万　蕾，张曼玉，陆　晟

(徐州工程学院，江苏 徐州　221018)



基于多元统计分析的奎河(徐州段)水质污染现状

万蕾，张曼玉，陆晟

(徐州工程学院，江苏 徐州221018)

摘要：奎河是徐州境内一条重要的河流.因近年生活污水、工业废水的随意排放，奎河水体的污染问题愈发严重.文章分析了奎河(徐州段)7个监测断面的水质基本情况，并采用聚类分析和主成分分析对监测断面和水质指标进行了统计分析.结果表明：1)七个监测断面的浊度值的变化范围1.05到1.99 NTU，pH值的变化范围为7.23~7.83，溶解氧的变化范围在0.48~2.98 mg/L；2)DO、TP和硝酸盐氮含量较高，7个断面总体属于V类~劣V类水；3)聚类分析表明7个断面可以分为城区-城乡结合部以及农村段两大类；4)主成分分析表明，奎河富营养化问题严重，磷是首要污染因子，有机物和氮污染也较为严重.

关键词：奎河；水质；污染；多元分析

奎河开挖于明朝，是一条人工开凿的泄洪河道，距今已有400多年的历史.奎河全长76 km，徐州市境内长25.75 km，流域总面积达1231 km2.它发源于云龙湖，流过奎山，贯穿铜山县和三堡镇，在黄桥进入安徽，然后汇入淮河.奎河原本是一条十分清澈的小河，自从云龙湖被辟为风景游览区，便切断了云龙湖与下游河流的联系，奎河便成了无源之水.徐州市区黄河故道以北的许多工厂，像造纸、污水处理厂等污染较重的企业，徐州有关方面铺设起了地下管道，从故黄河的下面穿过，调头朝南，也全都被引入奎河.这样，奎河就已经不是实际意义上的河流，而成了徐州市地地道道的一条总的下水道.近年来，对奎河的整顿一直不断，但因仍有污水的不断排入，效果微弱，总体达不到地表水Ⅴ类水质要求[1-2].本文采用多元统计方法对奎河(徐州段)的水质状况进行分析，以期掌握奎河的污染现状和污染规律，为奎河水质改善和环境保护措施的制定提供参考.

关于多元统计的方法用于水质分析，前人已经有所研究和应用.例如，富天乙等[3]通过层次聚类分析将辽阳太子河2009年至2012年3个断面的144个样本点分为11组，以各组的样本均值为基础，采用水质标识指数方法得到各组的水质评价结果.范良千等[4]以主成分分析探讨主要污染来源；以聚类分析划分监测点类别并识别其空间相似性，结果显示梅梁湾水质主要受农业非点源、外源输入的有机悬浮物等5方面影响，9个监测点位划归为4类.刘海平等[5]根据Pearson相关性矩阵，将尼洋河26项理化指标分为3大类；析因分析显示，可将26项理化指标分为4 大类；主成分分析发现，平水期、丰水期以及枯水期水环境特征明显不同，以上3期各自聚为一类.多元统计分析可以较好的识别水质数据的时空特征，识别监测样本的内在差异性和相似性，结果客观可信.

1材料与方法

1.1监测方案

为了全面了解奎河的水质污染状况，2015年4月设定了奎河的源头即云龙湖、积水坝、十里闸、黄河路桥、珠江路(奎河铜山段)、杨山头闸及黄桥断面7个采样点，每个采样点采3组平行样，取其平均值进行分析.监测了水的pH值、溶解氧、浊度、有机物、总磷、硝酸盐氮6个指标.

1.2水质指标分析方法

水质指标的测定按照《水和废水监测分析方法(第四版)》进行[6].pH值、浊度和DO的测定采用便携式仪器现场测定.

水中总磷(TP)的测定采用钼锑抗分光光度法，取25 mL样品于比色管中，加4 mL过硫酸钾溶液，密封，高压消解30 min，加入抗坏血酸和钼酸盐溶液，于700 nm波长下进行比色.

