开都河水质时空分布特征研究_李茹霞.pdf

第4 5卷 第3期2 0 2 3年 6月海 洋 湖 沼 通 报T r a n s a c t i o n s o f O c e a n o l o g y a n d L i m n o l o g yV o l.4 5 3J u n.,2 0 2 3开都河水质时空分布特征研究李茹霞1,迪丽努尔阿吉1,2*,赛米热托合提1,王晓兰1,张 敏1(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 4;2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室,新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 4)摘 要:为探索开都河水质时空分布特征,运用主成分分析法对2 0 2 1年6月和1 0月开都河水体中水温、浊度、p H值、E C、D O、NH3-N、T P、T N等水质指标进行研究,识别主导水质变化的环境因子。结果显示:开都河水质时空分布具有明显的差异性,水质整体较好,大部分采样点水质指标均处在类水标准,部分采样点TN、NH3-N、T P指标达到类水标准;TN、水温和NH3-N是研究区水质变化的主导因子,三个环境因子之间存在显著的正相关;空间上开都河水质污染程度为下游上游中游;季节上水质污染程度为夏季秋季,夏季水质变化主导因子为水温、NH3-N、T N和T P,秋季水质变化主导因子为p H值与E C。关键词:开都河;水质;主成分分析;污染因子;时空分布中图分类号:X 5 2 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 3-1 1 6-0 8D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 3.0 1 6引 言河流水质是流域的重要特征之一,可以反映自然因素和人类活动对所经区域的综合作用1-2。在内陆干旱地区,河流水质一方面受气候、地貌、土壤类型等自然因素的影响,另一方面受居民生活污水、工业废水以及农业退水等人类活动的影响。随着社会经济的发展,人类活动日益增强,使得干旱区河流水质状况面临巨大压力3-4。开都河两岸人口密集,土地肥沃,水能资源丰富,作为新疆重要的农业灌溉、发电、生态环境建设以及地下水补给的主要水源,在社会经济发展中具有十分重要的地位5。近年来,由于城镇化和工业化进程不断加快,开都河流域出现水污染现象,开都河水质也逐渐恶化,生态环境遭到破坏6-7。2 0 1 8年提出 开都河流域生态环境保护条例,使流域水质污染逐步得到控制8,但开都河流域的水环境问题仍然严重。目前,国内外学者大多运用主成分分析法(P C A)对河流水质变化特征进行研究,国外学者利用主成分分析法,对越南N h u e河、巴西D o c e河、韩国N a k d o n g河等河流水质进行分析与评价9-1 1;国内学者,邢洁、李森、刘贤梅、孙桂燕等1 2-1 5采用P C A提取影响河流水质变化的主导环境因子,分析河流水质的时空变化特征。杨浩、王昱、朱琳、张馨月等1 6-1 9则通过主成分分析法识别河流污染物来源,并对环境因子载荷系数进行剖析评判。而上述研究中将因子载荷系数与样点得分结合起来对水质时空分布特征进行研究的并不多。本文用主成分分析法分析开都河水质时空分布特征,辨别主导河流水质变化的环境因子,揭示水质时空分布差异性,并对构成时空差异的原因进行探讨,以期为开都河的水环境管理提供科学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况开都河位于新疆天山南麓焉耆盆地北缘(8 2 5 8 8 6 5 5 E,4 1 4 7 4 3 2 1 N),是塔里木河流域的主 基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 6 6 1 0 0 7、4 1 2 6 1 0 0 3)第一作者简介:李茹霞(1 9 9 7),女,硕士研究生,从事自然资源开发与规划研究。