ABSTRACT

This paper combines the water quality monitoring data of 7 sections in the Ya’an section of the Qingyi River basin in 2019, and uses the principal component analysis method based on SPSS20 and Origin2018 to realize the visual analysis of the temporal and spatial distribution characteristics of the water quality. The DO, COD_Mn, COD_Cr, BOD₅, NH₃-N, TN, and TP are selected as water quality evaluation indicators, and the comprehensive water quality labeling index method is used to evaluate water quality in different periods. The results show that the TN index has exceeded the standard severely, and it belongs to surface water category IV - V for many months throughout the year. The temporal and spatial distribution of water quality is significantly different. Combined with the characteristics of hydrology and meteorology and geographical location in the study area, the time distribution shows that each section is abundant. The water quality in the water period is better than the normal water period and the dry period. From the spatial distribution, the water quality of the Fenjiang, Longxi and Zhougong river tributaries is the worst. The water quality is mainly continuous nitrogen and phosphorus pollution. The water quality of the remaining sections can reach surface water III Class standards.

Keywords:Water Quality, Spatiotemporal Distribution, Water Quality Evaluation, Principal Component Analysis, Water Quality Identification Index Method

青衣江流域雅安段水质时空分布特征研究

谢裕锋

成都君智技术咨询有限责任公司，四川 成都

收稿日期：2020年9月23日；录用日期：2020年10月6日；发布日期：2020年10月13日

摘 要

本文结合青衣江流域雅安段2019年7个断面水质监测数据，运用基于SPSS20的主成分分析法和Origin2018实现了青衣江雅安段水质时空分布特征的可视化分析，选取DO、COD_Mn、COD_Cr、BOD₅、NH₃-N、TN、TP为水质评价指标，运用综合水质标识指数法对水质进行分水期评价。结果表明：青衣江流域雅安段TN指标超标严重，全年多月属于地表水IV~V类；水质的时空分布差异显著，结合研究区水文气象和地理位置的特点，从时间分布看各断面丰水期水质优于平水期和枯水期，从空间分布看青衣江雅安段的支流濆江、陇西河和周公河监测断面水质最差，以连续性氮磷污染为主，其余断面水质能达到地表水III类标准。

关键词 :水质，时空分布，水质评价，主成分分析，水质标识指数法

Copyright © 2020 by author(s) and Wuhan University.

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1. 引言

河流是水进行迁移转化的主要途径，也是人类可利用淡水资源的主要载体 [1]。随着社会经济的快速发展和城镇化进程的不断推进，流域水环境污染问题变得越发突出，特别是在经济发展速度快和人口密度大的区域，河流水环境日益恶化已成为影响流域水安全和区域水资源可持续利用的主要因素 [2]。因此，对河流水质进行监测评价，研究其时空分布特征及演变规律，解析污染成因，能够为流域水环境污染治理和水资源的利用与保护提供动态理论依据。

雅安市地处长江经济带上游四川盆地西部边缘，是川西高原与成都平原的过渡带。青衣江流域贯穿整个雅安，地理位置在东经102˚16'至103˚43'、北纬29˚24'至30°56'之间，是大渡河左岸最大的一级支流，主源为宝兴河，流域区内面积10,053 km²，境内流长184 km [3]，属亚热带湿润气候区，春季少雨干旱，盛夏暴雨洪涝，秋天阴雨连绵，冬季雨雪霜少。流域由于受特殊地理位置、地形作用的影响(南有东西走向的大相岭、峨眉山，北有邛崃山脉环绕，西有南北走向的夹金山，形成马蹄形地形)，构成了四川省著名的青衣江暴雨区。该区雨量非常充沛，流域多年平均降雨量达1776.7 mm。但在地区上变化较大，大致由西北向东南递增。流域内的气温与降雨在地区上的分布趋势较为一致，由西北向东南递增。域内多年平均气温大致介于14℃~18℃之间。最高气温出现在7、8月份，其多年平均气温约22℃~26℃，最低的1、2月份约4.6℃~8℃。极端最高气温36.6℃，极端最低气温−3.3℃。无霜期约300天。

雅安市随着国际化区域性生态城市建设和城镇化、工业化的不断推进，用水规模不断增加，对水资源质量的要求越来越高，水环境生态保护压力不断增大，近年来，青衣江雅安段支流水少、水浑、水脏问题逐渐明显。

