流溪河流域水质综合评价与变化特征分析

流溪河流域水质综合评价与变化特征分析

何文祥1林淮1王赛2杨宇1

1.广州市环境监测中心站广州510030；

2.暨南大学生命科学技术学院水生生物研究中心广州510632

摘要：通过单因子评价法、综合污染指数法和WQI水质类别评价法对流溪河流域的水质状况进行综合评价，运用聚类分析法分析流溪河流域水质的空间分布特征，采用因子分析法定性识别流域水质污染的主要污染源。结果表明，流溪河流域水质整体处于中度污染水平，水质状况有明显的空间分布特征，从上游到下游水质污染逐渐加重，流域水质污染的主要能源为农业面源污染和城镇生活污水污染。

关键词：水质评价；聚类分析；因子分析；流溪河流域

流域水质状况和健康程度对城市环境和饮用水安全具有十分重要的战略意义，是环境部门的重点关注问题。近年来，随着各地城市化进程的快速发展，很多流域的水环境状况都面临了十分沉重的压力，长江流域、湟水流域、东辽河流域等不少流域均出现水质污染加重的现象[1-3]，流域水生态环境状况发生了显著的变化。流溪河流域是广州市的重要饮用水源保护区域，近年来流域水质遭受到不少污染，识别和掌握流域的水质污染的时空变化状况和其主要污染源十分重要。

目前国内外河流综合水质评价，典型的水质评价方法主要有单因子评价法和综合污染指数法[4]，此外，还有模糊评价法、水质标识指数法、WQI水质类别法等[5，6]。而对于流域水质时空变化特征研究，主流技术为多元统计分析方法[1-3，7]，如通过聚类分析研究流域水质的时空演变特征，通过因子分析/主成分分析对流域污染源进行定性识别，通过多元线性回归分析研究不同水质指标的贡献率等。本文采用单因子评价法、综合污染指数法和WQI水质指数对流域水质状况进行综合评价，并结合聚类分析法和因子分析法分析流溪河流域水质时空变化特征和主要污染源。

1研究区域与方法

1.1研究区域概况

流溪河位于珠江三角洲中北部，是广洲市目前唯一的全流域位于广州市行政区范围内的河流。流溪河发源于从化区桂峰山，流经从化区、花都区和白云区，全长171km，流域总面积2300km2，是广州的重要的水源地。地形东北高，西南低，属亚热带季风气候，全年降雨多集中在4~9月[8]。

1.2样品采集与分析

本研究根据流溪河流域的水文特征[8]，从东北至西南依次均匀布设15个点位，其中干流断面7个、支流断面7个、水库断面1个，如图1所示。研究采样时间为2016年4月（平水期）、7月（丰水期）和12月（枯水期）。参照《地表水和污水监测技术规范》）（HJ/T91-2002）和《水质河流采样技术指导》（HJ/T52-1999）进行水样采集。水质监测项目包括水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、铜、锌、汞、镉、六价铬、铅、挥发酚、石油类、硫化物，共16项。

图1流溪河流域水质监测断面

1.3水质指数分析

1.3.1单因子评价

单因子评价法[6]即根据评价时段内该断面参评指标中所属水质类别最高的一项来确定断面的水质类别。流域整体水质评价基于单因子评价法，采用统计断面水质类别比例的方法进行评价，即根据评价河流中各水质类别的断面数占流域所有评价断面总数的百分比来评价其水质状况。

1.3.2综合污染指数

综合污染指数及断面污染负荷比的计算公式如下：

式中，WQCPI—综合污染指数；Kj—评价断面j的污染负荷比；Ii—污染物i的污染指数；Ci—污染物i的浓度；Si—污染物i的评价标准；n—参与评价污染物项数；m—参与评价的断面数。水质监测断面综合污染指数评价标准采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）III类标准限值评价。分级标准如表1所示。

表1水质污染程度等级

1.3.3WQI水质指数

WQI水质指数为内梅罗指数的改进方法[6]，可反映水质受不同污染物的影响，其计算公式如下：

式中，WQI为水质指数；NI为水质综合指数；Ci为第i个水质指标的浓度检测值；CS5为第i个水质指标V类标准限值。本研究中，以氨氮、总磷、化学需氧量3项指标作为河涌水质评价及WQI指数计算指标。

1.4多元统计分析

1.4.1聚类分析

系统聚类分析是一种应用十分广泛的聚类分析方法。其方法是按照变量的相似程度，将变量逐一归类，直到所有变量聚集为一类。在流域水质评价中常按照监测时间和断面进行时空变化特征分析[2]。

