杭州市钱塘江干支流水质多元统计分析

钱天鸣

杭州市环境监测中心站，浙江 杭州 310007

钱塘江是浙江省第一大河，流域面积约5.5万平方千米，有北、南2个源头，分别发源于安徽省休宁县和皖赣2省交界处，以新安江和兰江交汇于杭州建德市梅城。河水由西南向东北流动，经新安江、桐江、富春江和钱塘江，最终注入杭州湾［1］。钱塘江历来是杭州市的主要饮用水源地，市区80%的饮用水取自钱塘江，取水口均位于钱塘江下游河道。近年来，随着上游地区经济社会的快速发展，沿江两岸的工农业生产排污和城镇生活污水排放量日益增加，上游流域性外来污染已经给下游杭州市饮用水供水安全造成较大影响［2］。

多元统计分析方法作为水环境问题分析与识别的重要工具，在各种水体水质评价与分析中得到广泛应用［3-11］。该方法可以对大量复杂的水质监测指标进行分析，在确保原有数据信息量丢失最小的原则下，基于各个指标相关关系的研究，将多个指标的信息压缩为几个能反映问题特征的综合指标，并根据这些特征指标对水体水环境状况进行综合分析，从而避免了人为确定各指标权重的主观随意性。由于钱塘江上游来水以及干支流的水质状况存在一定的差异，不同河段水质的主导影响因子也有所不同，因此识别影响钱塘江水体水质的主要因子，确定各个影响因子的贡献率，对于客观评价其水环境质量现状具有十分重要的意义。按水质指标聚类分析将钱塘江上游来水以及干支流分为3组，针对这3组河段分别进行主成分分析，找出其主要影响因子，以期为控制钱塘江主要污染物指标、保护好饮用水源地提供科学依据。

1 实验部分

1.1 研究区域及采样点布设

为比较全面地分析钱塘江上游来水以及干支流水体的水质情况，根据钱塘江水系分布特点，由上游至下游，选取的干支流主要包括新安江、寿昌江、长宁溪、兰江、富春江、三都溪、胥溪、芦茨溪、清绪溪、分水江、渌渚江、壶源溪、笕蒲港、大源溪、浦阳江、钱塘江。2012年1—12月在上述干支流布设有代表性的断面进行水质采样监测，每月1次，研究区域内共设置26个监测断面。干支流水系及监测分布见图1。

图1 钱塘江干支流采样分布图

1.2 监测指标与分析方法

主要监测指标为pH、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂等20项，除pH、溶解氧用仪器现场测定外，其余水质指标均添加固定试剂后冷藏保存带回实验室检测，各监测指标的测定方法均采用国标方法［12］。

1.3 水质数据处理

采用系统聚类分析法分析水质空间变化特征，首先对原始数据进行标准化，消除量纲影响，再以欧氏距离度量样本间距离，运用离差平方和法生成具有层次结构的聚类树。应用因子分析法对聚类分析产生的每一组监测点的水质理化指标进行因子分析，采用主成分法提取公因子，分析影响水质的主导因子。统计软件为SPSS16.0。

2 结果与讨论

根据钱塘江干支流监测断面水质总体特征(表1)及《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，采用单因子评价方法(河流水质总氮指标未参评)得到研究期间钱塘江干支流监测断面水质类别以Ⅱ～Ⅲ类为主，所占比例达77%;支流兰江、三都溪和分水江的水质为Ⅳ类;支流浦阳江的水质为Ⅴ类;支流大源溪和笕浦港的水质为劣Ⅴ类。从监测指标的相对偏差来看，各监测指标值季节波动较小。

表1 钱塘江干支流水质总体特征

2.1 干支流聚类分析

根据钱塘江干支流的水质指标值，进行系统聚类分析，将监测断面分为3组。第1组包括铜官灯塔、源口、白沙、杨村桥镇、黄栗坪、乾潭、安仁、芦茨、青江口，主要分布在寿昌江、新安江、长宁溪、胥溪、清绪溪、芦茨溪和壶源溪上;第2组包括三都老桥头、富春江大坝、桐庐一桥、分水江大桥、窄溪大桥、董湾、中埠大桥、富阳、里山、老鼠尾巴、闻家堰、珊瑚沙、闸口，主要分布在三都溪、分水江、渌渚江、富春江和钱塘江干流上;第3组包括三河、笕浦港、大源、临浦老大桥，主要分布在支流兰江、大源溪、浦阳江和笕蒲港上。聚类谱系见图2。

