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摘 要：针对嫩江流域水污染及水资源管理问题，选取2016—2020年监测的嫩江干流9个断面，以单因子评价方法为基础，结合主成分分析对嫩江干流断面汛期及非汛期主要水质污染因子及水质类别进行综合评价。结果显示，2016—2020年嫩江干流断面水质总体较好，年际间呈现改善趋势;2018年非汛期水质变差，并于2019年恢复。主成分分析说明在这五年期间，对水质影响最大的指标为化学需氧量和高锰酸盐指数。不同方法评价结果略有差异，综合来看，各断面的水质在这5年中总体较好。
关键词：嫩江 省界缓冲区 水质评价 单因子评价 主成分分析
中图分类号：X824 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0124-04
Comprehensive Evaluation of Water Quality in Nenjiang River Mainstream
TONHNY1 LI Yufei1* WEI Yiheng2 ZHENG Guochen3
（1.School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang province， 150040 China;
2. College of Resources and Environment， Northeast Agricultural University， Harbin， Heilongjiang province， 150030 China; 3. Songliao River Basin Water Resources Protection Bureau， Changchun，
Jilin province， 130021 China）
Abstract： For the problems of water pollution and water resources management in the Nenjiang River basin， the main water pollution factors and water quality types from 2016 to 2020 of nine sections of Nenjiang River mainstream in flood season and non-flood season were evaluated by single factor evaluation and principal component analysis method. The results show that the water quality of the Nenjiang River mainstream is generally good from 2016 to 2020 and show an inter-annual improvement trend. The water quality of the non-flood season in 2018 deteriorated but it returned in 2019.By the principal component analysis， it were proved that indicators with the greatest impact on water quality were the Chemical oxygen demand and the permanganate in these five years. Thought the evaluation results of two methods are slightly different， Overall， the water quality of each section is better in the five years.
Key Words： Nenjiang River; Provincial boundary buffer; Water quality assessment; Single factor evaluation method; Principal component analysis
隨着社会经济发展、水资源供需矛盾日趋严重，尤其是流域跨界水污染问题突出，管理部门日益关注。省界缓冲区是流域管理的重要环节，主要是为了协调省际间用水关系，分清跨省污染责任，加强流域水资源的污染防治，对促进流域经济发展大有裨益。连续开展省界缓冲区河流断面污染程度的评估，有助于确定上下游及临省的水资源管理。本文选取嫩江干流断面2016年以来的水质监测数据，采用单因子评价和主成分分析评价“十三五”期间水质情况，为完善嫩江干流水质监测及评价，实现水资源保护提供技术支撑。
1 嫩江基本情况
嫩江为松花江北源，流经黑龙江、吉林和内蒙古，在肇源县三岔河附近与松花江南源第二松花江汇合后，流入松花江干流[1]。嫩江干流沿线有中国重要的林区、农牧区和水产基地[2]。“十二五”期间，对嫩江干流省界缓冲区已经做了一系列水质评估工作，如聂长旭[3]对2007—2017年间嫩江流域省界缓冲区的冰封期和非冰封期水质状况进行了系统评价。张静波[4]采用单因子评价法评价嫩江干流省界缓冲区2011—2015 年的水质。 1 评价范围及方法
1.1取样点位置
选取嫩江干流9个断面分别为石灰窑、嫩江浮桥、繁荣新村、尼尔基大桥、小莫丁、拉哈、鄂温克族乡、莫呼渡口、江桥。
1.2 水质评价指标
理化指标包括2016—2020年以上9个断面溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（PMI）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）共6项（2020年因未采集到尼尔基大桥、小莫丁和莫呼渡口的水样，不参与评价）。
1.3 水质评价方法和标准
