曹艷敏,安宏雷,韓 帥

(1.湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院,湖南 益陽(yáng) 413000; 2.國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073;3.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司,長(zhǎng)沙 410035)

0 引 言

流域水環(huán)境是自然因素與人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果[1]。由于涉及范圍廣、人類活動(dòng)復(fù)雜,流域水環(huán)境評(píng)價(jià)工作及驅(qū)動(dòng)力分析是研究中的難點(diǎn)。湘江作為長(zhǎng)江的主要支流,匯集了湖南省60%以上的人口及70%以上經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值[1],隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染等諸多因素,包括歷史遺留污染等問(wèn)題,使得湘江流域環(huán)境問(wèn)題趨于復(fù)雜化[3]。眾多學(xué)者從各個(gè)角度開展湘江流域水環(huán)境的研究,所應(yīng)用的水環(huán)境評(píng)價(jià)方法,包括均值指數(shù)法[4]、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[5]、水質(zhì)指數(shù)(Water Quality Index,WQI)模型[6]等,對(duì)主要污染物的識(shí)別和驅(qū)動(dòng)因子分析方法包括主成分分析[7]、聚類分析[8]、因子分析[9]、多元回歸分析[10]等。因湘江流域涉及范圍廣、水環(huán)境問(wèn)題復(fù)雜,傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法計(jì)算量大,往往局限于干流或局部區(qū)域[8-10]。

2005年徐祖信[11]提出綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)方法(WQI),該方法可考慮各類指標(biāo)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行整體評(píng)價(jià),解決了已有方法存在的指標(biāo)單一,或評(píng)價(jià)過(guò)程主觀的因素及由于運(yùn)算量大導(dǎo)致的信息丟失等缺點(diǎn)[12]。近年來(lái),WQI評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于水環(huán)境評(píng)價(jià)中[13]逐步形成了改進(jìn)模型,如最小水質(zhì)指數(shù)WQImin(The minimum WQI)模型[14]和加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)(Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index,CCME WQI)模型[15]。其中,WQImin模型既繼承了傳統(tǒng)的WQI模型的優(yōu)點(diǎn),又剔除冗余水質(zhì)指標(biāo),成本小、效率高,被廣泛應(yīng)用[16-19]。主成分分析法(Principal Components Analysis,PCA)可將眾多水質(zhì)指標(biāo)簡(jiǎn)化為少數(shù)指標(biāo),簡(jiǎn)化后的少數(shù)指標(biāo)可以反映原始數(shù)據(jù)的大部分信息,有效簡(jiǎn)化水環(huán)境評(píng)價(jià)過(guò)程[20]。楊列等[20]結(jié)合PCA法與WQImin模型有效評(píng)價(jià)了武漢市金銀湖水質(zhì)演變情況。

本研究以湘江流域77個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的實(shí)測(cè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為基礎(chǔ),采用改進(jìn)的WQI模型結(jié)合聚類分析法和PCA法,建立了湘江全流域WQImin水環(huán)境評(píng)價(jià)模型。利用Pearson線性相關(guān)法建立湘江流域水環(huán)境評(píng)價(jià)模型得到的WQImin值與對(duì)應(yīng)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子之間的相關(guān)性,以此識(shí)別影響流域環(huán)境的主要驅(qū)動(dòng)因子。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 區(qū)域概況

湘江是長(zhǎng)江重要支流之一,是湖南省最大的河流,水量充沛而少沙。湘江起源于藍(lán)山縣紫艮瑤族鄉(xiāng),在湖南省境內(nèi)自南向北流經(jīng)永州、衡陽(yáng)、湘潭、株洲、長(zhǎng)沙,后于岳陽(yáng)市湘陰縣流入長(zhǎng)江水系的洞庭湖。流域支流涉及到郴州、婁底,同時(shí)涉及廣西省桂林市全州縣、興安縣及灌陽(yáng)縣,江西省萍鄉(xiāng)市上栗縣、蓮花縣、蘆溪縣、安源區(qū)、湘東區(qū)及開發(fā)區(qū)和宜春市袁州區(qū)[21]。

流域水系發(fā)達(dá),支流眾多,其中有3條支流流域面積>10 000 km2,即瀟水、耒水和洣水;3 000～10 000 km2的一級(jí)支流有舂陵水、蒸水、淥水、漣水、瀏陽(yáng)河共5條;1 000～3 000 km2的一級(jí)支流有灌江、紫溪河、蘆洪江、白水、宜水、祁水、涓水、撈刀河、溈水共9條[21],見圖1。

