基于多元统计分析的澜沧江下游水质时空分布研究

Spatial-Temporal Distribution of Water Quality in the Lower Lancang River Based on Multivariate Statistical Analysis

摘要: 本文选取澜沧江下游糯扎渡、景洪库区至出境前关累河段8个断面，于2018年分丰平枯三季对该河段水体进行水质采样和实验检测，结果数据采用综合污染指数法和聚类分析进行水质评价以及时空差异研究。结论认为：1) 澜沧江下游水质达到Ⅲ类水环境标准，高锰酸钾指数、COD及BOD5浓度枯水期大于丰水期，氨氮、总氮和总磷浓度丰水期大于枯水期。空间聚类分析将8个断面分为三个聚类组，分别为景洪库区、糯扎渡库区及关累断面，其中景洪库区水质优于糯扎渡库区，关累断面水质最差，表明大坝对污染物具有一定的阻拦效应，关累断面水质受人类活动及经济社会发展影响较大。2) 季节分布上，澜沧江下游水质状况枯水期最优，丰水期最差，COD与BOD5可能是水质的主要限制因子。对比建坝前后水质状况，说明梯级电站建设不会导致水质恶化。以上结果可为水库环境管理及调控提供科学依据，亦可作为国际河流环境外交的文献参考。

Abstract: In this paper, eight sections were selected from Nuozhadu, Jinghong reservoir area to Guanlei in the lower reaches of the Lancang River to conduct water quality sampling and experimental detection for the high, normal, low flow seasons in 2018. The result data were evaluated by using the Comprehensive Pollution Index method and Cluster Analysis as well as the spatiotemporal difference study. Results show that: 1) the water quality reaches the standard III in the downstream of Lancang River; Potassium Permanganate Index, COD and BOD5 concentrations in dry season were higher than those in wet season, and Ammonia Nitrogen, Total Nitrogen and Total Phosphorus concentrations in wet season were higher than those in dry season. The GuanLei section has the worst water quality and the dam has a certain blocking effect on pollutants, which are greatly influenced by human activities and the economic and social development. 2) The water quality in the lower reaches of Lancang River is the best in the dry season and the worst in the wet season, and COD and BOD5 may be the main limiting factors of water quality. Comparison of water quality before and after dam construction shows that cascade hydropower station construction will not lead to deterioration of water quality. The above results could act as scientific basis for reservoir control and management, and also as a reference for international river environmental diplomacy.

1. 引言

水作为最重要的自然资源之一，为流域的社会经济发展提供了条件 [1]，水污染、水资源短缺、水生态安全等水资源问题严重制约了我国经济社会可持续发展，并威胁到人类和生态安全 [2]。河流水质状况有明显空间依赖性，不同时空尺度上水质数据之间存在不一样的相关性 [3]。

水质分析方法众多，研究表明多元统计分析方法是最有效的分析方法之一。Chitrakar等运用多元统计分析对马斯喀特沿海水域进行水质评价，发现海水总溶解固体、氧水平和化学需氧量等因子是影响海水水质的主要水体参数 [4]。Varol运用多元统计分析结合水质指数评估多种因素影响下的苏尔古河水质，发现除水温外，其他参数均表现出明显季节变化，引起水质变化的参数主要与悬浮物、可溶性盐和营养物和有机物有关 [5]。彭福利等运用多元统计方法对官厅水库入库断面进行水质多指标评价，发现总磷仍是入库河流的重要污染指标 [6]。刘贤梅等利用主成分分析法对贵州省张维河进行了水质评价与时空特征分析，得出上游水质优于下游，枯水期污染情况比丰水期严重的结论 [7]。景朝霞等应用综合污染指数和层次聚类分析法探讨了汉江中下游水质时空变化规律，发现汉江中下游污染严重，营养盐尤其丰富 [8]。研究河流水质的时空变化特征能够为水环境有效管理提供动态信息，因此需要对河流系统进行长期监测和评价，以获得可靠信息，防止和控制河流污染。

澜沧江是全长4880公里澜沧江–湄公河的上游，随着澜沧江梯级水电站的修建、工业发展以及农业化肥的使用，澜沧江流域出现了水质下降等水环境问题 [9]。澜沧江流域人口、工业企业、城镇都集中在中下游地区，因此对下游水环境质量的监测评价有着重要意义。本文以澜沧江下游河段为研究区域。对澜沧江下游河段八个采样断面的丰水期、平水期、枯水期的6个水质指标进行测定分析，运用综合污染指数法与多元统计方法对其进行水质评价以及时空差异研究。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

澜沧江–湄公河发源于青海省唐古拉山脉，流经中国、缅甸、老挝、泰国、柬埔寨和越南6国，最终汇入南海，干流全长4880 km，流域面积81万km²，是东南亚地区最重要的国际河流，在中国境内长度约为2354 km [10]。本文研究区域为澜沧江下游糯扎渡电站库尾断面至出境前的关累断面，共设置8个采样断面，具体位置见图1。研究区属热带及南亚热带湿润季风气候区，长夏无冬，干湿季分明，日温差大，年温差小，基本无霜。年平均气温在18.6℃~21.9℃之间，年平均降水量1200~1700 mm，沟壑纵横，海拔差异大 [11]。