水中有机质(COD)含量通过重铬酸钾氧化滴定法测定，取20.00 mL混合均匀的水样置于250 mL磨口的回流锥形瓶中，加入0.4 g硫酸汞，摇动使溶解，准确加入10.00 mL重铬酸钾标准溶液及数粒小玻璃珠或沸石，连接磨口回流冷凝管，从冷凝管上口慢慢加入30 mL硫酸-硫酸银溶液，加热回流2 h.溶液冷却后，滴入指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，记录用量.

硝酸盐氮的测定方法为酚二磺酸分光光度法，取50 mL水样于蒸发皿中，蒸干后加入酚二磺酸试剂，充分研磨，加入氨水，转移到比色管中，于410 nm下进行比色.

1.3统计方法

1.3.1聚类分析

聚类分析(cluster analysis)是一组将研究对象分为相对同质的群组(clusters)的统计分析技术.它依据所研究的样品或变量之间存在不同程度的相似性，以一些能够度量样品或指标之间相似程度的统计量作为划分类型的依据，把一些相似程度较高的样品(或指标)聚合为一类，其余一些彼此之间相似程度较大的样品(或指标)又聚合为另一类，直到把所有的样品(或指标)聚合完毕.通常根据研究对象的不同，将其分为Q型聚类分析和R型聚类分析，其中Q型聚类分析是对样本进行分类处理，R型聚类分析则对变量进行分类处理.本文利用SPSS(19.0)统计分析软件，选用离差平方和算法和欧式距离，对研究区共7个监测点位进行Q型聚类分析.聚类分析结果最终用聚类树状图直观地表现出来[7].

1.3.2主成分分析

主成分分析(principal component analysis，PCA)，将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法.近年来，主成分分析被广泛的应用在分析水环境污染特征、水环境管理等方面.主成分分析计算步骤：1)对监测数据矩阵X进行数据标准化处理；2)计算出标准化数据的相关系数矩阵，并求出其特征根；3)根据累积方差贡献率或特征值大于1原则确定主成分个数；4)对主成分进行分析解释[8].

2结果与讨论

2.1奎河水质污染基本情况

奎河水质污染基本情况如表1所示.

表1　奎河监测断面水质基本情况

从表1中可以看出，7个监测断面的浊度值的变化范围1.05~1.99 NTU，积水坝的浊度值最小，为1.05 NTU.黄河桥路断面的浊度值也较小，为1.11 NTU，黄河桥监测断面处的奎河河道宽，且水流流速要大于其他监测点.其他5个监测断面的浊度值都处于较高水平.由于条件的限制，云龙湖断面的采样点位于湖岸不远处，这可能会与云龙湖水质的真实情况有所出入.7个监测断面的pH值的变化范围为7.23~7.83，云龙湖断面的pH值最大，为7.83，水呈弱碱性水，云龙湖断面采样点为第一采样点，采样时间在上午9点左右.pH值受很多因素的影响，温度、时间、水中溶解的CO2、水中的酸性或碱性的溶解性物质等，如温度升高，水中的溶解度会下降，CO2会以其体型是释放到大气中，这样会导致水体的pH值明显的增大.黄河桥的pH值最小，其他五个监测点的pH值处在差不多的水平上.水体溶解氧的变化范围在0.48~2.98 mg/L，十里闸监测断面的DO最低，为0.48 mg/L，十里闸监测断面附近有一定量的生态浮床，种植大量的植物，主要有千屈菜和黄菖蒲.监测时间为上午九点半作用，植物才开始新一天的光合作用，夜间植物没有光合作用，仅有呼吸作用，加上水生动物、微生物等的呼吸作用，水总溶解氧会大幅度下降，这就是十里闸DO值较低的的原因，DO最高的是云龙湖，云龙湖水面开阔，与空气接触面大，所以DO值较高，又因为没有大面积水生植物生长，所以DO值最大.其他五个监测断面的溶解氧值在相似水平上.

