春季枯水期黑河水體理化性質的空間分布特征

王 昱，盧世國，劉娟娟，時文強，2，郭亞敏（.蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州 730050；2.中國科學院內陸河流域生態水文重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

河流水體的物理化學成分是流域的一個重要特征，是自然因素和人類活動對流域生態環境影響的綜合體現［1-3］。然而，作為一個動態系統，河流的理化特性往往因地形地質、氣候等自然條件的影響而存在不同的空間差異性［4］。此外，隨著城市化、工業化、農業灌溉和水庫梯級建設等人類活動的加劇，河流水質會遭受不同程度的污染乃至出現水生態系統結構和功能的退化，這將進一步加劇水體理化特性在空間分布上的不確定性［5］。在內陸干旱地區，河流作為區域居民生活污水、工業廢水和地表徑流排放的主要載體最易遭到污染和破壞［6］，嚴重影響整個流域的生態環境狀況和社會經濟發展。因此，開展干旱內陸地區河流理化性質空間分布規律的研究，對于識別潛在污染源與提高人們對區域環境狀況的認知有著重要意義。

作為我國第二大內陸河流，黑河是甘肅河西走廊綠洲賴以生存和社會經濟可持續發展的重要水資源基地［8］。近年來由于氣候變化以及人類活動的干擾，河流的徑流泥沙等水文環境要素發生了顯著變化，與其相關的水環境特征也隨之改變［9-13］。以往關于黑河水質的研究多集中在水質評價和水生生物群落對水質的響應關系上［14-16］，而對水體理化性質空間分布規律的研究仍比較薄弱［17］。為此，筆者通過對黑河干流上中游河水理化性質的調查，運用聚類分析、判別分析和主成分分析的方法，并結合已有的流域環境背景資料，探討黑河水理化性質的空間分布特征及其主導因子，以期為黑河流域水資源管理與可持續利用決策提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

黑河發源于祁連山北麓，流域范圍介于37o45′～42o40′N，96o42′～102o04′E之間，流經青海、甘肅和內蒙古，流域總面積為1.43×105km2。黑河干流全長約821 km，以鶯落峽和正義峽為界，劃分為上、中、下游。鶯落峽以上的祁連山區為上游，由八寶河與野牛溝河兩條支流匯合而形成干流，多年平均降水量在350 mm以上。在上段支流區主要以牧業活動為主，而下段干流區蘊藏著豐富的水能資源，相繼開發了8座梯級電站。鶯落峽至正義峽為中游，多年平均降水量為140 mm左右，蒸發量為1 400 mm左右。區內光熱資源充足，土地平坦，綠洲農業發達，是黑河水資源的主要利用區。正義峽以下為下游，多年平均降水量40 mm左右，蒸發量2 250 mm以上，屬于徑流消亡區［10，18］。黑河來水主要有降水形成的地表徑流、冰川融冰（融雪）以及地下水等。夏秋兩季是河源徑流的豐水期，徑流量與降水年內分配特性吻合，約占全年徑流量的73.4%；冬春枯水期水量約占全年徑流量的26.6%，其中春季主要依靠積雪消融與地下水補給，其補給量分別約占該時段徑流量的8.3%和69%［19-20］。

1.2 樣品的采集與分析

于2017年4月選擇人類活動對黑河流域干擾強烈的上中游地區進行采樣調查，共選取17個典型斷面（圖1）。在野外使用哈希便攜式水質儀測定表層水溫、pH值、電導率（EC）、溶解性總固體（TDS）濃度、溶解氧（DO）濃度和鹽度。同時采集1 000 mL水樣固定后置于4℃保溫箱帶回實驗室，測定總氮（TN）濃度、總磷（TP）濃度、銨態氮（NH+4?N）濃度、亞硝酸鹽氮（NO-2?N）濃度和化學需氧量（COD）等化學指標。水樣的預處理和保存嚴格按照《水和廢水監測分析方法》進行［21］。同時，為減小系統誤差，以上樣品均重復測定3次，數據分析過程中取其平均值。

