基于多元统计分析的聊城市河流水质评价

王正冉，王笑峰，张明胜，温玉强，任小花

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150050；3.济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022)

山东省聊城市地处鲁西地区，位于华北、华中、华东三大行政区交界处，是辐射冀、鲁、豫交界地区的中心城市。随着聊城市工业化进程推进，人口迅速增长，经济快速发展，水资源供需矛盾与水体污染问题日益突出。河流水质评价是合理开发利用水资源及水环境管理的重要基础。当前常用的河流水质评价方法主要有单因子评价法[1]、综合污染指数法[2]、水质指数法[3-4]、多元统计分析法[5-9]、模糊综合评价法[10]、灰色系统理论[11]以及人工神经网络评价法[12]等。

近年来，许多学者对聊城市水质现状开展了相关研究。姚志远[13]通过分析徒骇河聊城段监测断面的水质数据，采用单因子评价法和模糊综合评价法对水质进行评价并提出了污染防治措施。曹建荣等[14]采用单因子评价法分析了马颊河的水质数据并识别出了主要污染物。蔺照兰等[15]采用灰色聚类法对东昌湖水质富营养化进行了评价，并提出了可持续发展对策。王东丽等[16]运用单因子指数与内梅罗指数法分析了东昌湖水体的主要污染因子，并进行了湖泊富营养化评价。从以上研究成果可以看出，目前对聊城市内单一河流或湖泊的水质评价研究较深入，并获得了科学的水质数据。

为了更加全面地了解聊城市主要河流的水质现状，并从大量监测数据中识别河流的主要污染因素，本文中以2016—2018年聊城市4条主要河流的16个监测断面的水质数据为基础，采用基于层次分析的水质指数评价方法，分析聊城市主要监测断面水质的演变状况；通过聚类分析方法识别聊城市河流水质状况的空间分布特征；利用主成分分析及因子分析方法识别污染严重断面的特征污染物并探讨污染主要成因，以期为改善聊城市水生态环境质量，实现水资源、水环境、水生态“三水”统筹管理提供科学参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

聊城市位于山东省西部，西部与河北省邢台市隔卫运河相望，南部和东南部隔金堤河、黄河分别与河南省及山东省济宁、泰安、济南市为邻。区域内主要河流包括卫运河、马颊河、徒骇河、金堤河、黄河等。全市总面积为8 715 km2，南北长度为159 km，东西宽度为114 km，占山东省总面积的5.6%。该市处于暖温带季风气候区，属半干旱半湿润大陆性气候，多年平均气温为13.1 ℃，最低气温出现在每年1月，月平均气温为-4～-1 ℃；最高气温出现在7月，月平均气温为25～27 ℃。

聊城市地处华北平原，市区内地形平缓，地势西南高、东北低。1953—2019年降水资料显示，全市多年平均降水量为559.5 mm，最大降水量为954.2 mm(2013年)，最小降水量为301.0 mm(2002年)，年内降水量主要集中在汛期(6—9月)，约占全年降雨量的71%。

1.2 水质数据

16个水质监测断面(包括5个国控断面、6个省控断面和5个市控断面)位置如图1所示。从河流分布来看，卫运河有3个监测断面，即油坊桥、临清大桥和称沟湾；徒骇河有7个监测断面，即前油坊、博平桥、聊位路桥、王堤口、李凤桃、莘县桥和毕屯；马颊河有4个监测断面，即董姑桥、三十里铺、千户营和任堂桥；金堤河有2个监测断面，即张秋闸和仲子庙。根据国家标准GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的监测原则和方法，于2016—2018年对16个监测断面进行采样，采样频次为每月1次；按照文献[17]中的方法进行样品预处理和污染物浓度测定。为了保证数据的完整性和一致性，选取10个常用的水质监测指标进行分析，即pH、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH4-N)、总磷(TP)、氟化物(F)、挥发酚(VP)、粪大肠杆菌(FC)。

图1 山东省聊城市16个水质监测断面位置(地图从标准地图服务系统网站下载，审图号为GS(2019)1822号(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/download.html?searchText=GS)，根据山东省聊城市生态环境局公布的水质监测断面数据，经地理信息软件ArcGIS数据化处理绘制。)

1.3 研究方法

1.3.1 水质指数法

水质指数(WQI)法是一种将多种水质指标转化为单一指标来描述水质整体状况的数值方法。水质指数Iwq计算公式[4]为

(1)

式中：n为水质指标个数；wi为第i个指标的权重，采用层次分析法[18]进行设定；ci为第i个指标的标准化值，每个监测水质指标数值依据国家标准GB 3838—2002中的水质类别标准进行标准化。

Iwq各指标权重的设定依据文献[4,19]采用在线计算工具AHP Priority Calculator进行划分计算，结果见表1。Iwq取值范围为0～100，数值越大表示水质越好[4]。

