基于多元统计分析的尼洋河水质评价

郝守宁，田军林，董 飞

(1.西藏农牧学院，西藏 林芝 860000；2.中山市水库水电工程管理中心，广东 中山 528403；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

河流水质是流域生态系统健康评价的一项重要指标，同时也是分析流域污染特征的重要依据之一[1,2]，全面评价河流水环境质量掌握水环境污染特征是防治河流水环境污染的重要依据[3]。尼洋河流域位于藏东南生态安全屏障区水生态环境极其脆弱，同时也是工布江达县与林芝市的重要饮用水源地，随着林芝市种植业及其旅游业的发展，河流水环境问题日益突出，人口的增加及社会经济系统排放的污染物势必会对水环境质量造成严重的危害[4]，尼洋河水质指标超标问题日益凸显逐步成为高原城市可持续发展的瓶颈要素。多年来，对尼洋河的水环境问题研究方面极为欠缺，仅仅停留在对尼洋河水质中的几项常规指标利用单因子评价法和模糊综合评价法进行简单的评价论述，但河流水环境问题是由多项组成的复杂系统，且不同的监测指标间往往存在一定程度的重叠，从而造成单因子评价法和模糊综合评价法在对尼洋河水环境问题的评价上具有一定的局限性和适用性[3]。多元统计分析方法被广泛应用到水体水质评价与分析中[5]，同时对水质空间变化的分析和污染指标的识别都是很有效的方法[6]。本研究借助SPSS软件的统计分析平台利用主成分分析法和绝对主成分多元线性回归模型，应用主成分分析法[3]对尼洋河干流多个原始水质影响因子转化为少数几个相互独立的综合指标进行，识别其污染指标并对水质进行综合评价，进一步利用绝对主成分多元线性回归模型[6]量化分析各主成分对尼洋河不同水质指标的影响程度，以期为控制尼洋河主要污染物指标，开展高原生态脆弱区水资源保护和可持续利用具有非常重要的意义。

1 材料及方法

1.1 研究区概况

尼洋河流域位林芝市西北部，属于藏东南生态安全屏障区，河流发源于西藏自治区米拉山西侧的错木梁拉，由西向东流，河流全长约309.02 km，流经工布江达县、林芝县，在林芝县的则们附近汇入雅鲁藏布江，多年平均年径流深大约972 mm，水量仅小于帕隆藏布，为雅鲁藏布江的第二大支流[7]。尼洋河受印度洋暖流与北方寒流的影响，形成了林芝地区特有的气候条件，流域内气候温和湿润，年均气温8 ℃左右[8]，年降水量800 mm左右且年内径流量相对集中在6-9月，汛期径流量占年径流总量的90%左右[9]。尼洋河流域河网较为密集，干流的支流众多，大约每隔4～5 km就有一条常年流水的沟谷，属于典型的高原河流。同时尼洋河是工布江达县和林芝县生活及农牧业生产的重要供水水源地，流域内的畜禽养殖和农耕种植是农牧民的主要经济来源。随着社会经济的发展及农村城镇化的推进，加之尼洋河干流水利工程的建设的加速，直接影响了尼洋河干流多项水质监测项目浓度值在空间上的变化，因此，分析和评价尼洋河干流水体的污染特征具有重要的意义。

1.2 断面布设与水质指标监测方法

依据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91-2002) 中的断面布设原则，结合高原河流特有的地形地貌特征及尼洋河水系的分布特点，综合考虑流域内污染源和水利工程的分布特征以及采样点的可达性，在尼洋河干流共布设10个监测断面，监测点分布见图1。采样频次为2018年枯水期(1-3月)与丰水期(7-9月)每月1次。评价指标选取化学需氧量COD、氨氮NH3-N、总氮TN、总磷TP、 铅Pb和镉Cd共6项。具有代表意义的水质指标总氮TN、总磷TP、氨氮NH3-N、化学需氧量COD，采集500 mL水样分别加硫酸和硝酸固定后放置于密封采样容器带回实验室进行测定(3次重复)，由于尼洋河水环境中的重金属含量较小，铅Pb、镉Cd和铜Cu的检测依托西藏农牧学院高原水环境水生态研究所内的SP-35620原子吸收分光光度计进行检测分析。水样水质的保存、预处理和检测严格按照国家相关标准方法。