圖1 湘江全流域及湘江主要支流示意圖Fig.1 Map of Xiangjiang River basin and its major tributaries

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

擬分析數(shù)據(jù)采用2020年湘江流域77個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的1—12月份地表水質(zhì)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息見圖2。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包含水溫(T)、pH值、溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、鎘(Cd)、砷(As)、六價(jià)鉻(Cr6+)、電導(dǎo)率、總硬度、總堿度石油類、糞大腸菌群、氟化物、氯化物等共計(jì)21項(xiàng)指標(biāo),水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由湖南省水利廳提供。流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)摘自《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒2021》《江西統(tǒng)計(jì)年鑒2021》《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒2021》《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒2021》。

圖2 湘江水質(zhì)監(jiān)測(cè)站位置Fig.2 Location of water quality monitoring stations

1.3 研究方法

1.3.1 聚類分析

聚類分析是一種被廣泛應(yīng)用的多元統(tǒng)計(jì)分析方法,其過(guò)程是將多個(gè)數(shù)據(jù)的變量特征也可以是個(gè)案按照其相關(guān)性的遠(yuǎn)近程度進(jìn)行分類[11]。本文分析方法采用系統(tǒng)聚類法,選擇組間聯(lián)接的聚類方法,親疏程度的計(jì)算選用平方 Euclidean 距離作為度量標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 主成分分析

PCA是一種降維處理技術(shù),將原來(lái)眾多的具有一定相關(guān)性的變量重新組合成新的少數(shù)幾個(gè)相互獨(dú)立的綜合變量,并要求這些綜合變量能夠反映原變量提供的大部分信息,以保證分析的準(zhǔn)確性[22]。本次研究水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)達(dá)21項(xiàng),運(yùn)用SPSS 24.0對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,以尋求可以反映原水質(zhì)特征大部分信息的水質(zhì)因子。

1.3.3 WQImin模型分析

研究采用包含指標(biāo)權(quán)重的WQImin模型[16]見式(1)及式(2)。水質(zhì)指標(biāo)由主成分分析篩選的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)。

(1)

式中:n為水質(zhì)指標(biāo)總數(shù);Ci為第i個(gè)指標(biāo)的歸一化值,計(jì)算方法如式(2)所示;pi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,pi值通過(guò)收集已有研究成果[23]列于表1。

表1 基于GB 3838—2002標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算WQImin所有水質(zhì)指標(biāo)的歸一化值和權(quán)重Table 1 Normalized values and weights of water quality indicators for calculating WQImin based on the Environmental Quality Standards for Surface Water of China (GB 3838—2002)

式中:Ti為第i個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值;Si,k和Si,k+n分別為第i個(gè)指標(biāo)的k級(jí)和k+n級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度,其取值參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002);N為標(biāo)準(zhǔn)值相同的個(gè)數(shù)(當(dāng)無(wú)相同時(shí),N=1);Ii,k為第i個(gè)指標(biāo)的k級(jí)指標(biāo)值。本文WQImin模型采用MatLab R2014a編程處理數(shù)據(jù)。

1.3.4 極差標(biāo)準(zhǔn)化法

極差標(biāo)準(zhǔn)化法可以有效處理存在量綱及數(shù)量級(jí)大小差異巨大的數(shù)據(jù),正向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式見式(3),負(fù)向指標(biāo)公式見式(4)。

(3)

(4)

式中:xij、Xij′分別為原始數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù);xmax、xmin分別為相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的最大值和最小值。

1.3.5 Pearson線性相關(guān)法

Pearson線性相關(guān)法又稱簡(jiǎn)單相關(guān)法,是用來(lái)定量描述2個(gè)變量間線性關(guān)系密切程度和相關(guān)方向的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。Pearson相關(guān)系數(shù)是量綱為一的量,其值為正表示正相關(guān),為負(fù)表示負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近1,表示兩變量間的相關(guān)關(guān)系密切程度越高。本文用Pearson線性相關(guān)法對(duì)計(jì)算得出的WQImin值與對(duì)應(yīng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析,可以得出與WQImin值相關(guān)密切的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚類分析及污染因子主成分分析