Figure 1. Study area and sampling plot

图1. 研究区及采样点图

2.2. 样品采集与分析

研究区域河段流经糯扎渡电站和景洪电站大坝，在研究区内选取8个采样断面。于2018年3月、7月和10月分季度对研究区进行样品采集，使用水质采样器采集表层水样品，并装入聚乙烯瓶中，运回实验室在4℃下保存。选取高锰酸钾指数、COD、BOD₅、氨氮、总氮、总磷六项水质指标进行测定分析。其中，高锰酸钾指数采用酸滴定法进行测定(GB11892-89)，化学需氧量采用快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)，五日生化需氧量采用稀释与接种法(GB7488-87)，氨氮采用纳式试剂分光光度法(HJ535-2009)，总磷采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)，总氮采用碱性过硫酸钾消解分光光度法进行测定(HJ636-2012) [12]。

2.3. 分析方法

2.3.1. 综合污染指数法

综合污染指数法可对各污染指标的浓度值无量纲化并加和，便于对不同空间，不同时间的河流水质进行比较 [13]。综合污染指数法先对各污染指标的相对污染指数进行统计，据此算出污染物的污染指数，根据污染指数可以判断出水体的污染程度及主要污染物 [14]。综合污染指数法的计算公式为：

$P_i=\frac{C_i}{S_i}$

$P=\frac{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{P}_i}}{n}$

式中，P_i为水质因子i的污染指数；C_i为水质因子i的实测浓度，mg/L；S_i为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中水质因子i的III类标准值，mg/L；P为综合污染指数；n为参评指标个数。

2.3.2. 聚类分析

系统聚类方法是一门多元统计分类法，是以欧式距离来衡量评价指标之间的差异性，将各指标分类并建立最小数据集 [15]。水质评价中常通过聚类监测时间或监测断面的位置，来分析流域水质的时空变化特征 [16]。本文利用origin软件采用系统聚类进行空间尺度的聚类分析，聚类方式采用ward法，距离测量方式采用平方欧式距离。

3. 结果与分析

3.1. 水质特征

图2显示了澜沧江下游丰水期、平水期及枯水期的水质数据特征。由图可以看出，丰、平、枯三期高猛酸钾指数平均值分别为1.4、1.6、1.9 mg/L，季节性差异不大，最大和最小值均在平水期，分别为0.61、1.6 mg/L；丰、平、枯三期COD的平均值分别为14、13、14 mg/L，最大值出现在丰水期，最小值出现在平水期，分别为18、10 mg/L；丰、平、枯三期BOD₅的平均值分别为2.5、2.4、2.8 mg/L，季节性差异不大，最大值最小值均出现在丰水期，分别为3.7、1.5 mg/L；丰、平、枯三期氨氮平均值分别为0.128、0.184、0.065 mg/L，季节性变化显著，最大值出现在平水期，最小值出现在枯水期，分别为0.526、0.012 mg/L；丰、平、枯三期总磷的平均值分别为0.028、0.023、0.018 mg/L，季节性差异不大，最大值最小值都出现在平水期，分别为0.053、0.003 mg/L；丰、平、枯三期总氮的平均值分别为0.688、0.602、0.137 mg/L，季节性差异显著，最大值出现在平水期，最小值出现在枯水期，分别为0.920、0.069 mg/L。总的来说，高锰酸钾指数、COD、BOD₅时间上表现为枯水期大于丰水期的规律，氨氮、总氮、总磷则在时间上体现为丰水期大于枯水期的变化规律。

3.2. 结合综合污染指数法的空间聚类分析

将不同采样时期和断面的高锰酸钾指数、COD、BOD₅、氨氮、总氮、总磷水质指标数据运用综合污染指数法进行水质评价，综合污染指数分级标准见表1 [17]，评价结果见表2。发现各时期各断面的水质状况都达到了地表水III类水质标准(GB3838-2002)。从各断面不同时期P值平均值可以看出，八个断面中，景洪坝上断面水质最好，关累断面水质最差。结合综合污染指数法与空间聚类分析的结果(见图3)可以看出，在平方欧式距离为15时可将采样断面在空间上分为3组，第一组为思茅港、景洪坝上、景洪坝下断面，属于景洪库区，综合污染指数平均值0.327；第二组为糯扎渡库尾、糯坝上、糯坝下，景临桥，都属于糯扎渡库区，综合污染指数平均值0.393；第三组为关累断面，综合污染指数平均值为0.447，属于澜沧江出境前断面。可以看出，景洪库区水质优于糯扎渡库区水质，关累断面水质最差。