本文以青衣江流域雅安段2019年7个监测断面的7项水质指标为研究对象，运用基于SPSS的主成分分析法(PCA)和综合水质标识指数法实现了研究区水质时空分布特征可视化分析以及水质综合评价，厘清了该区域水环境污染状况、主要污染因子时空演变规律，为该区制定合理有效的水资源开发利用规划和水环境污染防治措施提供了科学依据 [4] - [9]。

2. 数据与方法

2.1. 数据来源

本文水质监测数据由雅安市环境中心站提供，选取了DO、COD_Mn、COD_Cr、BOD₅、NH₃-N、TN、TP为水质评价指标。由于青衣江水期特征明显，分水期进行了水质评价，结合流域水文气象特征将水期划分为：丰水期为6、7、8、9月，平水期为3、4、5、10月，枯水期为1、2、11、12月。

青衣江流域雅安段共布设了7个监测断面，分别是青衣江雨城区上游的飞仙关镇(D₁)、多营镇(D₂)断面，雨城区青衣江3条支流汇入点的濆江(D₃)、陇西河(D₄)和周公河(D₅)断面，水中坝(D₆)和出境处的龟都府(D₇)两个国控监测断面，青衣江流域图及雅安段监测断面布设如图1、图2所示。

2.2. 研究方法

2.2.1. 主成分分析

利用主成分分析(PCA)降低数据维度的原理，运用基于SPSS的PCA对流域水质监测数据进行主成分提取，根据水质数据的特征向量计算出主成分得分情况，结合Origin软件实现青衣江流域雅安段水质指标时空分布可视化分析。

主成分分析数学模型如下：设n维原始水质监测样本数据矩阵A

图1. 青衣江流域图

图2. 青衣江流域雅安段监测断面布置图

$A=\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& L& A_{1n}\\ A_{21}& A_{22}& L& A_{2n}\\ & L& L& \\ A_{n1}& A_{n2}& L& A_{nn}\end{array}\right]$ (1)

矩阵A经标准化处理后，即

$A_{ij}=\frac{\left(X_{ij}-\overline{X_j}\right)}{Sj}$ (2)

变量间的相关矩阵为R，得到特征方程：Rb = λb。解特征方程将其特征根进行大小排列，λ₁ > λ₂ > L > λ_n。

${\displaystyle \underset{j=1}{\overset{m}{\sum }}{\lambda }_j}/{\displaystyle \underset{j=1}{\overset{n}{\sum }}{\lambda }_j}\ge 0.85$ (3)

确定一个m值，使信息的利用率达85%以上，选择前m个特征值对应的单位特征向量得到主成分计算式。

2.2.2. 综合水质标识指数法

单因子水质标识指数P_i由一位整数和小数点后两位有效数字组成，P_i值计算式由水环境质量标准确定 [10]。其中，整数代表了水质标识的水质类别，小数代表了监测数据在此类水质变化区间中所处的位置，单因子水质标识指数计算表达式为：

$P_i=\frac{K_i+\left(C_i-P_{i,Ki上}\right)}{\left(P_{i,Ki上}-P_{i,Ki下}\right)}$ (4)

式中：K_i表示第i项水质指标所处的水质类别，取值为1，2，…，6；C_i表示第i项指标的实测质量浓度，mg/L；P_i,Ki上表示第i项水质指标第K_i类水区间质量浓度的上限值，mg/L；P_i,_Ki下表示第i项水质指标第K_i类水区间质量浓度的下限值，mg/L。

综合水质标识指数法是在单因子水质标识指数法的基础上对严重超标的水质指标进行加权处理，本文取权重为0.5，其表达式为：

$P=\frac{1}{2}\left(n-1\right){\displaystyle \sum P_i+P_{\max }}\cdot \frac{\left(n-2\right)}{2\left(n-1\right)}$ (5)

