基于主成分分析的宜宾市长宁河水质时空分布特征及污染源解析

引言

随着经济社会快速发展，水环境污染问题日益突出，河流水质保护成为当前环境领域的研究热点。宜宾市长宁河作为长江上游重要支流，其水质状况直接影响长江流域水环境安全。近年来，随着沿岸工农业发展和城镇化进程加快，长宁河水质面临严峻挑战。因此，开展长宁河水质时空分布特征及污染源解析研究，对制定针对性的水污染防治措施具有重要意义。

主成分分析法（PCA）是一种常用的多元统计方法，能够将多个相关变量转化为少数几个不相关的主成分，从而简化数据结构，揭示数据内在规律。该方法在水质评价和污染源解析中具有独特优势，能够有效识别主要污染源及其贡献率。本研究将 PCA 方法应用于长宁河水质研究，旨在揭示其水质时空变化特征，明确主要污染来源，为流域水环境管理提供科学依据。

一、研究区域与研究方法

长宁河位于四川省宜宾市境内，是长江上游右岸一级支流，全长约120 公里，流域面积约 2000 平方公里。流域内地形复杂，上游为山区，中下游为丘陵和平原区。气候属亚热带季风气候，年均降水量约 1200mm。流域内主要土地利用类型包括农田、林地和建设用地，主要产业为农业、林业和轻工业。

本研究于 2020-2022 年期间，在长宁河干流及主要支流设置 15 个采样断面，涵盖上游源头区、中游农业区和下游城市区等不同功能区。采样频率为每月一次，连续监测三年。采样时记录水温、pH、溶解氧等现场参数，采集水样后立即冷藏保存，24 小时内送至实验室分析。检测指标包括常规水质参数（COD、BOD5、NH3-N、TP、TN 等）和重金属（As、Cd、Cr、Pb 等），共计 15 项指标。所有检测均按照国家环境保护标准方法进行，实验室分析过程实施严格的质量控制。

主成分分析借助 SPSS 26.0 软件完成。分析初始，先对原始数据标准化，消除量纲差异影响，确保数据一致性和可比性。接着，计算变量间相关系数矩阵，揭示变量关系，按特征值大于 1 的标准确定主成分个数，保留符合条件的主成分。确定主成分个数后，用方差最大化旋转法处理主成分，得到主成分载荷矩阵，以展示原始变量在主成分上的载荷，解释主成分物理意义和作用。

污染源贡献率计算采用 APCS - MLR 模型，它结合绝对主成分得分与多元线性回归。先计算绝对主成分得分量化样本表现，再用多元线性回归建立主成分得分与污染源贡献率的线性关系，实现准确估算。该方法能处理多变量数据，提供可靠且有解释力的结果，为环境管理和污染控制提供科学依据。

二、长宁河水质时空分布特征

长宁河水质呈现明显的时空分异特征。时间上，污染物浓度表现出季节性变化规律：营养盐（TN、TP）和有机污染物（COD、BOD5）在夏季（6-8 月）浓度最高，这与雨季农业面源污染加剧有关；而重金属污染物在枯水期（12-2 月）浓度相对较高，可能与枯水期水体自净能力下降和工业废水排放相对集中有关。空间上，上游源头区水质较好，主要污染物浓度普遍低于中下游；中游农业区 TN、TP 浓度显著升高，与化肥施用和畜禽养殖密切相关；下游城市段 COD、NH3-N 和重金属污染突出，主要受城市生活污水和工业废水排放影响。

水质指标间的相关性分析显示，COD 与 BOD5 呈高度正相关（ ⋅=0.87 ，p<0.01），表明有机污染主要来自可生物降解物质；TN 与TP 显著相关（ (r=0.72 ，p<0.01），反映农业面源污染的复合特征；部分重金属元素（如 Cd 与 Pb，r=0.65，p<0.01）存在协同变化趋势，可能具有同源性污染特征。这些相关性为后续主成分分析提供了重要基础。

三、基于主成分分析的污染源解析

主成分分析共提取出 4 个特征值大于 1 的主成分，累计方差贡献率达82.6%，能够较好地解释原始数据信息。旋转后的主成分载荷矩阵显示：第一主成分（PC1）在 TN、TP、COD 等指标上具有较高载荷，方差贡献率为 38.2%，代表农业面源污染；第二主成分（PC2）与NH3-N、BOD5 等指标密切相关，方差贡献率为 22.1%，反映生活污水污染；第三主成分（PC3）在重金属指标上载荷突出，方差贡献率为 14.5%，指示工业废水污染；第四主成分（PC4）与 pH、DO等物理指标相关，方差贡献率为7.8%，可能反映自然背景条件的影响。

APCS-MLR 模型计算结果显示，农业面源污染、生活污水和工业废水对长宁河水质污染的贡献率分别为 45.3%、28.7% 和 18.5%，自然背景贡献率为 7.5%。这一结果与流域内土地利用和产业分布特征相符：农业用地占流域总面积约40% ，主要分布在中游地区；城镇建设用地约占 15% ，集中在下游河段；工业区主要分布在宜宾市区附近的长宁河下游沿岸。

四、讨论

与邻近流域相比，长宁河污染特征与岷江、沱江等长江上游支流既有相似性也有差异。共同点是农业面源污染都是最主要的污染来源，这与西南地区普遍存在的坡耕地农业和分散式畜禽养殖模式有关。不同之处在于长宁河工业污染相对较轻，重金属污染程度明显低于沱江等传统工业集中区域，这可能得益于近年来宜宾市产业结构调整和污染企业关停并转政策的实施。

本研究结果对长宁河流域水环境管理具有重要指导意义。针对农业面源污染，建议推广生态农业技术，建设河岸缓冲带，控制化肥农药使用；对于生活污水污染，应加快完善城乡污水收集处理设施，提高污水处理率；针对工业污染，需要强化环境监管，严格执行排放标准，同时优化产业布局，推动清洁生产。此外，应建立流域水质监测预警系统，实施差异化、精细化的分区管控策略。

结论

本研究采用主成分分析方法系统解析了宜宾市长宁河水质的时空分布特征和污染来源，得出以下主要结论：（1）长宁河水质存在明显的时空分异，污染物浓度呈现季节性变化和上下游梯度差异；（2）农业面源污染是长宁河最主要的污染来源，其次是生活污水和工业废水；（3）主成分分析法能有效识别水体污染类型和来源，APCS-MLR 模型可量化各污染源的贡献率。研究成果为长宁河流域水污染防治提供了科学依据，建议采取分区分类的精准治理措施，优先控制农业面源污染，同时加强生活污水和工业废水治理。

未来研究可在以下方面进一步深入：延长监测时间序列以提高结果可靠性；增加新兴污染物（如抗生素、微塑料）的检测；结合同位素技术等更精确的源解析方法；开展流域水文过程与污染物迁移转化的耦合模拟研究。

参考文献

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