布特征，包括空间相似性和差异。

 文章根据长江宜宾段上游挂弓山和下游井口2个监测断面2004年、2008年和2012年的水质监测数据，选取pH值、DO、高锰酸盐指数、氨氮、石油类、TN、TP、粪大肠菌群共8项水质指标（重金属铅、镉未检出，故未选取），利用SPSS 17.0软件，通过主成分分析法分析了该江段的主要污染因子和时空分布特性。

2结果分析

2.1水质评价

将挂弓山断面和井口断面2004年、2008年和2012年各年全年的监测数据年平均后进行分析得到结果如表2。

 评价结果显示，长江宜宾段水质较好。2008年水质最优，清洁无污染，2004年和2012年水质轻污染。

 水污染综合指数越大，说明污染程度越严重。通过比较水污染综合指数可以看出，2004年和2012年、挂弓山断面和井口断面的水污染综合指数相差并不明显。污染指数法本身隐含着这样一个假设：污染物对环境的影响与污染物的浓度是严格呈线性的；但事实并非完全如此，这种综合污染指数法掩盖了量少但危害大的污染物，且该方法还存在未考虑多个不同污染指标对水质影响程度差异的局限性。因此，为进一步准确分析污染长江宜宾段水质的主要因子和该江段的时空分布，研究选择采用主成分分析法进行深入分析。

2.2主要污染因子

将2004年、2008年和2012年挂弓山断面和井口断面的水质监测数据每4个月做一次平均（1-4月，5-8月，9-12月），每4个月的平均数据见表3。

考虑到水质指标数量级和大小上的差异，将数据进行标准化处理后再用SPSS17.0进行主成分分析。利用SPSS 17.0求得的主成分提取分析表见表4。

  由于仅当特征值大于l时，所对应的主成分才有意义，因此，根据分析结果选取了4个主成分。这4个主成分累积的方差贡献率为89.6430A，它们所对应的主成分已经能够反映原始指标的绝大部分信息。研究将与主成分相关系数的绝对值大于0.6的指标认定为与该主成分显著相关的指标。成分矩阵见表5。

 根据表4和表5可知，第一主成分F1的方差贡献率为33.589%，为第一类主要污染源，F1与高锰酸盐指数和TP呈显著正相关，与DO呈显著负相关，说明在F1中高锰酸盐指数、TP和DO是影响水质的主要因子。第二主成分F2的方差贡献率为28.370%，为第二类主要污染源，F2与pH值呈显著负相关，与氨氮和TN呈显著正相关，说明在F2中pH值、氨氮及TN是影响水质的主要因子，其中TN的影响作用最大。第三主成分F3的方差贡献率为14.944%，为第三类主要污染源，F3与粪大肠菌群呈显著正相关，说明在F3中粪大肠菌群为影响水质的主要因子。第四主成分F4的方差贡献率为12.741%，为第四类主要污染源，F4与石油类呈显著正相关，说明在F4中石油类为影响水质的主要因子。

 F1、F2代表了有机污染物和富营养污染。从DO和高锰酸盐指数在F1上的载荷可以看出F1代表的有机污染物多为好氧有机污染物。这些污染物主要来源于工业废水、城镇生活污水及农业面源污染输入的氮磷。

2.3  时空分布特性分析

将成分矩阵中的4列数据分别命名为Bi、B2、B3、B4后录入SPSS17.0，经“A,=B,/SQRT(A)”(/=1、2、3、4；A为特征值)得到特征向量。表6为特征向量。

根据特征向量可得主成分因子得分的线性方程式如下：

 其中，Z1、Z2、Z3、Z4分别表示4个主成分的主成分因子得分；x1、X2、X3、X4、x5、X6、X7、X8分别表示pH、DO、高锰酸盐指数、氨氮、石油类、TN、TP和粪大肠菌群。

将标准化数据代人上述方程即可得到各主成分的得分，各主成分得分与对应的方差贡献率乘积的总和即为综合得分。根据各主成分得分及综合得分可对流域水环境质量状况进行定量化描述，由于水质指标为低优指标，因此得分越高，说明水体污染越严重，由此可对该流域水环境质量状况进行排序和分级。主成分得分、主成分综合得分及排序见表7。