图1 尼洋河流域采样点位分布示意图

1.3 评价方法

本研究应用SPSS23.0软件中的因子分析功能对尼洋河各个监测断面的水体指标浓度提取主成分，采用最大方差法对因子进行旋转，根据得到的旋转因子载荷矩阵进行水质综合评价，同时分析各主成分中显著相关的水质指标，同时对汛期和枯水期水体水质指标进行相关性分析，了解水体中各指标间的相互关系分析其污染来源，结合因子分析后公共因子的得分进行加权求和，对河流监测点进行综合得分[10]评价分析，其中权数为公共因子的方差贡献率。通过对研究区内汛期与枯水期原始检测水质指标含量的KMO和Bartleet检验分析，汛期与枯水期监测数据的KMO检验值分别为0.548与0.501(都大于0.5)，且Bartleet检验的显著性分别为0.000与0.001(都小于0.01)，此分析结果说明进行因子分析是可行的[6]。

2 结果与讨论

2.1 尼洋河水体污染物含量特征

对2018年尼洋河汛期和枯水期的6项监测水质指标浓度进行统计分析，描述统计结果见表1，由表1可知，6项水质指标中除了COD与Cd汛期均值大于枯水期，其余水质指标平均浓度值均小于枯水期，此结果主要由流域内高山雪融水增加，汛期降雨量充沛所导致，汛期降雨与高山雪融水的骤增使河道水量增加[9]从而增强了河水对入河污染物的稀释。所监测的6项水质指标在汛期与枯水期有着同样的规律，其平均浓度值排序均为COD> TN>NH3-N>TP>Pb>Cd。由各水质指标浓度的最小值与最大值可知尼洋河水质在时空分布上，所监测的6项水质指标中除了Pb的浓度范围波动枯水期大于汛期，其余5项水质指标浓度波动范围均小于汛期，由此可见汛期尼洋河水质在空间分布上差异较大，此结果与汛期降雨量入河所携带的面源污染物离不开关系。依据GB3838-2002《地表水环境质量标准》中水质指标标准值，尼洋河汛期和枯水期的水质指标NH3-N、TP、Pb 与Cd的平均浓度值都低于Ⅰ类标准限值；COD指标平均浓度值在枯水期属于Ⅲ类水质，在汛期则属于Ⅳ类水质；TN指标在汛期与枯水期的平均浓度值均属于Ⅱ类水质。由于所监测的6项水质指标浓度范围波动较大，结合采样点的分布及水质指标检测的原始结果可知尼洋河水体水质在时空分布上有以下特征：根据汛期及枯水期COD指标浓度在河流上的分布，汛期与枯水期有着相似的规律，尼洋河水体中COD指标浓度最高值同时出现在中游(巴河入尼洋河的前后监测点)属于劣Ⅴ类水质，最小浓度值出现在下游(林芝市前后监测点)小于Ⅰ类水质标准浓度，汛期与枯水期水体中的COD指标浓度表现为中游>上游>下游；TP、NH3-N与TN指标浓度值汛期在空间上的分布有着相同的规律，浓度最高值同时出现在上游，且浓度值伴随河流方向呈平稳下降的趋势，TN指标浓度值在枯水期与汛期在空间分布上基本相似，但汛期的TP与NH3-N指标浓度值在空间上没有明显的变化趋势，但总体表现为下游水体浓度值最低，尼洋河水体中TP、NH3-N与TN指标浓度值在Ⅰ～Ⅲ类水体标准值之间；汛期重金属Pb 与Cd指标浓度值在空间分布上随河流方向成线性下降趋势，且浓度值排序为上游>中游>下游，但枯水期重金属Pb 与Cd指标最小浓度值出现在中游，其浓度值在空间的排序游>下游>中游。值得注意的是6项水质指标浓度在空间上的分布同时表现为汛期水质优于枯水期。以上分析结果与次仁卓玛[11]对尼洋河水质检测结果的描述基本吻合。尼洋河下游水体水质在时空分布上变现为汛期下游水体最优。