E-m a i l:8 2 5 2 6 7 2 8 9q q.c o m*通信作者:迪丽努尔阿吉(1 9 6 8),女,博士,教授,从事干旱区生态水文研究。E-m a i l:2 5 4 8 2 9 0 2 8 1q q.c o m 收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 93期开都河水质时空分布特征研究1 1 7 要源流之一,沿岸土地肥沃、人口稠密,流经巴音郭楞蒙古自治州和静、焉耆、博湖三县,最终流入全国最大的内陆淡水湖博斯腾湖。流域内地势西北高,东南低,属大陆性温带干旱气候,年径流量3 8.7 81 08 k m3,年平均气温88.6。流域面积2 2 0 0 0 k m2,全长5 6 0 k m,海拔高度介于在8 7 15 0 0 0 m之间,北部为天山高寒区,中部为低山丘陵、冲积扇戈壁区,南部为戈壁平原区。1.2 数据来源为了更好反映水质的季节变化,于2 0 2 1年6月和1 0月对开都河进行水质调查,在上游(S 1 5S 1 1)、中游(S 1 0S 9)、下游(S 8S 1)共布设1 5个水质采样点(图1),选取8个水质指标进行分析,在采样点水面下0.5 m处进行采样,为减小实验误差,每个采样点均平行测定3次,p H值、水温和E C采用台湾产便携式水质检测仪(A Z 8 3 0 1、A Z 8 3 0 6)现场测定,其余指标用聚乙烯塑料瓶采集5 0 0 m L水样,置于4 冷藏2 0,4 8小时内运回实验室测定,水质指标按照 水和废水监测分析方法 测定、水质等级按 地表水环境质量标准(G B 3 8 3 8-2 0 0 2)评价。D O、NH3-N、T P、T N、浊度分别采用碘量法测定(G B 7 4 8 9-8 7)、纳氏试剂比色法(G B 7 4 7 9-8 7)、钼酸氨分光光度法(G B 1 1 8 9 3-8 9)、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(G B 1 1 8 9 4-8 9)、福尔马肼散射法(G B/T 5 7 5 0.4-2 0 0 6)测定。文中,农业生产氮、磷肥使用量以及工业和生活污染排放量数据来自 巴音郭勒统计年鉴2 0 1 9。图1 开都河采样点分布示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e d i s t r i b u t i o n o f s a m p l i n g p o i n t s i n t h e K a i d u r i v e r1.3 研究方法主成分分析(P C A)也称主分量分析,旨在利用降维思想将多个变量转化为少数几个变量,且这些综合变量能够反映原变量提供的大部分信息2 1-2 4。本文运用主成分分析方法提取引起河流水质变化的主导环境因子,把多个水质指标转化为少数几个综合指标,基于主成分综合得分分析河流水质时空差异1 8。1)将原始数据标准化处理,以消除量纲的影响假定进行主成分分析的指标变量有m个:x1,x2,xm,共有n个评价目标,第i个评价目标的第j个指标的取值为xi j,将xi j转换成标准化指标x?i j,x?i j=xi j-?xjsj,(i=1,2,n;j=1,2,m)(1)式中,?xj=1nni=1xi j,sj=1n-1ni=1xi j-?xj()2,(j=1,2,m),即?xj、sj为第j个指标的均值和标准差。对应地,称x?i=xi-?xisi,(i=1,2,m)为标准化指标变量。2)建立变量之间的相关系数矩阵R相关系数矩阵R=ri j()mmri j=nk=1x?k ix?k jn-1(i,j=1,2,m)(2)式中,ri j=1,ri j=rji,ri j为第i个指标和第j个指标的相关系数。3)计算相关系数矩阵R的特征值和特征向量计算相关系数矩阵R的特征值12m0,及对应的特征向量u1,u2,um,其中uj=(u1j,u2j,un j)T,由特征向量构成m个新的指标变量。