表1 水质指数法各指标权重及标准化值

1.3.2 系统聚类分析法

系统聚类分析法是一种应用广泛的探索性识别技术，其实质是根据系统的近似性或相似性将具有类似特性的待评价目标以逐次聚合的方法进行归类[20-21]，可以直观反映类与类之间数据的相似性和差异性。本文中采用系统聚类分析法中变量聚类分析法对所有监测断面水质数据进行空间聚类分析。采用离差平方和(WARD)法[22]和平方欧氏距离法作为度量标准[22]。

假设类Gp与类Gq合并成新类Gr(p、q、r分别为不同样本的维度，p、q、r=1，2，…，n)，则Gr与任一类Gi的距离递推公式为

(2)

(3)

1.3.3 主成分分析及因子分析法

主成分分析通过研究原始变量间的内部关系，采用降维的方法将原始变量归纳为少数不相关的新变量，从而达到用少数新变量可以反映原始变量大部分信息的目的[4,22]。因子分析通过因子的旋转使因子载荷矩阵中的每一列元素尽可能地拉开距离，每一个新变量只对少数几个原始变量具有高载荷，其余载荷很小，简化了数据结构[23]。本文中在对水质数据的分析过程中，保留累计方差占比大于80%的新变量作为因子[24]。

2 结果与讨论

2.1 监测断面水质综合评价

以2016—2018年16个监测断面的月度水质数据为基础，采用WQI法得到每个监测断面的水质指数平均值，如图2所示。由图可知：从整体来看，大部分监测断面的WQI平均值为40～70，说明4条河流的总体水质状况良好，大部分监测断面能达到地表水环境质量标准Ⅳ类水的要求。从河流来看，卫运河3个监测断面的WQI平均值为60～65，变化范围较小，表明卫运河水质整体状况最好，且水质较稳定；金堤河2个监测断面的WQI平均值相差较大，说明金堤河上游和下游段水质差别较大，水质不稳定；马颊河4个监测断面的WQI平均值相差较大，说明马颊河从上游到下游沿程水质状况变化较大；徒骇河7个监测断面的WQI平均值都在60左右，相差较小，表明徒骇河沿程水质较稳定。从监测断面看，仲子庙、任堂桥、李凤桃、王堤口监测断面的WQI平均值相对较小，说明这4个监测断面的水质相对较差。

图2 山东省聊城市16个水质监测断面水质指数平均值

2.2 监测断面空间聚类分析

为了进一步分析聊城市主要河流水质的空间特性，以16个监测断面的WQI平均值为基础，采用WARD法进行聚类分析，结果如图3所示。由图可以看出，监测断面可以聚类为5组[25]。第1组包括董姑桥(马颊河)、千户营(马颊河)、博平桥(徒骇河)、毕屯(徒骇河)和前油坊(徒骇河)，结合监测断面位置的分布(图1)可以看出，本组除毕屯外，其余监测断面均位于聊城市东北部；第2组包括李凤桃(徒骇河)、王堤口(徒骇河)和仲子庙(金堤河)3个监测断面，均位于聊城市西南部；第3组只有1个监测断面，即任堂桥(马颊河)，位于聊城市西南部；第4组包括临清大桥(卫运河)、油坊桥(卫运河)和称沟湾(卫运河)3个监测断面，均位于聊城市西北部；第5组包括莘县桥(徒骇河)、聊位路桥(徒骇河)、三十里铺(马颊河)和张秋闸(金堤河)4个监测断面，除莘县桥外，其余断面均位于聊城市东部。结合水质综合评价结果可知，水质相对较差的李凤桃、王堤口、仲子庙和任堂桥4个监测断面集中于聊城市西南部，具有一定的空间聚集性。

图3 山东省聊城市16个水质监测断面空间聚类分析

2.3 水质较差监测断面主成分及因子分析

为了明确水质较差监测断面的污染因素，结合水质综合评价和空间聚类分析的结果，选取任堂桥、李凤桃、仲子庙、王堤口4个水质较差的监测断面进行主成分及因子分析。由于数据量纲和数量级的不同，首先分别对4个监测断面原始数据进行标准化处理，之后在因子分析中采用最大方差法进行因子旋转。当因子载荷值的绝对值为大于0.75、>0.5～0.75和0.3～0.5时，分别代表强载荷、中度载荷和弱载荷[26]。

任堂桥监测断面的水质因子分析结果见图4，共提取了5个主要因子(累计方差占比为83.9%>80%)。因子1方差贡献率为28.9%，对NH4-N、TP、F具有很强正载荷，CON具有中度正载荷，pH具有较强的负载荷，主要反映了人类活动产生的营养盐元素对水质的影响。NH4-N、TP可能来自于农业活动产生的非点源污染，NH4-N在畜禽养殖产生废水中含量较高，雨季会被冲刷进河流，因此反映了畜禽养殖业的非点源污染[27]。因子2方差贡献率为21%，CODMn、BOD、FC具有强正载荷，体现了有机污染，说明可能受到市政污水排放的影响。因子3方差贡献率为12%，DO具有较强正载荷，河流中DO含量受多种因素影响，如温度、微生物种群数量、水体中物理化学反应过程等。由于温度升高会促进水生生物的生长繁殖而消耗大量的DO，而在低温条件下水中的氧气溶解度增大，并且水生生物活动受到抑制[28]，因此，因子3可以视为水质的自然变化过程。因子4方差贡献率为11%，对VP具有明显的正载荷，CON具有中度正载荷，可能与当地化工企业塑料生产加工厂废水的排放有关。因子5方差贡献率为10.9%，COD具有显著的正载荷，反映出工业废水中有机物污染严重。