式中：P_max表示n项单项指标水质标识指数中的最大值。水质标识指数评价标准如表1所示。

表1. 水质标识指数评价标准

3. 结果分析

3.1. 时空分布特征

2019年青衣江雅安干流段水质总体较好，能达到地表水Ⅲ类标准，支流河段水质较差，水质时空差异特征明显。水质时空变化特征如图3所示，图中监测断面数1~7分别为D₁飞仙关镇、D₂多营镇、D₃濆江、D₄陇西河、D₅周公河、D₆水中坝和D₇龟都府。DO指标年内变化丰水期和枯水期浓度值较高，均满足地表水II类标准。COD_Mn指标浓度年内变化大，但均满足地表水II类标准，各监测断面以枯水期浓度值较低，丰、平水期浓度值较高。COD_Cr丰水期指标浓度值较低，各水期指标浓度均低于地表水III类限值。各断面BOD₅指标丰水期浓度较其它水期偏高，10到12月浓度值最低。NH₃-N、TN、TP 3项营养盐指标在枯水期时段浓度值较高，丰水期指标浓度较低，全年多月指标浓度均超地表水Ⅲ类限值。

从空间结构上看，2019年青衣江雅安段各断面水质指标变化明显，DO指标，浓度值越大水质越好，COD_Mn、COD_Cr、BOD₅、NH₃-N、TN、TP指标浓度值越低水质越好，从图3可知，D₃、D₄断面指标浓度低于其他断面；COD_Mn、COD_Cr、BOD₅、NH₃-N、TN、TP指标在D₃、D₄断面浓度均高于其他断面。根据青衣江雅安段水功能区划，该区水质应满足地表水Ⅲ类要求，在7个断面中DO、COD_Mn、COD_Cr能满足要求，D₄断面6月时BOD₅浓度4.86 mg/L，超标21.5%，D₄和D₃断面NH₃-N指标浓度不能满足水功能区水质要求。D₄和D₅断面TN指标超标106%，除D₂、D₇全年多月TN指标能满足水功能区水质要求外，其余断面TN指标均为超地表水Ⅳ类限值，青衣江雅安城区河段TN指标污染较为严重。D₃和D₄断面TP指标明显高于其他断面，D₃断面最大浓度值0.32 mg/L超标60%，其余断面均满足水功能区要求。

图3. 青衣江流域雅安段水质指标空间尺度变化趋势示意图

综上所述，青衣江雅安段干流水质总体较好，城区濆江、陇西河和周公河水质较差，丰水期水质优于平水期和枯水期。

3.2. 污染因子识别

将青衣江流域雅安段2019年7个监测断面7项水质指标进行主成分分析，对数据进行KMO和Bartlett球体检验，KMO值一般为0.6，根据Kaiser-Harris准则建议保留大于1的主成分，主成分相关系数大于0.7的指标和主成分显著相关 [11]，以飞仙关镇监测断面为例，结果如表2和表3所示。

表2. 水质参数间的相关系数

表3. 水质监测指标主成分分析结果

注：因子荷载值 > 0.7显著相关，因子荷载值 > 0.5中等相关。

该断面提取的3个主成分方差累积贡献率为88.81%，7个断面主成分平均贡献率88.96%，提取的主成分已解释了原始水质指标信息的85%以上，说明提取的主成分能够很好地反映青衣江流域雅安段水质信息。

第一主成分平均贡献率为46.25%，主要包括了DO、BOD₅、COD_Mn、TN，其中DO、TN和主成分呈显著正相关，COD_Mn和BOD₅与主成分呈显著负相关；第二主成分平均贡献率为24.45%，主要包括了COD_Cr、TP，它们与主成分呈正相关；第三主成分贡献率为18.26%，主要包括了氨氮，与主成分呈显著正相关。

将各监测断面主成分分析结果的特征值带入主成分得分因子线性方程，表达式如下：

$Z_1=0.25x1-0.217x2+0.162x3-0.280x4+0.033x5+0.262x6+0.184x7;$ (6)

$Z_2=-0.305x1-0.266x2+0.330x3+0.183x4-0.013x5-0.232x6+0.421x7;$ (7)

$Z_3=0.091x1+0.278x2+0.354x3+0.054x4+0.775x5-0.066x6-0.071x7.$ (8)

式中：Z₁、Z₂、Z₃分别表示第一、二、三主成分；x1~x7表示水质指标。主成分得分情况可以定量化的对水环境质量进行描述，得分值越高，表明污染越严重，各断面得分情况如下图4所示。