2.1.1 基于水質(zhì)指標(biāo)的流域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)聚類分析

利用SPSS24.0軟件對(duì)湘江流域77個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行聚類分析,使水質(zhì)特征相似的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)聚成一類。分析結(jié)果如圖3所示?？蓪⑾娼饔蛩|(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)聚類為3類。

圖3 基于水質(zhì)數(shù)據(jù)的湘江流域各監(jiān)測(cè)站聚類分析結(jié)果Fig.3 Cluster analysis of measurement results at monitoring stations based on water quality data

Ⅰ類監(jiān)測(cè)點(diǎn)共29個(gè),以衡陽(yáng)市境內(nèi)站點(diǎn)為主,同時(shí)包含湘江干流衡陽(yáng)市至株洲市范圍的監(jiān)測(cè)站——如歸陽(yáng)、衡陽(yáng)、三樟、松柏、株洲、霞灣,以及支流部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)如耒水、淥水贛湘緩沖區(qū)、漣水、洣水、瀏陽(yáng)河。

Ⅱ類站點(diǎn)共16個(gè)以湘江支流監(jiān)測(cè)點(diǎn)為主,包括舂陵水、蒸水、漣水、涓水株洲市境內(nèi)犁頭口;栗水、撈刀河。湘江干流監(jiān)測(cè)站有3個(gè),如永州境內(nèi)老埠頭站、湘潭境內(nèi)馬家河站、長(zhǎng)沙市境內(nèi)暮云站。

Ⅲ類監(jiān)測(cè)點(diǎn)共32個(gè),以永州市境內(nèi)站點(diǎn)為主,同時(shí)包含一部分郴州市內(nèi)站點(diǎn)如東江等,及少量長(zhǎng)沙市范圍站點(diǎn)。湘江干流站點(diǎn)有桂湘緩沖區(qū)內(nèi)綠埠頭。上東江邊、石門坎與以上三類監(jiān)測(cè)點(diǎn)平方 Euclidean 距離較遠(yuǎn),但兩監(jiān)測(cè)站與Ⅲ類監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理范圍重合,因此歸為第Ⅲ類監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.1.2 污染因子主成分分析

利用SPSS24的PCA模塊對(duì)Ⅰ—Ⅲ聚類水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的21項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行降維處理,成果見表2。通過(guò)主成分分析計(jì)算,Ⅰ聚類站點(diǎn)1—點(diǎn)3特征根均>1,且解釋了該區(qū)域總污染物特征99.28%,可以確定主要污染物為DO、BOD5、CODMn、Cr6+及NH3-N。Ⅱ聚類站點(diǎn)主要污染物確定為DO、Hg、BOD5、TP、NH3-N、CODMn,Ⅲ聚類站點(diǎn)主要污染物確定為DO、BOD5、TP、Cr6+、CODMn。

表2 Ⅰ—Ⅲ聚類水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主成分分析貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution rates obtained from principal component analysis of monitoring sites with class Ⅰ—Ⅲ water quality

由主成分分析法得出湘江全流域共有的污染因子為DO、BOD5、CODMn,見表2。DO主要受水溫、空氣中氧分壓、水文條件等自然因素影響,是研究水自凈能力的重要依據(jù)。BOD5和CODMn都反映水體有機(jī)物污染情況,但污染來(lái)源各地區(qū)有所不同。

聚類分析得出Ⅰ類水質(zhì)監(jiān)測(cè)站以衡陽(yáng)市境內(nèi)站點(diǎn)為主,湘江干流衡陽(yáng)市至株洲市范圍的監(jiān)測(cè)站點(diǎn),同時(shí)包含株洲、湘潭、長(zhǎng)沙部分站點(diǎn)。主成分分析得出主要污染因子為DO、BOD5、CODMn、Cr6+及NH3-N。湘江流域聚集了全省70%以上的大中型企業(yè)。

而長(zhǎng)株潭地區(qū)及衡陽(yáng)地區(qū)產(chǎn)業(yè)則更為集中、多樣,如電子信息、汽車制造、化學(xué)制品制造業(yè)、電氣機(jī)械及器材制造業(yè)、有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)等組成[23]。