1 1 8 海 洋 湖 沼 通 报2 0 2 3 年F1=u1 1x?1+u2 1x?2+un1x?nF2=u1 2x?1+u2 2x?2+un2x?nFm=u1mx?1+u2mx?2+un mx?n|(3)式中,F1是第1主成分,F2是第2主成分,Fm是第m主成分。4)计算主成分综合得分计算特征值j(j=1,2,m)的信息贡献率以及累积贡献率bj=jmk=1k(4)p=pk=1kmk=1k(5)式中,bj为信息贡献率,p为累积贡献率。计算综合得分F=pj=1bjFj(6)式中,bj为第j个主成分的信息贡献率。2 结果与分析2.1 水质特征为了更好地揭示研究区水质状况,对采样点环境因子的平均值和标准差进行分析,结果显示(图2):研究区p H值的平均值均在7.0 2 57.9 2之间;D O平均值均大于6 m g/L;S 1S 1 4采样点E C平均值小于5 0 0 S/c m,而S 1 5采样点E C平均值为5 2 6 S/c m,达到研究区E C最大值;S 2、S 3、S 4和S 5采样点T N浓度平均值超过0.5 m g/L;S 1、S 3、S 4、S 5、S 6和S 7采样点NH3-N浓度平均值超过0.5 m g/L;S 4、S 8、S 9和S 1 4采样点T P浓度平均值未超过0.0 2 5 m g/L,其余的采样点均超过;S 9采样点E C浓度月间差异明显,S 7采样点NH3-N浓度月间差异明显,S 2、S 6采样点T P浓度月间差异明显,S 5采样点的T N、NH3-N和T P浓度月间差异明显。研究区大部分采样点的水质指标均在类水标准,部分采样点的T N、NH3-N、T P指标达到类水质标准,无超过类水质标准的采样点。河流水质呈弱碱性,D O普遍较高,河流水体E C除采样点S 1 5外均在1 0 05 0 0 S/c m之间,属天然淡水体,表明S 1 5水体盐度较高;采样点S 2、S 3、S 4和S 5的T N浓度,采样点S 1、S 3、S 4、S 5、S 6和S 7的NH3-N浓度达到I I I类标准;除S 4、S 8、S 9和S 1 4采样点外,其他采样点总磷浓度均达到类标准。2.2 污染因子确定在S P S S软件中对1 5个采样点的原始水质数据进行KMO和巴莱特球形检验,KMO统计量为0.6 8 5(0.6),B a r t l e t t球形检验为0(1的原则,提取引起水质变化的3个主成分,累计方差贡献率为7 5.0 3 7%,表明三个主成分反映了原始变量提供的7 5.0 3 7%,可以充分反映原始数据的信息(表1)。旋转后成分矩阵显示(表2),三个主成分中第一主成分P C 1的方差贡献率最大,达到4 2.5 4 3%,其中主要显著相关的环境因子为水温、NH3-N、T N。水温反映年内的气象变化对河流水质有一定程度的影3期开都河水质时空分布特征研究1 1 9 图2 E C(a)、T N(b)、NH3-N(c)、T P(d)空间分布情况F i g.2 S p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f E C(a),TN(b),NH3-N(c)a n d T P(d)表1 KMO和巴特利特检验T a b l e 1 KMO a n d B a r t l e t t t e s tKMO取样足够度的度量B a r t l e t t球形度检验近似卡方自由度显著性0.6 8 58 4.8 2 82 80响,NH3-N与T N浓度高会导致水体中营养型污染物浓度较高,同时NH3-N也是河流水体的毒性指标、耗氧指标,反映农业退水、养殖和工业废水对河流水质有一定影响,NH3-N和T N表明人类活动造成的营养物污染和有机污染物主导着研究区域河流 水质变 化,水 温、NH3-N和T N与P C 1呈显著正相关,变化特征明显;第二主成分P C 2的方差贡献率为1 8.6 5 4%,显著相关的主要环境因子为T P和E C,表明T P和E C主导区域水质变化,T P与P C 2呈显著正相关,反映人类活动造成的营养盐对河流水质有一定程度的影响,而E C与P C 2呈显著负相关;第三主成分P C 3的方差贡献率为1 3.8 7 6%,显著相关的主要环境因子为浊度和p H值,