2.2 干支流水质主导因子分析

根据聚类分析结果，采用主成分分析法对3组监测断面的水质主导因子进行分析，其中前2组水质指标提取 4 个主成分(F1、F2、F3、F4)，第3组水质指标提取2个主成分(F1、F2)，旋转因子载荷矩阵结果见表2。

图2 钱塘江干支流断面水环境因子聚类分析

表2 钱塘江干支流断面旋转因子载荷矩阵

表2显示，前2组4个主成分和第3组2个主成分累计贡献率均超过80%，基本包含20项水质指标信息。第1组F1的方差贡献率为27.87%，高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总氮所占因子载荷较大，与F1的相关系数绝对值都超过0.65，反映了监测断面所在河流水体以有机污染为主的特征，氮盐作为水生生物的主要营养来源在水体中保持较高的浓度，使得水生生物数量增加，五日生化需氧量也随之上升［13］。F2方差贡献率为21.80%，总磷所占因子载荷较大，也进一步反映该组监测断面水体中的营养盐浓度较高。总体来说，第1组监测断面所在河段以有机污染为主，水体中氮、磷营养盐浓度相对较高。从监测断面所在河流分析，水体污染程度较轻，污染来源也比较单一。

第2组F1的方差贡献率为33.85%，其中高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总氮、石油类、阴离子表面活性剂所占因子载荷较大，说明该组监测断面所在河流水体的有机污染特征与第1组类似，石油类及阴离子表面活性剂载荷较大，可能是由所在河段码头船舶航运污水排放导致。F2方差贡献率为18.02%，其中铜、锌、镉所占因子载荷较大，反映该组监测断面所在河流水体中存在一定的重金属污染。第2组监测断面所在河流水体受有机物、重金属、石油类等多个水质指标的影响。从监测断面所在河流分析，水体水质较第1组差，污染来源相对复杂，主要来自上游及支流水体。

第3组F1的方差贡献率为49.47%，其中溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总氮、铜、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂所占因子载荷较大;F2的方差贡献率为34.43%，其中pH、总磷、锌、氟化物、六价铬、铅所占因子载荷较大。该组监测断面所在河流水体污染情况是3组中最重的，既有一般有机污染，也有重金属、有毒有害物质的污染。从监测断面所在河流分析，三河断面所在的兰江是钱塘江水系的2大重要支流之一，由于上游衢江与金华江地区经济发展迅速，两岸诸多工业污染源和生活污染源的排放使得近年来兰江污染一直较重;笕浦港断面所在河流位于富阳城区，主要是生活污染较重;大源断面所在的大源溪，主要是由当地大量造纸企业生产带来的污染;临浦老大桥断面所在的浦阳江，主要是由上游地区大量工业污染源排放带来的污染，其中水晶、制药等企业数量众多，给水体带来较重污染。

杭州市区的饮用水取水口主要设置在钱塘江的闻家堰至闸口段，处于整个水系的下游河段，承纳了上游地区及两岸支流的污染来源。从3组监测断面所在河流水体水质的主导因子分析，钱塘江干支流不同组别之间的主要影响因子存在比较明显的差异，但总体上仍以有机污染为主，氮、磷营养盐浓度偏高，部分支流的水体污染严重，污染指标包含重金属及有毒有害物质。

3 结论

利用2012年1—12月钱塘江干支流的水质监测数据进行多元统计分析，应用系统聚类分析将26个监测断面所在河流分为3组。这3组断面所在河流的空间分布区域性明显，显示了3种不同的污染水平。对聚类后3组河流分别进行因子分析，结果表明，第1组河流以有机污染为主，水体中氮、磷营养盐浓度相对较高，水体污染程度较轻，污染来源也比较单一;第2组河流水体受有机物、重金属、石油类等多个污染指标的控制，水体水质较第1组差，污染来源相对复杂;第3组河流水体既有一般有机污染，也有重金属、有毒有害物质的污染，水体水质污染重。杭州市区的饮用水取水口均位于钱塘江下游河段，聚类分析后该河段属于第2组，水体水质易受上游地区及两岸支流污染汇入的影响，应当根据干支流不同的污染主导因子，有针对性地加大治理力度，保障钱塘江水资源的可持续发展。

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