這些產(chǎn)業(yè)均有依靠水資源、需水量大、易形成污染源的特點(diǎn)。另外,湘潭市的湘潭縣,衡陽(yáng)市的衡陽(yáng)縣、衡南縣都是受畜禽排泄污染嚴(yán)重地區(qū)[24]。畜禽排泄污染會(huì)導(dǎo)致水體中BOD5、NH3-N及部分重金屬超標(biāo)[24]?；谏鲜龇治隹烧J(rèn)為聚類Ⅰ確定的污染因子合理。

聚類分析得出Ⅱ類水質(zhì)監(jiān)測(cè)站以支流為主,同時(shí)包含3個(gè)湘江干流監(jiān)測(cè)站。主成分分析得出主要污染因子為DO、Hg、BOD5、TP、NH3-N、CODMn。流域支流人類干擾強(qiáng)度均>20%[25]。BOD5、TP、NH3-N、CODMn可考慮由城鎮(zhèn)污水、生活污染以及農(nóng)業(yè)源污染構(gòu)成[8]。重金屬Hg考慮自然因素及工業(yè)污染[8]。

聚類分析得出Ⅲ類水質(zhì)監(jiān)測(cè)站以永州市境內(nèi)站點(diǎn)為主,同時(shí)包含部分郴州市及少量長(zhǎng)沙市境內(nèi)站點(diǎn)。主要污染物確定為DO、CODMn、BOD5、Hg、TP、Cr6+。王敦球等[8]認(rèn)為永州市主要污染因子為NH3-N、CODMn、BOD5、TP以及部分重金屬,且認(rèn)為CODMn、TP首要污染源為農(nóng)業(yè)源,NH3-N污染主要來(lái)自生活源。本文在NH3-N上與上述研究有出入,其他結(jié)果一致,且考慮是郴州市及少量長(zhǎng)沙市境內(nèi)站點(diǎn)的加入導(dǎo)致Ⅲ類監(jiān)測(cè)點(diǎn)其他污染因子比重加大導(dǎo)致。

2.2 基于WQImin模型的湘江流域水環(huán)境評(píng)價(jià)

以2.1.1節(jié)和2.1.2節(jié)研究?jī)?nèi)容為基礎(chǔ),不同區(qū)域WQImin模型計(jì)算指標(biāo)Ⅰ聚類站點(diǎn)主要污染物為DO、BOD5、CODMn、Cr6+及NH3-N;Ⅱ聚類站點(diǎn)主要污染物為DO、Hg、BOD5、TP、NH3-N、CODMn;Ⅲ聚類主要污染物為DO、BOD5、TP、Cr6+、CODMn。

WQImin評(píng)分范圍為0～100,分值越高表明水質(zhì)越好,結(jié)合Jonnalagadda等[26]和唐琦等[13]研究成果及湘江流域水環(huán)境特征,本研究分值標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為優(yōu)([100,90)、[90,80))、好([80,70)、[70,60))、中([60,50])。

2.2.1 汛期及非汛期WQImin值空間分析

湘江流域汛期為4—9月份,非汛期為10月份—次年3月。為減少自然因素流量Q的影響,本文分汛期及非汛期分析WQImin,見圖4。

圖4 湘江流域汛期和非汛期WQImin空間分布Fig.4 Spatial distribution of WQIminduring flood seasonand non-flood season in Xiangjiang River Basin

湘江流域各監(jiān)測(cè)站W(wǎng)QImin范圍為95.2～70.0,符合湘江流域?qū)嶋H情況。湘江全流域非汛期水質(zhì)整體優(yōu)于汛期,非汛期WQImin處于優(yōu)([100,90))站點(diǎn)占全流域站點(diǎn)的23%,多于汛期的13%;非汛期WQImin處于優(yōu)([90,80))的站點(diǎn)占全流域站點(diǎn)60%,多于汛期的56%,考慮汛期徑流攜帶地表面源污染源進(jìn)入湘江流域水體形成該特征。這與劉葉葉等[7]研究得出湘江流域面源污染逐漸增加一致。

從地區(qū)來(lái)看,湘江流域永州地區(qū)及瀟水水環(huán)境優(yōu)于其他地區(qū)。桂湘緩沖區(qū)、 湘江永州開發(fā)利用區(qū)至湘江祁陽(yáng)開發(fā)利用區(qū)及瀟水WQImin全年優(yōu)于90。支流紫溪河、蘆洪江、白水、舂陵水、漣水非汛期水質(zhì)優(yōu)于汛期,WQImin達(dá)到優(yōu)([100,90))。