图4. 监测断面主成分得分

第一主成分解释了TN、DO、BOD₅、COD_Mn的污染状况，结合污染因子时空分布图3可知，7个断面DO、BOD₅、COD_Mn指标实测浓度值都满足地表水III类标准，只有TN指标浓度严重超标，据此第一主成分得分说明各监测断面TN污染情况，从图3可知，除D₂和D₇得分值较低外，其余断面得分值较高，特别是D₁、D₃、D₄断面。飞仙关镇、陇西河和濆江段TN值较高，主要是因为飞仙关镇是雅安主要的粮食产区和畜禽养殖的集中地，濆江和陇西河段上游有较多小型工厂和居民区，污水管网老化损坏严重。由于受农业面源污染和生活污水的影响所以TN指标浓度值较高。

3.3. 水质评价

青衣江流域雅安段2019年水质评价结果，见下表4。

表4. 综合水质标识指数评价结果

综合水质标识指数评价结果显示，2019年青衣江雅安段除D₃ (濆江)、D₄ (陇西河)、D₅ (周公河)断面水质不达标全年多月处于地表水IV~V类污染严重，其余断面水质满足地表水III类标准。从各监测断面单因子水质标识指数P值大小可知，枯水期条件下濆江、陇西河和周公河断面TN指标P值分别为6.81、7.18、6.14属劣V类污染严重，飞仙关镇断面TN指标P值为4.81属IV类中度污染；濆江断面TP指标P值4.87属中度污染。平水期时段濆江、陇西河和周公河断面TN指标P值有所下降，但均处于地表水V类标准值之上。丰水期时段除周公河断面TN指标下降明显外，其余断面变化不大，TP指标各断面均能达到地表水III类标准，其余指标均达到要求。

根据水质评价结果和水质指标时空分布特征可知，青衣江雅安段以连续性氮污染为主，主要是城区上游段飞仙关镇农业面源污染造成的N素迁移，加上城区河段的累积，导致了全区河段TN指标浓度较高。城区支流的周公河、濆江和陇西河由于受到上游水电站开发和截流导致了下游河段枯、平水期水量较小，加之径流量受季节性降雨影响较大和河道沿岸生活污水的无序排放使得河道污染更加严重。

4. 结论

依据2019年青衣江雅安段7个断面的水质监测数据，运用基于SPSS20和Origin2018对水质时空分布特征进行分析，以综合水质标识指数法为水质评价模型，分丰、平、枯水期进行水质综合评价。具体结论包括以下几个方面：

1) 2019年青衣江流域雅安段TN指标超标严重，TN指标浓度全年多月属于地表水IV~V类，雨城区支流的濆江、陇西河监测断面TN指标超标最为严重。

2) 青衣江流域雅安段水质时空差异性显著，干流水质总体较好，城区濆江、陇西河和周公河水质较差，丰水期水质优于平水期和枯水期。各监测断面水质时间变化趋势从优到差的顺序为：丰水期 > 平水期 > 枯水期；空间结构上，飞仙关镇、濆江和陇西河TN指标浓度较其他断面偏高，濆江和陇西河断面枯水期时段TP指标浓度值较高，其余指标变化不大。各监测断面水质从优到差的顺序为：多营镇 > 龟都府 > 水中坝 > 飞仙关镇 > 周公河 > 陇西河 > 濆江。

3) 2019年青衣江流域雅安段综合水质标识指数评价结果，丰水期水质优于平水期和枯水期，濆江、陇西河和周公河断面全年多月综合水质标识指数P值为4.01~5.04，水质类别为地表水IV~V类，TN指标P值为4.93~7.18之间，属劣V类，严重污染。飞仙关镇水质类别为地表水III类，多营镇为II类，水中坝和龟都府为II类。

4) 青衣江流域雅安段主要以连续性氮污染为主，濆江和陇西河断面枯水期磷污染较为严重，加之各支流上游水电站开发和季节性降雨影响，导致雨城区支流水少、水浑和水脏的现象。建议加快完善城区污水管网设施建设和提高污水处理效率，建立健全流域水环境污染防治法规。

文章引用

谢裕锋. 青衣江流域雅安段水质时空分布特征研究
Spatiotemporal Distribution Characteristics of Water Quality in Ya’an Section of Qingyi River Basin[J]. 水资源研究, 2020, 09(05): 1-10. https://doi.org/10.12677/JWRR.2020.95056

参考文献