1.4.2因子分析

因子分析是指从多个复杂变量中提取少数几个不可观测的共性因子来概括多为变量信。其方法是根据变量间的相关性进行分组，从变量组内提取少数潜在因子来概括性反映该组的主要基本信息。常用于分析流域的主要污染物[2]。

1.5数据来源和处理

本研究数据由广州市环境监测中心站提供，数据分析采用Excel2016、SPSS17.0等软件进行处理。在进行因子分析和聚类分析前，都对数据进行了标准化处理。

2结果与分析

2.1水质状况评价

2.1.1单因子评价

根据单因子评价法对各断面的水质状况进行分析，结果显示，S0、S1、S2、S4和S7属处于I~II类水质水平，占比为33.3%；S3、S5、S8、S11处于III类水质水平，占比为26.7%；S6、S9和S10处于IV类水质水平，占比为20.0%；S12、S13和S14处于劣V类水质水平，占比为20.0%；流域总体处于中度污染水平。其中，干流总体处于中度污染水平，支流区域整体处于轻度污染水平。

以III类水质标准为基准对各项指标的超标情况进行分析（图2），2016年流溪河流域总体的主要污染物为总磷、氨氮、石油类，超标率分别为33.3%、26.7%和20.0%，溶解氧、挥发酚、五日生化需氧量、高锰酸盐指数也出现不同程度的超标现象，超标现象主要出现在中下游河段。

图22016年流溪河流域主要污染指标及断面超标率情况

2.1.2综合污染指数

根据综合指数法对各断面进行综合污染指数评价分析，结果显示（图3），流溪河流域从上游到下游，平均综合污染指数逐渐升高，即水质状况呈逐步下降趋势。干流中上游河段水质污染程度总体处于清洁至尚清洁水平，年均综合污染指数在0.134~0.241之间。支流中上游河段水质污染程度总体处于清洁至轻污染水平，年均综合污染指数在0.121~0.375之间，总体稍差于干流中上游河段。

图32016年流溪河流域综合污染指数状况

各断面平水期、丰水期和枯水期之间并无显著统一规律，S4、S6、S7、S8、S10断面从平水期到枯水期综合污染指数逐渐下降，水质状况有所改善；S11和S13丰水期和枯水期综合污染指数显著低于平水期，水质状况改善明显；S14和S12断面从平水期到枯水期，综合污染指数呈逐渐上升趋势，水质污染情况有所加剧；其余断面全年综合污染指数均较低，无显著变化。

2.1.3WQI水质指数

对水库及干流断面进行WQI水质类别分析，结果显示（图4），从上游到下游，WQI水质指数逐渐变高，中上游S0至S7段为I~II类水质，WQI水质指数在10~19之间；中游S8至S11段为III类水质，WQI水质指数在30~37之间；下游S12至S14段为劣V类水质，WQI水质指数在100~102之间。WQI指数评价结果与单因子评价法和综合指数法分析结果总体情况一致。各断面平水期、丰水期和枯水期的水质类别无显著差异。

图42016年流溪河流域WQI水质指数状况

2.2多元统计分析

2.2.1聚类分析

对水质监测结果进行方差分析，结果显示不同时间流域水质状况并无显著差异，因此只对流域的空间状况进行聚类分析。从空间聚类分析结果来看，流溪河流域在空间上可分为5组（图5）。第1组为S13断面，污染最为严重，为流域下游支流断面，受周边城市生活污水和工业废水排放影响严重；第2组为S12和S14断面，属于流域下游干流断面，水质为重污染；第3组为S8、S11和S3，为流域中上游干流断面，水质总体为尚清洁水平；第4组为S6、S9、S10和S5断面，属于流域中游支流，水质存在轻度污染；第5组为S0、S1、S2、S4和S7断面，为流域上游断面，水质状况良好。

空间聚类结果表明，流溪河流域水质状况具有明显的空间分布特征，流域上游水质优良，受工业污染影响极小；中游断面受到一定的城镇生活及工业企业影响；下游断面受城镇污水、和工业废水影响较大，污染严重。

图5流溪河流域空间聚类结果

2.2.2因子分析

在因子分析前，通过SPSS18.0进行KMO和Bartlett球形检验，检验结果显示适合因子分析。按照特征值大于1的要求，在因子分析中提取5个公因子，分别为F1、F2、F3、F4和F5（表2）。本研究采用方差最大法对载荷矩阵实施正交旋转进行分析处理。5个公因子的累积贡献率为71.659%，其中F1的贡献率最大，为28.393，F5的贡献率最小，为7.500%。