表1 尼洋河水质监测数据统计

2.2 尼洋河水质指标相互关系

相关性分析常用来揭示指标间的相互内在关系，通过对尼洋河6项水质指标浓度值进行相关分析，尼洋河各水质指标间的相关关系矩阵见表2。由表2可知汛期水体中水质指标间显著相关指标多于枯水期，说明尼洋河水体受流域内降雨汇流带来的面源污染因子影响较大；无论在汛期还是枯水期尼洋河水质指标COD与其余5项水质指标无明显的相关关系，说明指标COD污染来源于其余污染指标来源不同[8]；汛期指标TP与TN、NH3-N、Pb 、Cd指标均有显著的相关性，指标TN与NH3-N相关系数为0.686，指标NH3-N与重金属指标Pb与Cd的相关系数分别达到了0.724与0.846，同时重金属指标指标Pb与Cd的相关系数达到0.921；尼洋河流域重金属指标主要来自流域的土壤内，而常规指标污染物主要来自流域内的畜禽养殖及其他的农业面源污染源[12]，重金属指标Pb与Cd的相关系数说明，受汛期降雨影响流域内水土流失加重是河流水体重金属的主要来源，结合流域监测断面实测指标浓度与流域内的生产力及其生活生产方式分布[13]，指标TP与TN、NH3-N、Pb 、Cd的相关系数，反映了流域内降雨入河所带入水体的常规污染物及重金属污染物(TP、TN、NH3-N、Pb 、和Cd)主要来源于流域地表残留的面源污染物[14]，NH3-N与重金属指标Pb与Cd相关系数说明了此三项指标污染源主要来源于流域内农田的水土流域。枯水期唯有两组显著相关的指标关系，指标TP与TN的显著相关系数为0.734，指标NH3-N与重金属指标Pb和Cd的显著相关系数分别为0.640与0.936；枯水期的水体水质受降雨汇入的影响较小，综合6项指标浓度间的显著相关系数与各监测断面的结果，枯水期水体中TP与TN指标主要来源于流域内居民生活污水及河滩地的畜禽养殖，污染物NH3-N与重金属Pb和Cd主要来自高山融雪水对河流沿程土壤中重金属的携带。

表2 各指标之间相关关系

注：**表示在0. 01上显著相关，*表示在0. 05上显著相关。

2.3 尼洋河水质主成分分析

对尼洋河汛期和枯水期的水质指标浓度进行主成分提取及旋转因子载荷矩阵见表3，结果表明：尼洋河水体指标汛期提取出2个主成分，第1主成分FPC1和第2主成分FPC2的方差贡献率分别为59.33%和25.37%，累计方差贡献率达到84.7%，由此可知FPC1较FPC2对尼洋河汛期水体水质状况影响大；从旋转因子载荷系数值可知，汛期尼洋河水体指标与FPC1显著相关的指标有TP、TN、NH3-N、Pb 、Cd，其中唯有NH3-N、Pb 、Cd与FPC1的相关性均大于0.90，说明汛期尼洋河水体重金属污染较为严重，据研究畜禽养殖对水环境的影响中发现畜禽粪便中重金属含量较高[14]，且长期的畜禽粪便停留在流域地层表明，经过汛期降雨的冲刷大部分会带入主干河流水体中，加之汛期降水量较大加快了流域内的水土流失，土壤中的重金属与畜禽粪便中的重金属是汛期重金属指标的重要来源；与FPC2显著相关的指标有TP、COD、TN、NH3-N、Pb ，其中唯有指标COD与FPC2的相关系数大于0.90，尼洋河流域地处高原，流域内没有重工业的影响，其污染物的主要来源为流域内的农业污染源[12]，研究成果[15]显示流域水体COD，TP、TN、NH3-N等常规指标污染的主要来源为畜禽养殖及生活污水污染源，汛期的降雨是畜禽养殖、生活污水与农田化肥等污染源通过面源污染进入河流水体的主要途径。尼洋河水体指标枯水期同样提取了出2个主成分，第1主成分LPC1和第2主成分LPC2的方差贡献率分别为47.254%和34.743%，累计方差贡献率达到81.997%，同样LPC1较LPC2对尼洋河枯水期水体水质状况影响大，枯水期尼洋河水体指标与LPC1显著相关且相关系数大于0.90的指标唯有NH3-N和Pb两个指标，与LPC2显著相关且相关系数较大唯有TP指标，枯水期水体主要为有机污染，常规指标污染浓度较大，枯水期面源污染对河流影响较小，但尼洋河流域地形特殊，流域内农牧业主要分布在宽阔的河谷滩地，河流主要来水为高山雪融水，受特殊的地形地貌及农牧业的影响，枯水期内畜禽养殖粪便直接排放到河流当中，较汛期雨水引起的面源污染更为严重，监测结果与主成分分析结果基本吻合，枯水期水体有机物指标浓度高于汛期。由于枯水期重金属Pb与Cd指标浓度平均值与汛期差别较小(表1)，且在汛期和枯水期都与第1主成分相关性较高，此结果说明了尼洋河水体中重金属污染来源有差异。