1.3 研究方法

聚類分析是按照某些數量特征將觀察對象進行空間分類的一種統計方法。其實質是根據樣品或變量之間的親疏遠近，把相似程度最大的數據或屬性聚合為一類的分析方法［22］。

判別分析是多統計分析中用來判別聚類結果和識別顯著性的污染指標的一種方法，其原理是按照一定的判別準則，建立合適的判別函數，通過研究對象的大量資料來確定判別函數中的待定系數，并計算判別指標，據此判斷某一樣本屬于何類［23］。

采用Wilk′λ判別分析法對表征組間顯著性差異的水質指標進一步驗證，獲得統計檢驗結果（表1）、結構矩陣（表2）和分類函數系數矩陣（表3）。2個判別函數基本解釋了全部水質信息，Wilk′λ與卡方系數分別為0.014、0.164和53.110、22.571。判別函數1和2的顯著性檢驗均小于0.05，證明了空間聚類分析的有效性。

2.7 能量的調整和轉換。根據物體能量的轉換和傳遞規律，提出了土壩的裂縫破壞是由于壩體內部的變形和能量積累轉換造成的。要根除這種隱患，就必須使壩體內部分土體所積累的應變能充分釋放。劈裂灌漿就是通過灌漿壓力和土體濕陷變形，使原有的土體裂縫充分開裂，使己出現的弱應力區和強應力區之間的應力應變能相互傳遞轉換，打破原壩體內部應力的不平衡，恢復正常的應力狀態，使壩體內部的應力應變相對穩定。

主成分分析的核心思想是對原始數據進行降維處理，其實質是把原來具有錯綜復雜的變量歸納為少數幾個綜合變量，即主成分。通過提取出的這些主成分的線性組合表示原始變量，從而實現用少數幾個綜合變量反映原始變量的絕大部分信息，并且所含的信息互不重疊［24］。

在聚類分析前，首先采用Skewness和Kurtosis法對數據進行正態檢驗，結果分別為-0.466～2.157和-1.552～4.217（置信度95%），說明過于偏離正態分布；然后進行對數轉換，結果提高到-2～2，基本呈正態或接近正態分布。同時，為了消除單位量綱的影響，再將數據進行標準化處理，即均值為0，方差為1。主成分分析之前先對數據進行KMO檢驗，其結果為0.56，說明監測數據基本適合于主成分分析。

2 結果與分析

2.1 各指標空間分布特征

黑河各采樣點水物理化學指標分布情況見圖2。從圖2可以看出黑河河水的pH值分布在8.06～8.71之間，呈弱堿性，符合GB 3838—2002《地表水環境質量標準》。此外，河水pH值在空間分布上基本穩定（圖2）。DO濃度總體較高，為Ⅰ級水質，表明水體擁有良好的自凈能力。在空間分布上，DO濃度中游略高于上游，一般認為河流中游往往要比上游污染嚴重，但黑河中游卻表現出較強的自凈能力，說明河水處于健康狀態。通常水溫是影響DO濃度高低的主要因素，溫度越低，DO溶解度就越高［25］，而從分析結果來看，兩者似乎并沒有表現出一定的響應規律，這可能是其他因素如營養物質的量、水體中氧化還原反應以及生物因素影響更大［26］。EC從14號樣點（平川）開始急劇上升，并在17號樣點處（正義峽）達到峰值〔（1 039±3.60）μS·cm-1〕。研究表明，電導率是水體中可溶性離子數量的綜合反映，伴隨河水的運移，土壤、圍巖以及人類活動產生的溶解性鹽類不斷進入河水，并發生離子交換，在沒有與電導率較小的水體混合情況下電導率是逐漸升高的［27］。該研究中，由于14號點以后基本沒有支流匯入干流，因此電導率值大幅升高。另一方面，河流經過人類活動相對強烈的中游地區，沿線的造紙企業、農副產品加工企業等向河流中排放了大量鹽類，這可能也是該河段電導率升高的重要原因之一。TDS代表了水中的溶解性無機鹽和有機物，從物理意義上來說，水中溶解物越多，水體導電性就越好，鹽度也就越大［28］，這一理論與該研究結果基本一致，從空間分布特征上看，TDS濃度、鹽度和EC均表現出相似的變化規律。