从表1还可以看出，7个水样TP的变化范围在0.27~0.43 mg/L，参考地表水水水质标准可知，Ⅳ类水的限值为0.3 mg/L，所有监测断面仅黄河桥和珠江路为Ⅳ类水，云龙湖和黄桥监测断面超过V类水限值的0.4 mg/L，为劣V类水，其他四个监测断面水质均为V类水.7个监测断面的COD值中，黄桥监测面的COD值最高，为37.11 mg/L超过了地表水Ⅳ类水，为V类水.最低的是十里闸监测断面18.95 mg/L，属Ⅲ类水，这个值要低于其他监测断面的COD值，可能与十里闸附近水面种植了大量的浮床植物有关.其他监测断面的COD值在相似水平，为Ⅲ类水.黄桥监测断面的水样硝酸盐氮值处于最高水平，为1.17 mg/L，黄桥的污染较重，农村的卫生条件较差，生活垃圾多，生活污水大量排放，也是导致硝酸盐氮值过高的原因.黄河桥路的硝酸盐氮的含量也较高.积水坝的硝酸盐氮处于最低水平，为0.78 mg/L.其它断面的硝酸盐氮的含量水平较为接近.

徐州的云龙湖水质相对较好，云龙湖在2005年4月—5月期间，TP的质量浓度为0.035~0.061mg/L，DO浓度为6.86~8.17 mg/L，高锰酸盐指数6.8 mg/L左右[9].2009年8月到2010年3月期间，TP的质量浓度为0.088~0.136 mg/L，DO质量浓度为6.67~7.55 mg/L，高锰酸盐指数质量浓度为4.54~6.27 mg/L[10].可见，奎河水体DO含量低，TP和有机物污染严重.

2.2奎河水质的多元统计分析

2.2.1聚类分析

奎河7个点位聚类分析见图1.从图中可以看出，7个点位可以分为4组.其中1(云龙湖)和3(十里闸)可以分为一组，2(积水坝)和4(黄河桥路)为一组，5(珠江路桥)和7(黄桥断面)为一组，6(杨山头闸)单独分为一组.但总体来说，可以分为两大类，1(云龙湖)、2(积水坝)、3(十里闸)、4(黄河桥路)监测点为第一大类，5(珠江路桥)、6(杨山头闸)、7(黄桥断面)监测点为第二大类.第一大类的4个断面位于城区—城乡结合部，第二大类的3个断面位于农村.说明从珠江路以南河段主要受农业非点源污染的影响，而从云龙湖出口到黄河桥路河段受到点源和城市非点源及农业非点源污染的共同影响.

图1　监测点聚类分析图

2.2.2主成分分析

奎河7个监测点的水质指标的相关系数见表2.从表2中可以看出，pH值和DO及TP的相关系数较高，分别为0.572和0.602.浊度和TP的相关系数也较高，为0.544，说明降雨导致奎河浊度升高，同时TP浓度增加，非点源污染也是奎河流域的一大污染源.奎河水质主成分矩阵见表3.从表3中可以看出，前3个主成分累计反映了原始数据总信息量的81.03%，起到了既能精简数据又能较完整地保持信息量的作用，故抽取前3个因子作为分析对象.从因子载荷大小看，第一主成分方差贡献率为37.58%.与第一主成分相关系数较高的水质参数是TP和pH值.其中TP的因子荷载最高为0.864，说明奎河富营养化问题严重，磷是首要污染因子.第二主成分因子载荷占23.92%，与第二主成分相关系数较高的是COD、硝态氮和DO，可见水体有机质含量较高，有机物和氮污染也较为严重.第三主成分因子载荷占19.53%，与第三主成分相关系数较高的主要是浊度.