衡陽(yáng)、株洲、湘潭、長(zhǎng)沙區(qū)域的湘江干流以及耒水、蒸水、攸水、涓水、撈刀河、溈水等各支流汛期WQImin普遍介于70～80之間,級(jí)別為好但WQImin低于流域其他地區(qū),表明該區(qū)域的汛期水環(huán)境問(wèn)題較為突出。同時(shí),該區(qū)域的水功能區(qū)涉及大量開發(fā)利用區(qū)、保留區(qū)及緩沖區(qū)。該區(qū)域與聚類分析中聚類Ⅰ區(qū)域相對(duì)重合,可認(rèn)為該區(qū)域是湘江流域污染源較為復(fù)雜且水環(huán)境脆弱地區(qū)。

2.2.2 干支流WQImin沿程分析

湘江干流從永州至長(zhǎng)沙,相同市域監(jiān)測(cè)點(diǎn)取WQImin年平均值分別為91.13、82.72、80.86、78.65、81.6(見圖5),永州至湘潭逐步降低,湘潭市WQImin年平均值最低,長(zhǎng)沙市WQImin均值有所提高。

圖5 湘江干流及支流的WQImin沿程分布Fig.5 WQImin of mainstream and tributaries along Xiangjiang River

舂陵水由永州流經(jīng)郴州在衡陽(yáng)入湘江干流,WQImin均值逐漸降低,由88.95降至83.95。耒水由郴州至衡陽(yáng)匯入干流,WQImin均值逐漸降低分別為88.16、81.17。漣水由婁底至湘潭匯入干流,WQImin均值逐漸降低,分別為86.42、79.98。洣水由株洲至衡陽(yáng)匯入干流,WQImin由83.75降到80.58。瀟水位于永州境內(nèi),WQImin由92.18降至87,WQImin均值為90.73。淥水由江西省萍鄉(xiāng)至株洲匯入干流,WQImin由79.6降至75.5。祁水由衡陽(yáng)至永州匯入干流,WQImin在衡陽(yáng)地區(qū)為80.45,在永州地區(qū)升到85.4,水質(zhì)好轉(zhuǎn)。湘桂緩沖區(qū)WQImin為93.1,水質(zhì)為優(yōu)。淥水贛湘緩沖區(qū)WQImin為79.6。

2.3 湘江流域水環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別

以長(zhǎng)沙、湘潭、株洲、衡陽(yáng)、永州、婁底、郴州以及廣西桂林市和江西萍鄉(xiāng)市2020年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),參考已有研究成果[10],確定社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子指標(biāo)確定為常住人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、工業(yè)廢水排放量、城鎮(zhèn)污水排放量、化肥用量及大牲畜年末存欄數(shù)。

由于流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)在量綱及數(shù)量級(jí)上差異巨大,因此采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,結(jié)果見圖6。利用Pearson相關(guān)性建立水環(huán)境評(píng)價(jià)WQImin與湘江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)性分析。支流除舂陵水,其他跨市支流所涉及地區(qū)為2個(gè)市,通過(guò)Pearson相關(guān)性可識(shí)別主要驅(qū)動(dòng)因子,但因參數(shù)較少無(wú)法具體其相關(guān)系數(shù),因此本文不在此列出。

圖6 各市社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)極差標(biāo)準(zhǔn)化值Fig.6 Standardized range values of socioeconomicindicators of different cities

2.3.1 流域各市域水環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子分析

結(jié)合2.1節(jié)的聚類分析結(jié)果,同市域監(jiān)測(cè)點(diǎn)WQImin值以監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在市域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展各指標(biāo)為自變量對(duì)湘江流域進(jìn)行分區(qū)追蹤驅(qū)動(dòng)因子,見表3。長(zhǎng)株潭及衡陽(yáng)地區(qū)的主要水環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子是工業(yè)廢水排放量、化肥用量及常住人口。永州主要水環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子為化肥用量;婁底及郴州主要環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子為工業(yè)廢水排放量。

表3 主要地區(qū)WQImin與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)Pearson相關(guān)性分析Table 3 Pearson correlation between WQImin and socio-economic indicators in major regions