在小學語文閱讀教學過程中，如何培養小學生語文閱讀興趣，是每一名小學語文教師共同關注和關心的問題。針對以上問題，我們在實際教學中，可以從基于課外閱讀激發閱讀興趣；帶問閱讀激發學生閱讀興趣；表演朗讀激發學生語文閱讀興趣這幾方面著手進行，以下結合實際教學經驗，分別進行介紹。

基于水質指標的采樣點聚類結果見圖3。根據各采樣點水體理化性質的相似性，將全部采樣點劃分為3組。組1包括1、2、3和4號采樣點；組2包括5～12號8個采樣點；組3包括13～17號5個采樣點。其中，1～4號采樣點分布于青海省祁連縣地區，區內畜牧污染物以及工礦企業排放的廢水可能對河流有一定程度的污染。5～12號采樣點分布于高山峽谷地帶，本身污染源就較少，并且上游大壩攔截了大部分污染物，從而使下游河道中污染物濃度相對較低，加之水流流速快，污染物不易聚集，因此該河道水質較佳。13～17號樣點分布在人類活動頻繁的走廊平原地區，干支流沿途接納了未處理或未嚴格處理的村鎮生活污水、工業廢水及農業徑流，加重了河水污染程度；此外，河水還可能受到河道底泥釋放的污染物影響，因此組3可代表水質較差的河段。

整體而言，從上游至中游的17個采樣點中，4和14號樣點處各水質指標均表現出增大的趨勢。其中點4處可能是八寶河受當地畜牧化養殖污染以及礦產企業污染所致，而從14號點開始，河流所經過的中游地區水質指標普遍升高，這與農業面源污染以及工業、生活污水直排河道等因素緊密相關。

圖2 各采樣點水體理化指標空間變化特征Fig.2 Spatial variation characteristics of physical and chemical index of water samples

采用特征值是否大于1作為判別依據，由圖5可以看出，特征值大于1的主成分有3個。而前3個主成分的累計方差貢獻率為80.20%（表4），低于85%，當增加一個主成分后貢獻率達到87.23%，超過85%，表明4個主成分足以代表原始變量所包含的絕大部分信息。

2、適當減小線路保護零序方向判據的電壓門檻值。零序保護反映過渡電阻能力強，但在高阻接地時會出現因零序電壓太小而不能開放。在精度滿足的情況下適當減小門檻值，可改善零序保護在高阻接地情況下的動作特性；

2.2 空間相似性聚類分析

與上述EC、TDS、鹽度不同的是，NH+4?N濃度、TP濃度及COD在上游上段較高。其中NH+4?N可能是由于牧區動物活動產生的游離氨被帶入水體；而到氧化性較強的中游地區，NH+4?N經硝化作用被氧化成NO-2?N和NO-3?N，因此NH+4?N濃度下降。TP濃度和COD在上中游較低，基本符合Ⅱ類地表水環境標準。而TN濃度則相反，在中游沿程增大并超出Ⅴ類水標準，可能是中游累積作用和污染都比較嚴重。

2.3 空間判別分析

①顯效：經治療后，心絞痛等癥狀及體征消失或基本消失，心率、血壓及心電圖異常表現均恢復至正常。②有效：經治療后，心絞痛等癥狀及體征好轉，心率、血壓及心電圖異常改變等均有所改善。③無效：經治療后，癥狀、體征、心率、血壓及心電圖異常表現無改善，或至惡化。

圖3 基于水質指標的黑河采樣點聚類結果Fig.3 Cluster analysis of water samples in Heihe River based on water quality index