表3 尼洋河水质主成分分析及其旋转因子载荷矩阵

2.4 尼洋河水质特征综合评价

尼洋河各监测断面汛期与枯水期水体水质指标的主成分综合得分见表4，其中综合评价得分中所计算的每个断面得分数据都是标准化后的数据，其得分为负值不代表负相关，而是说明此综合得分低于平均水平。结果表明：无论是汛期还是枯水期综合得分最高的监测断面为巴河入尼洋河的前后监测断面，值得注意的是汛期巴河前监测断面综合得分大于巴河后监测断面，而枯水期巴河巴河前监测断面综合得分小于巴河后监测断面，说明汛期巴河水质优于巴河入口气前的尼洋河水质，汛期巴河与干流水量较大，受巴河上游水库的影响巴河汇入尼洋河后对干流水质有较好影响，而枯水期巴河水量及干流水量都比较小，优于巴河上游老虎嘴电站蓄水发电的影响，巴河流量较少，受巴河流域内农牧业的影响水体中所含污染物浓度较高从而影响尼洋河干流水质；结合图1监测点的分布及各断面，各监测断面在汛期与枯水期的综合得分有着相同的规律，即综合得分最低的断面分布在尼洋河下游，说明下游水体水质最优，自多布电站水库以下，尼洋河干流河网密集度逐步减少，且下游多以城镇民居住为主[13]，污染源相对单一且容易控制，在时空分布上下游水体水质在整个尼洋河流域属于最优水体；上游各监测断面(工布江达后至娘曲前)在汛期与枯水期的综合得分低于中游，高于下游，说明上游水体水质劣于下游水体而优于中游水体，上游河网较为密集，且控制流域面积较大，无论汛期还是枯水期水土冻融流失[16]较为严重，同时上游以牧业为主[13]，大量畜禽粪便对尼洋河上游水质有一定的影响。主成分分析(表3)的分析结果与水质指标间相互关系(表3)分析结果从侧面目验证了上游水体中重金属与常规指标污染物主要来自流域土壤和畜禽养殖粪便的流失。同时尼洋河水质的综合评价得分结果，与上述尼洋河水体污染特征中依据GB3838-2002《地表水环境质量标准》分析的结果一致，无论汛期还是枯水期下游水体水质最优，中游水体水质最差，上游水体水质优于下游劣于下游。

表4 尼洋河水体各断面水质综合评价

3 结 论

(1)尼洋河水体水质主要为水体富营养化污染和有机污染，主要体现在COD、 TN及TP的污染浓度较大；不论枯水期还是汛期，水体中水质指标浓度的大小与流域内畜禽养殖、生活污染及水土流失等污染源的分布有着密切的关系；尼洋河水体在时间上的表现为汛期水质优于枯水期，汛期和枯水期水质指标浓度提取的主成分和各个监测断面综合得分的差异，说明流域内降雨及支流对水质指标浓度产生一定的影响。

(2)尼洋河水体各水质指标间在汛期和枯水期的显著相关关系，说明水体中各水质指标的污染来源同流域内生产生活方式的分布及水土流失的分布有着密切的关系。尼洋河水质指标的统计分析的结果说明，汛期水质指标污染程度在空间上分布上差异较枯水期大，且研究水体中水质指标的浓度值在空间上的分布与提取的主成分综合得分的评价结果一致。

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