2.3.2 跨市河流水環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子分析

跨市河流考慮上游市及本市社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為作為自變量;對(duì)于省界監(jiān)控?cái)嗝嬉粤饔蛏婕暗降耐馐〉貐^(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)為自變量,其分析結(jié)果見表4。

表4 跨市河流WQImin與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)Pearson相關(guān)性分析Table 4 Pearson correlation between WQImin of cross-city river and socio-economic indicators

湘江干流桂林—永州是流域較優(yōu)的地區(qū),工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)污水、農(nóng)業(yè)污染及上游市洲的城鎮(zhèn)污水都影響該區(qū)域水質(zhì)。湘江干流衡陽(yáng)—長(zhǎng)沙是流域水環(huán)境WQImin值較低區(qū)域,本市的工業(yè)廢水排放量、農(nóng)業(yè)污染及上游市洲城鎮(zhèn)污水排放量對(duì)水環(huán)境都有較大的影響。針對(duì)上游市洲的城鎮(zhèn)污水排放量對(duì)下游市洲的影響,需加強(qiáng)治理及監(jiān)管。

支流以舂陵水為例,由于受人類干擾強(qiáng)度突出,本市的工業(yè)廢水排放量、城鎮(zhèn)污水排放量、大大牲畜年末存欄數(shù)以及上游市洲的工業(yè)廢水排放量、化肥用量、城鎮(zhèn)污水排放量都是水環(huán)境的主要驅(qū)動(dòng)因子。

3 結(jié) 論

本文對(duì)湘江流域77個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行聚類分析,利用PCA法對(duì)聚類分析的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。建立湘江流域水環(huán)境WQImin評(píng)價(jià)模型,時(shí)間尺度上分汛期與非汛期,利用Pearson線性相關(guān)法對(duì)WQImin值與對(duì)應(yīng)區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行分析。研究結(jié)論如下:

(1)湘江流域主要污染因子為DO、BOD5、CODMn。DO主要受自然因素影響,是水自凈能力的重要依據(jù)。BOD5和CODMn反映水體富營(yíng)養(yǎng)化污染情況,在永州市主要受市政污水、生活污水和工業(yè)廢水排放的影響;衡陽(yáng)、株洲、湘潭地區(qū)都受到農(nóng)業(yè)因素的影響;長(zhǎng)沙地區(qū)主要由生活污水排放和工業(yè)生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)。婁底和郴州地區(qū)BOD5和CODMn污染成因需要進(jìn)一步開展研究得出。

(2)湘江流域WQImin模型評(píng)價(jià)得到湘江流域整體水環(huán)境為優(yōu)—好等級(jí),WQImin值介于95.2～70.0之間;湘江流域水環(huán)境非汛期優(yōu)于汛期,考慮由于汛期雨水徑流攜帶地表面源污染進(jìn)入湘江水體形成;水環(huán)境最優(yōu)地區(qū)為永州及瀟水;最差為長(zhǎng)株潭地區(qū)及衡陽(yáng)市,衡陽(yáng)至長(zhǎng)沙范圍內(nèi)湘江干流及支流監(jiān)測(cè)站汛期WQImin值普遍介于70～80之間,低于流域其他區(qū)域,該區(qū)域主要污染因子為DO、BOD5、CODMn、Cr6+及NH3-N。湘江流域治理應(yīng)加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)及衡陽(yáng)市汛期水環(huán)境的監(jiān)管,加大湘江流域面源污染的防控;湘江干流自上游至下游WQImin值逐漸降低,湘潭區(qū)域WQImin最低,為78.65,長(zhǎng)沙WQImin有所提升,為81.60。其他支流自上游至下游WQImin逐漸降低。

(3)水環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子長(zhǎng)株潭及衡陽(yáng)地區(qū)為工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染及人口因素;永州為農(nóng)業(yè)污染;婁底及郴州為工業(yè)污染。湘江干流水環(huán)境主要驅(qū)動(dòng)因子為工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染及上游市的城市污染。

湘江流域涉及區(qū)域廣、行政市洲多,其水環(huán)境因素復(fù)雜,建議在數(shù)據(jù)量允許的條件下,形成長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)可利用多元統(tǒng)計(jì)回歸方法識(shí)別更多驅(qū)動(dòng)因子,并且量化其貢獻(xiàn)率,為后期水生態(tài)補(bǔ)償研究提供基礎(chǔ)。