表1 空間尺度判別分析統計檢驗Table 1 Eigen value,Wilks′lambda and Chi-Sqr test of spatial discriminant analysis

表2 結構矩陣Table 2 Structure matrix

表3 空間尺度判別分析的分類函數系數Table 3 Classification function coefficients of spatial dis‐criminant analysis

此外，將因子值分別乘以各自主成分特征值的算數平方根，得到各采樣點的主成分得分，然后根據各主成分表達式及主成分綜合評價模型，計算出綜合得分（表5），按照分值排序后即可對不同采樣點的水質狀況進行分級評價。

圖4 4個顯著性指標的空間差異性Fig.4 Spatial variations of four water quality indexes

2.4 主成分分析

另外，農業施肥對氮素的貢獻不容忽視。大量研究表明，氮肥的過量施用可能是造成地表水硝態氮污染的重要原因［6，29］，加之春灌又為氮素的遷移提供了便利條件，因此水中TN濃度急劇上升。有研究認為，隨著河水NO-3?N濃度的增加，反硝化速率會加快［30］。也有研究認為，硝化作用是影響反硝化過程的重要因素［31］，這與該研究結果具有一定的相似之處，如反硝化作用去除水體氮素進行自凈時，NO-2?N與TN濃度均表現出降低的特征。但也有研究指出DO是反硝化的又一重要影響因素［32］，而該研究中DO濃度并沒有對TN濃度的變化表現出明顯的相關關系，因此要找出春季黑河河水DO濃度與反硝化過程的相互影響關系仍需作進一步研究。

圖5 黑河水質主成分碎石圖Fig.5 Principal component scree plot of Heihe River water quality

表4 主成分分析結果Table 4 Results of principal component analysis

從提取的4個主成分來看，第1主成分解釋了36.08%的水質變異，反映的信息量最大，具有較高荷載的變量為EC、TDS、鹽度、TN；其中EC、TDS、鹽度含量代表水體中離子濃度；TN濃度的高低反映了水體富營養化程度，TN既是由于流域內農業生產過程中施用化肥使含氮營養鹽通過地表徑流進入河水所致，也是由于生活污水、工業廢水等點源污染所致［33］，隨著這些離子進入水體，EC、TDS和鹽度含量升高，因此第1主成分可歸類為生活污水等點源污染和農業面源污染的綜合影響。第2主成分的貢獻率為23.51%，與其相關聯的因子主要是TP濃度、NH+4?N濃度和COD，是在第1主成分的基礎上進一步反映水體受營養鹽的影響；氮磷元素能夠促進水生生物生長，從而使COD所代表的有機物水平也隨之上升。第3主成分解釋了總方差的20.16%，與之密切相關的是DO濃度和NO-2?N濃度，反映了DO對氮循環的影響，可認為第3主成分主要是硝態氮污染。第4主成分是新增的1個主成分，方差貢獻率稍低，為7.03%，代表pH值的信息，體現了地形地貌對水質的影響［27］。

從判別函數的結構矩陣及分類函數系數看出，判別函數由4個指標構建，即水溫、TP濃度、TN濃度和COD。這4個指標可用來識別組1、組2、組3河段，它們的空間差異性及變化規律見圖4。水溫和TN濃度的最大平均值出現在組3中，明顯高于不存在顯著性差異的組1和組2。COD的最大平均值出現在組1，最小平均值出現在組2，表現出組間顯著性差異。TP濃度在3組中的高低順序為組1＞組3＞組2，組間差異性明顯?；谏鲜龇治?，組1中TP濃度和COD相對其他區域偏高，主要原因可能是該組采樣點分布的區域內，畜牧污染物、工業廢水隨地表徑流被帶入河水，對水質產生了較大干擾。TN濃度在組3中相對較高的原因可能與農業活動、生活排污等點源及非點源污染有關。而水溫則主要受海拔高程和采樣時刻的影響。