表2　水质指标相关系数矩阵

表3　奎河水质主成分矩阵

3结论

通过对奎河(徐州段)7个监测断面的水质监测，可以得出以下结论：

1)7个监测断面的浊度值的变化范围1.05~1.99 NTU，pH值的变化范围为7.23~7.83，溶解氧的变化范围在0.48~2.98 mg/L；COD、TP和硝酸盐氮含量较高，7个断面总体属于V类~劣V类水，水体DO含量低，TP和有机物污染严重.

2)聚类分析表明7个断面可以分为城区—城乡结合部以及农村段两大类，从珠江路以南河段主要受农业非点源污染的影响，而从云龙湖出口到黄河桥路河段受到点源和城市非点源及农业非点源污染的共同影响.

3)主成分分析表明，奎河富营养化问题严重，磷是首要污染因子，有机物和氮污染也较为严重.

参考文献：

[1] 魏灿,解恒参,朱亦仁.奎河水污染现状及对策[J].徐州师范大学学报(自然科学版)，2005,23(2):63-67.

[2] 李炬.略谈奎河的水环境保护与水资源利用[J].江苏环境科技,2001,14(3):28-30.

[3] 富天乙,邹志红,王晓静.基于多元统计和水质标识指数的辽阳太子河水质评价研究[J].环境科学学报,2014,34(2):473-480.

[4] 范良千,吴祖成,张清宇,等.多元统计方法用于太湖梅梁湾水质特征识别[J].浙江大学学报(理学版),2013,40(3):308-313.

[5] 刘海平,钟国辉,叶少文,等.西藏尼洋河水环境特征多元统计分析[J].湖泊科学,2015，27(6):1187-1196.

[6] 国家环保局.水和废水监测分析方法[M].4版,北京：中国环境科学出版社,2002.

[7] 沈杨,何江涛,王俊杰,等.基于多元统计方法的地下水水化学特征分析：以沈阳市李官堡傍河水源地为例[J].现代地质,2013,27(2):440-447.

[8] 范良千,吴祖成,张清宇,等.多元统计方法用于太湖梅梁湾水质特征识别[J].浙江大学学报(理学版),2013,40(3):308-313.

[9] 蒋滔,李多松,张凯.徐州市云龙湖水质的模糊数学综合评价[J].环境研究与监测,2007,20(3): 16-19.

[10] 吕顺,余莉琳,周猛,等.徐州市云龙湖水质监测与评价[J].徐州工程学院学报(自然科学版),2010,25(4):42-46.

(编辑崔思荣)

The Current Situation of Water Pollution of Kui River(Xuzhou Section) Based on Multivariate Statistical Analysis

WAN Lei,ZHANG Manyu,LU Sheng

(College of Environmental Engineering Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China)

Abstract:Kui River is an important river in Xuzhou. In recent years, the pollution of the river is more serious because of the free discharge of sewage and industrial wastewater.In this paper,the water quality of the 7 monitoring sections of the Kui River (Xuzhou section) was analyzed,and the statistical analysis was carried out using the cluster analysis and principal component analysis.The results showed that:(1)the turbidity value of seven monitoring sections changed from1.05 to 1.99NTU,pH 7.23~7.83, dissolved oxygen 0.48~2.98mg/L;(2)higher content of COD,TP and nitrate nitrogen,seven section overall belonged to class V~inferior V class of water;(3)clustering analysis showed that seven section could be divided for urban and rural combination section and rural section;(4)principal component analysis showed that eutrophication problem of Kui River was serious and the phosphorus was the main pollution factor, organic matter and nitrogen pollution was also serious.

Key words:Kui River; water quality; pollution; multivariate statistical analysis

中图分类号：X171

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2016)01-0053-05

作者简介：万蕾(1981-)，女，副教授，博士，主要从事水污染防治研究.

基金项目：住房和城乡建设部科学技术项目(2013-K7-14)

收稿日期：2016-01-03