Figure 2. Characteristics of water quality in lower reaches of the Lancang River

图2. 澜沧江下游水质特征

Table 1. Comprehensive pollution index classification standard

表1. 综合污染指数分级标准

Table 2. Comprehensive pollution index evaluation results

表2. 综合污染指数评价结果

Figure 3. Spatial clustering analysis results of sampling section

图3. 采样断面空间聚类分析结果

3.3. 季节分布特征

以往对澜沧江下游污染物时空分布特征都是对单个指标进行时间上的分析 [18] [19]。表3分析了在丰水期、平水期、枯水期三个不同阶段澜沧江主要污染物的P值。由表4可以看出，整体上来说，澜沧江下游水质状况枯水期最优，丰水期最差，同时可以发现COD与BOD₅是水质的主要限制因子。可能是由于丰水期时降雨量增加，许多污染物随着地表径流进入水体中，同时雨水径流的汇聚提高了水体的流动性，增加了水体的紊动程度，使得底部泥沙再悬浮，释放了部分污染物，导致丰水期时水质较差。

Table 3. P values of each index in each sampling period

表3. 各采样时期各指标P值

4. 讨论与结论

4.1. 讨论

从上述分析结果看来，澜沧江下游水质具有一定的时空差异性。高锰酸钾指数、COD、BOD₅时间上表现为枯水期大于丰水期的规律，这三个指标常用来反应有机耗氧类物质污染程度，不同季节水质变化主要受降水、温度、水文条件、水库运行方式等因素影响 [20]。枯水期时水库换水频率减弱，水力停留时间变长，且温度较低，微生物活动较弱，使得有机污染物不易被降解 [21]。而氨氮、总氮、总磷则在时间上体现为丰水期大于枯水期的变化规律，这些指标反映了水体的富营养化程度。水稻是澜沧江流域云南段的主要粮食作物之一 [22]，且主要种植时间在丰水期，残余的农药化肥在地表径流作用下汇入河流，导致营养盐浓度升高。

可以看出景洪库区水质优于糯扎渡库区水质，关累断面水质最差。而逐个分析两个大坝的坝上坝下断面水质时，发现坝上水质比坝下水质好，可能是由于坝上泥沙吸附污染物沉降至库底致使水体中浓度降低，而大坝在放水时会造成泥沙的再悬浮造成污染物的释放，导致坝下水体的水质相对坝上来说较差，说明糯扎渡大坝对污染物有着一定的阻拦效应 [23] [24]，这种阻拦作用可能是由于泥沙对污染物的吸附引起的。结合聚类分析和综合污染指数评价结果可知，关累断面的水质是三组中最差，可能是由于景洪大坝断面后的河段周边城市发展、人口增多、工农业发展所造成的 [25] [26]。

澜沧江拥有丰富的水电资源，水电的梯级开发对流域的水质产生了一定的影响。糯扎渡大坝和景洪大坝建设前，澜沧江下游多数年份水质为IV类和V类。出境处水质达不到III类标准，水质污染严重，恶化趋势显著 [27] (见表4)。本文研究发现澜沧江下游水质达到了III类水环境标准，说明梯级电站的建设不会导致干流水质恶化，且近年来，在政府及相关部门的努力下，外源污染物得到减少，水质状况得到改善。但大坝建成后阻挡了河流自由流动，破坏河流连续性，使得水力停留时间变长，容易导致库区水体富营养化 [28]。因此必须对流域干、支流给予充分的关注和控制，注意监测水库本身的水质变化，防止因累积效应形成二次污染。

4.2. 结论

1) 综合污染指数法的结果表明澜沧江下游水质整体上达到了地表水国家标准III类水水质要求。高锰酸钾指数、COD、BOD₅时间上表现为枯水期大于丰水期的规律，而氨氮、总氮、总磷则在时间上体现为丰水期大于枯水期的变化规律。

2) 空间聚类分析将八个采样断面分为三组，第一组为景洪库区，第二组为糯扎渡库区，第三组为关累断面。结合综合污染指数结果，发现景洪库区水质优于糯扎渡库区，关累断面水质最差。表明糯扎渡大坝对污染物具有一定的阻拦作用，这种阻拦作用可能是由于泥沙对污染物的吸附引起的。关累断面水质较差可能由于景洪大坝断面后的河段周边城市发展、人口增多、工农业发展所造成的。

3) 整体上来说，澜沧江下游水质状况为枯水期优于平水期优于丰水期。COD与BOD₅可能是水质的主要限制因子。

4) 大坝建设后，水质由IV、V类水质改善为III类水质，说明梯级电站的建设不会导致干流水质恶化，且近年来，在政府及相关部门的努力下，外源污染物得到减少，水质状况得到改善。但仍要注意库区水质变化情况，防止因累积效应形成二次污染。

Table 4. Water quality before and after dam construction in the lower reaches of Lancang River

表4. 澜沧江下游建坝前后水质状况

注：建坝前水质数据：张榆霞(2005)；建坝后2016年水质数据：李明月(2017)。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(42061006, 41561144012)。

参考文献