李凤桃监测断面的水质因子分析结果见图5，共提取了5个主要因子(累计方差占比为81.9%>80%)。因子1方差贡献率为24.9%，BOD、COD、CODMn具有很强的正载荷，说明水质受到生活污水排放的较大影响。该监测断面临近聊城市莘县县城，人口较密集，人类活动频繁，因此产生大量的生活污水排放至徒骇河上游。因子2方差贡献率为19%，NH4-N、TP具有强正载荷，反映了农业活动和生活污水的面源污染物，这些污染物在上游莘县区域内排入到河流。因子3方差贡献率为14%，CON、VP具有较强的正载荷，代表化工企业废水的点源污染。因子4方差贡献率为13%，F具有较强的正载荷，pH呈现较明显的负载荷，可以认为是河流中自然发生的物理化学变化。因子5方差贡献率为11%，FC具有较强的正载荷，可能与生活污水点源排放有关。

仲子庙监测断面的水质因子分析结果见图6，共提取了5个主要因子(累计方差占比为84.9%>80%)。因子1方差贡献率为33.3%，BOD、COD、CODMn具有强的正载荷，CON具有中度正载荷，pH具有强的负载荷，反映了生活污水引起的有机物污染。该监测断面临近莘县古城镇，人类活动频繁，生活污水产排量较大，而且金堤河作为界河，水质也可能受到上游河南省濮阳市的影响。因子2方差贡献率为18.4%，pH、F具有中度正载荷，TP具有强的负载荷，反映了营养盐元素的污染。因子3方差贡献率为12.2%，DO具有很强的正载荷，体现了自然要素变化对水质的影响。因子4方差贡献率为11%，FC呈现较强的负载荷，为大量生活污水带来的污染。因子5方差贡献率为10%，VP具有较强的正载荷，可能与周边较多的化工企业污水排放有关。

王堤口监测断面的水质因子分析结果见图7，共提取了5个主要因子(累计方差占比为81.5%>80%)。因子1方差贡献率为29.9%，BOD、COD、CODMn具有很强的正载荷，CON具有中度正载荷。因子2方差贡献率为16.3%，NH4-N、F具有强的正载荷，FC呈现较明显的负载荷。因子3方差贡献率为13.6%，TP具有很强的正载荷，pH呈现较明显的负载荷。因子4方差贡献率12.2%，VP具有较强的正载荷。因子5方差贡献率为9.5%，DO具有较强的正载荷。该监测断面位于李凤桃监测断面的下游，距离较近，因此因子分析结果呈现出较强相似性，说明2个监测断面水质受到莘县人类活动的影响较大。

综合4个监测断面污染源分析，任堂桥监测断面的主要污染因素是氮、磷等营养元素污染，李凤桃、仲子庙、王堤口3个监测断面的污染主要来自于有机物污染，与聚类分析得到的4个监测断面的分组结果一致。主成分分析与因子分析结果表明，与自然因素相关载荷相比，与人类活动有关的载荷能够解释更多的水质变化特征，说明人类活动产生的污染物对聊城市水质具有重要影响。莘县的畜禽养殖业与农业较发达，同时快速工业化发展引入大量化工企业，导致水质相对较差。

3 结论

基于2016—2018年聊城市16个主要监测断面的水质监测数据，采用基于层次分析的WQI法对河流水质进行评价，然后对监测断面进行空间聚类分析，最后采用主成分分析及因子分析，对断面水质主要影响因素进行分析，得到主要结论如下：

1)4条主要河流中，卫运河水质整体状况最好，且水质较稳定；金堤河和马颊河从上游到下游沿程水质状况变化较大，水质较不稳定；徒骇河沿程水质较稳定。从监测断面看，仲子庙、任堂桥、李凤桃、王堤口4个监测断面的WQI平均值相对较小，水质相对较差。

2)空间聚类分析结果表明，16个监测断面可以分为5组，其中水质相对较差的李凤桃、王堤口、仲子庙和任堂桥4个监测断面主要集中于聊城市西南部，具有一定的空间聚集性。

3)主成分分析及因子分析结果表明，4个监测断面都可以提取5个因子。马颊河任堂桥监测断面的主要污染物是氮、磷等营养元素，农业活动和畜禽养殖对水质影响较大；金堤河仲子庙监测断面的主要污染是有机污染，水质受到市政污水点源排放的影响；徒骇河李凤桃、王堤口监测断面位置接近，主要是有机物污染，来自生活污水与工业废水的排放。

本文中的研究结论对于厘清聊城市主要河流水质时空演变规律与污染成因，为水污染控制与水资源管理提供决策参考，对促进聊城市水资源可持续发展具有科学价值和现实意义。