表2因子分析旋转因子载荷矩阵

3.讨论

3.1水质时空变化原因分析

流溪河流域存在着明显的空间变化特征，总体表现为从上游水质较好，从中游开始水质污染逐渐严重，到下游江村、人和段水质出现严重污染。造成这种空间差异性的原因有很多，其中，流域土地利用类型对流域水质状况有着极大的影响[9]。上游的流溪河水库和附近河段作为广州市的重要饮用水源保护区，主要以林地、园地为主要用地类型，工农业污染和城镇生活污染一直得到较好地控制，因此水质处于优良水平。中下游河段城镇化进程快速升高，居住用地所占比例较大，工农业也得到较大的发展，各类农业灌溉污水、工业污染废水、生活污染废水和畜禽养殖废水不断增加，给流溪河带来了极大的点源和面源污染。尤其是下游白云区区域，存在较多的重金属行业、纺织业、化妆品行业、皮革业等污染企业，导致水体氨氮、石油类等指标含量较高。

对比流域干流和支流断面水质状况差异，上游河段，支流断面水质总体优于干流断面；中下游河段，支流水质状况均劣于其汇入的干流断面水质，可能是由于本次研究的大部分支流断面周边居民点和污染企业较多，支流环境容量较小，污染状况相对变现较为严重。此外，上游干流水质较好的河水的汇入也导致中下游干流水质相对优于同区域支流。

3.2污染源分析

提取的5个公因子中，F1的贡献率最大，为28.393%，其中高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、铜所占的因子载荷最大，与F1呈强度正相关，锌、溶解氧和总磷与F1呈中度相关。从高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮3个水质指标的因子载荷上分析，F1可以部分识别为农业面源和城镇生活污染。研究表明[10]，在流溪河流域的各类污染源中，农业面源污染占了78%，生活污水占了17%。

F2的贡献率为13.800%，与总汞和挥发酚呈强正相关，与镉呈中度相关，说明流域内存在一定的工业污染。F3的贡献率为13.642%，与石油类呈强正相关，与六价铬、水温、pH为中度相关，可来源于船运、石油化工等点源污染。F4的贡献率为8.325%，与硫化物和铅呈强正相关，可能来源于煤炭和金属加工企业。F5的贡献率为7.500%，与铅呈强正相关，可能来源于冶炼等行业的点源污染。

4结论

（1）流溪河流域水质整体处于中度污染水平，其中，干流断面整体处于中度污染水平，支流断面整体处于轻度污染水平。

（2）流溪河流域水质状况具有显著的空间分布特征。上游河段水质优良，处于清洁到尚清洁水平。沿河段从上游到下游，水质污染程度逐渐加重。下游河段水质变为劣V类，综合污染指数评价为重度污染。

（3）流溪河流域的主要污染物为氨氮、总磷和石油类。水质污染来源包括农业面源污染、城市生活污水污染、金属加工及石油化工等工业污染。最主要污染来源为农业面源污染和城市生活污水污染。

参考文献：

[1].李艳红等，基于聚类分析和因子分析的鄱阳湖流域水质时空变化特征及污染源分析.南昌大学学报（理科版），2016.40（4）：第360-365页.

[2].邱瑀等，湟水河流域水质时空变化特征及其污染源解析.农业环境科学学报，2017.36（12）：第封2-封3页.

[3].李迪，卢文喜与张竞予，基于因子分析法的东辽河流域地表水水质评价.数码设计（下），2017.6（2）：第221-223页.

[4].胡成与苏丹，综合水质标识指数法在浑河水质评价中的应用.生态环境学报，2011.20（1）：第186-192页.

[5].曲直等，改进综合水质标识指数法在长春河流水质评价中的应用，2012.第9436-9438页.

[6].杨宇等，广州市重点整治河涌水质指数WQI的研究思路与应用.广东化工，2017.44（351）：第171-172页.

[7].徐华山等，漳卫南运河流域水质时空变化特征及其污染源识别.2012.33（2）：第359-369页.

[8].刘帅磊等，亚热带城市河流底栖动物完整性评价——以流溪河为例.生态学报，2018.38（1）：第342-357页.

[9].吉冬青等，流溪河流域景观空间特征与河流水质的关联分析.生态学报，2015.35（2）：第246-253页.

[10].黄霞与赵璐，广州市流溪河流域水环境状况初步调查与保护措施研究.广州环境科学，2017.32（1）.