根据表7得2004年、2008年和2012年的主成分综合得分图如图2；挂弓山断面和井口断面的主成分综合得分图如图3。

 由于水质指标是低优指标，从图2可看出2008年的水质优于2012年的水质，2012年的水质优于2004年的水质。根据2004年对宜宾段三江沿岸主要工矿企业调查显示，2004年前沿江多家工矿企业每年污水排放量大，达标排放率低；城镇生活污水未经任何处理直接排入江中；沿三江两岸的多个垃圾场的污染物随降雨流人江中。2004年起宜宾市政府环保部门加大了对工矿企业排污的监管力度，排污主要工矿企业都修建了一定的污水处理措施，减少了工业废水的排放所以2008年的水质较2004年的水质变好。2007年11月、2008年12月金沙江下游2座巨型水电站——溪洛渡水电站和向家坝水电站先后截流，对长江上游，特别是宜宾段的水文情势有着显著影响梯级电站建设运行形成的梯级水库，使得流域流速变缓，大气覆氧能力降低，水中溶解氧下降，导致水体自净能力减弱，水环境容量降低，对污染物的稀释、混合和降解能力减弱，造成电站下游水质变差。向家坝下游两岸均为丘陵农业区，农业种植中使用的农药及土壤中自身含有的污染物会随农田灌溉水进人流域。航运条件的改善促进了航运事业的发展，不可避免的使得进入流域的石油类污染物增多。因此，2012年的水质较2008年的水质变差。虽然2004年和2012年的水质都劣于2008年的水质，但相对2004年来看，2012年人们的环保意识更强，在发展经济的同时兼顾保护环境，市政府环保部门对企业排污的监管力度更大，修建了多个城市污水处理厂，故2012年的水质相对2004年的水质较好。

  从图3看出，2004年、2008年和2012年长江宜宾段水质的年内变化趋势一致，呈现出一定的季节性，为夏季水质最差，其它季节较夏季水质更好。由文献[12，15]可知，长江流域春季、秋季降水下降，而夏季、冬季降水增加，丰水期污染最重，原因在于丰水期常有强降雨，地面大量的污染物，如残留的农药化肥等，随着强降雨的冲刷被带入水体，导致丰水期水体污染较为严重。向家坝水电站投入使用后，蓄水期流向下游的水量大大减少，水体流速减慢，泥沙沉降快，泥沙沉降的同时吸附水体中的高锰酸盐指数、TN、TP、粪大肠菌群等污染物质，使水体中污染物质减少，水质变好。非蓄水期水流量大，水体流速较快，泥沙沉降较慢，水体中含有的悬浮物多，同时，水体中与泥沙关系密切的高锰酸盐指数、TN、TP、粪大肠菌群等污染物质含量也更多，导致水质变差。以上原因都导致长江流域宜宾段水质年内变化为夏季水质最差，其它季节较夏季水质更好。

 由图3可看出，挂弓山断面的水质较井口断面的水质更好。长江流域属于Ⅲ类水体，水质参数的标准值选取GB3838-2002中Ⅲ类水质标准限值作为标准值。从两断面的水质指标每4个月的平均值（表3）来看，两断面的pH值均在标准限值范围内，总的来说，挂弓山断面DO的含量高于井口断面，高锰酸盐指数和粪大肠菌群的含量少于井口断面，氨氮的含量高于井口断面，两断面受TN、TP和石油类污染物污染程度相当。两断面DO含量均达到了I类水质标准，氨氮的含量均达到了Ⅱ类水质标准，高锰酸盐指数和石油类的含量均达到了Ⅲ类水质标准。DO是水中有机物进行氧化分解的重要条件，其含量可以直接表示水质的好坏。该江段DO含量正常，说明水体受到有机物污染小。TN和TP大部分超标，粪大肠菌群数全部超标。以上说明长江宜宾段水体主要受富营养污染，受有机物污染不严重，挂弓山断面较井口断面受到污染更小。总的来说，挂弓山断面的水质优于井口断面的水质。

3结论

 文章采用综合污染指数法和主成分分析方法，对长江宜宾段2004年、2008年和2012年上游挂弓山和下游井口2个监测断面的水质监测数据进行了处理，分析和探讨了该江段的综合污染状况、主要污染因子和水质时空分布特性。

 (1)综合污染指数法分析结果表明，长江宜宾段2008年水质清洁，2004年和2012年水质轻污染。

 (2)通过对长江宜宾段的8个水质指标（pH值、DO、高锰酸盐指数、氨氮、石油类、TN、TP、粪大肠菌群）进行主成分分析，提取了4个主成分。第一主成分为第一类主要污染源，主要代表DO、高锰酸盐指数和TP。第二主成分为第二类主要污染源，主要代表pH值、氨氮和TN。第三主成分为第三类主要污染源，代表粪大肠菌群。第四主成分为第四类主要污染源，代表石油类污染物。F1、F2代表了有机污染物和富营养污染。该江段主要受富营养污染，受有机物污染不严重，有机污染物多为好氧有机污染物。这些污染物主要来源于工业废水、城镇生活污水及农业面源污染输入的氮磷。

 (3)对长江宜宾段水质进行时空分布特性分析得到，时间尺度上，该江段水质年际变化为2008年的水质优于2012年的水质，2012年的水质优于2004年的水质；年内变化呈现出一定的季节性，夏季水质最差，其它季节较夏季的水质要好；空间尺度上，挂弓山断面的水质优于井口断面的水质。