表5 主成分得分及排序Table 5 Scores and grades of the principal components

從得分排序情況來看，主成分1從小到大表現為上游上段＜上游下段＜中游，說明以EC、TDS、鹽度和TN濃度為綜合指標的水質在上游上段最佳，上游下段次之，中游最差；主成分2從小到大表現為上游下段＜中游＜上游上段，說明表征信息TP濃度、NH+4?N濃度及COD是影響上游上段水質變化的主要原因；主成分3的得分情況從小到大表現為上游下段＜上游上段＜中游，表明DO濃度和NO-2?N濃度對中游水質的影響程度較大；第4主成分則從小到大表現為中游＜上游下段＜上游上段，說明上游上段受pH值影響較大。主成分綜合得分情況從小到大表現為上游下段＜上游上段＜中游，說明春季枯水期黑河水質以上游下段最優，上游上段次之，中游最差。結合空間聚類分析結果來看，第3組采樣點代表的中游河段水質最差，其次為第1組，而第2組采樣點代表的區域水質狀況較好。這一結果也恰好反映出人類活動及自然屬性的特點：黑河的上游上段雖為產流區，但沿河分布的草場牧區以及礦產企業對河流產生不同程度的污染。上游下段屬于黑河梯級水電開發區，該區由于水庫沉積作用的影響，污染物顆粒被沉淀于庫底，因此改善了大壩下游河道中的水質狀況。而中游是流域內人口最密集的地區，受未處理農業徑流、生活污水及工業廢水排放的影響使得該河段水況沿程變差。

3 結論

（1）黑河水體總體上呈弱堿性，河水的TP濃度、COD、NH+4?N濃度、NO-2?N濃度較低，DO濃度較高，說明黑河水質較佳，且具有較強的自凈能力。但在中游河段出現TN濃度超標，EC和TDS、鹽度明顯升高的現象，表明河水可能遭受到氮素及溶解性鹽類的污染。

在這種保護與建立模式下，校園文化常常體現在?；?、校旗、校歌等校園文化載體上，并且常常伴有相關的校園文化紀錄片、舞臺劇等藝術文化作品的創作。同時學校還有可能不定期的舉辦相關的校園文化的藝術文化作品創作比賽，調動學生和老師的積極性，意在使其主動學習相關校園文化。

（2）由聚類分析和判別分析得出春季枯水期黑河水質采樣點在空間上被劃分為3類，分別對應河流的上游上段、上游下段以及中游段，并得出影響此分類結果的指標為水溫、TN濃度、COD和TP濃度。

（3）運用主成分分析共提取了4個主成分，從各主成分的得分情況可以看出，pH值、TP濃度、NH+4?N濃度和COD是影響上游上段水質變化的主要指標，而中游河段則受EC、TDS濃度、鹽度、TN濃度、DO濃度和NO-2?N濃度的影響較大。

圖12、圖13、圖14、圖15為不同開挖順序時的應力分布云圖。從中可以看出，兩種開挖方法最大應力值基本相同，巷道頂板和底板均出現拉應力區，巷道兩幫均出現壓應力區。無論是水平應力還是垂直應力，在巷道頂板和底板區域均表現出應力降低區。先開挖大斷面時最大壓應力區域比先開挖小斷面時大，先開挖大斷面時壓應力區主要在底板左側部分，而先開挖小斷面時壓應力區主要在底板中部，說明兩種開挖順序的第二步開挖對底板壓應力的分布有影響。

（4）綜合主成分得分排序表明，上游下段的水質最優，上游上段次之，中游最差，分別對應了聚類結果的第2類、第1類和第3類采樣點。表明在黑河水電梯級開發區，大壩對污染物的截留效應和阻隔效應改善了庫區下游河道中的水質狀況；而中游水質變差則可能與農業徑流、居民生活污水和工業廢水的排放等因素有關。另外，中游河面寬廣，流速緩慢，河道底泥深厚，水體受污染程度往往要比上游河道嚴重。