单因子评价[5]、主成分分析[6]、聚类分析[7-8]，评价标准参照《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）。
2 嫩江干流水质评价分析
2.1 单因子评价
嫩江流域主要降水期在6～9月，降水量年内分配不均匀，年际变化较大，最大年降水量为 937.4mm，最小年降水量为152.5mm[9]。根据嫩江干流断面指标进行单因子评价，选取每个断面全年、汛期和非汛期的水质指标均值进行评价，结果如表1。
（断面序号：1石灰窑2嫩江浮桥3繁荣新村4尼尔基大桥5小莫丁6拉哈7鄂温克族乡8莫呼渡口9江桥）
从表1中可以看出，嫩江干流从2016—2020年符合或者优于Ⅲ类水体的断面个数依次， 全年水质为8个、9个、8个、9个和6个（其中 2020年无4、5与8号断面的水样，故参评断面只有6个），占参评断面个数百分比依次为88.89%、100%、88.89%、100%和100%。 汛期水质均为6个，占参评断面个数百分比依次为66.67%、66.67%、66.67%、66.67%和100%。非汛期依次为8个、9个、5个、9个和6个，占参评断面个数百分比依次为88.89%、100%、55.56%、100%和100%。
除2016年和2017年有一个断面没有达标外，其他的时间嫩江干流全年主要断面水质评价均达标，评价结果良好，存在部分年份内指标超出标准较多的情况。
汛期的水质稳定，1、2、3和9号断面在2020年汛期的水质类别均优于2016年，整体呈现改善趋势，9号断面五年汛期水质较好，4-8号断面汛期水质处于中等，1-3号断面汛期水质较差。非汛期水质有所波动，总体稳定。2020年1和9号断面非汛期水质较2016年有所改善，江桥断面非汛期水质整体较好，2-7号断面非汛期水质在2018年均出现下降，在2019年又恢复到原来水平。
单因子评价遵循最差原则，即以指标连续监测数据中最差的为判断依据，对整体水质的整体评估较差，不能客观真实地反映水质优劣，因而，有必要采用多种方法进行综合评价。
2.2 主成分分析
2.2.1 嫩江干流断面汛期主成分分析
使用spss23.0软件对2016—2020年嫩江干流汛期的水质参数数据进行主成分分析，得到如下结果。
对表2嫩江干流9个断面5年汛期数据的主成分分析后， 每个初始变量都可以被因子变量完全解释，因此共同度都为1。从表3成分矩阵中可以看出，COD、PMI和NH3-N观测值在第一主成分中占主要解释部分，BOD5和TP在第二主成分中的占比较大，溶解氧主要为第三主成分起到解释作用。
根据因子的得分计算综合得分，按照各个因子的方差比重乘以各个因子得分求和进行计算，综合得分越高说明断面污染越严重，水质越差。因此，得出断面水质综合得分以及排序，选择五年内的得分最大值，如表4所示。
表4说明2016—2020年汛期水质最好的断面有5和9号断面，水质中等的断面有4、3、6和8号，水质最差的断面有1、2和7号。综合得分平均值说明2016—2020年汛期水质最好的断面有5、6和9号，水质中等的断面有4、7和8号，水质最差的断面有1、2和3号。
综合最大值和平均值排名来看，嫩江干流2016—2020年汛期水质较好的断面有4-9号，水质较差的断面有1、2和3号。
2.2.2 2016—2020非汛期的主成分分析
当采用特征值大于1提取主成分的方法时，由于只有两个主成分时，累计贡献率只有68.723%，并不能很好地代表大部分数据，因此调整为手动提取3个主成分因子。
表5可以看出，对第一主成分解释最多的是PMI、BOD5和COD，第二主成分主要被DO和TP解释，第三主成分所代表的指标主要为NH3-N。因此，得出断面水质综合得分以及排序，选择五年内的得分最大值和平均值，如表6所示。
综合得分最大值表明，2016—2020年非汛期水质最好的断面有2、3和9号，水质中等的断面有1、4、5和6号，水质最差的断面有7和8号。综合得分平均值表明，2016—2020年非汛期水质最好的断面有1、2和9号，水质中等的断面有3、6和8号，水质最差的断面有4、5和7号。
3 结论
应用单因子评价、主成分分析方法，对嫩江干流9个断面2016—2020年汛期和非汛期水质进行分析，得出以下结论。
（1）2016—2020年嫩江干流断面水质总体较好，年际间呈现改善趋势。大多断面在2018年非汛期水质有降低，并于2019年恢复。
（2）主成分分析说明在这5年期间，对水质影响最大的指标为化学需氧量和高锰酸盐指数。
参考文献
[1] 胡朋瑞.嫩江流域水资源调度决策支持系统设计与开发[D].大连：大连理工大学，2019.
[2] 关博文.嫩江重要省界缓冲区水质评价方法研究[D].哈尔滨：东北林業大学，2017.
[3] 聂长旭，刘莹，郑国臣，等.基于多元统计方法评价嫩江流域省界缓冲区水质[J].黑龙江大学自然科学学报，2020，37（3）：333-339.
[4] 张静波，姜厚竹，张继民，等.嫩江干流典型省界缓冲区水质状况分析[J].水资源保护，2016，32（1）：97-100.
[5] 李光，李晓红，叶海斌，等.威海市崮山水库水质分析及富营养化评价[J].中国海洋大学学报：自然科学版，2017，47（12）：80-87
[6] 林涛，朱生亮，江波，等.基于主成分分析法的贵阳市百花湖流域河流水质评价[J].绿色科技，2020（10）：25-27.
[7] 薛伟锋，褚莹倩，吕莹，等.基于主成分分析和模糊综合评价的地下水水质评价——以大连市为例[J].环境保护科学，2020，46（5）：87-92.
[8] 张怡.基于SPSS数据分析中国主要省市的农林牧副渔业产值大小[J].软件，2019，40（1）：159-165.
[9] 胡朋瑞.嫩江流域水资源调度决策支持系统设计与开发[D].大连：大连理工大学，2019.
关键词：嫩江 省界缓冲区 水质评价 单因子评价 主成分分析
中图分类号：X824 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0124-04
Comprehensive Evaluation of Water Quality in Nenjiang River Mainstream
TONHNY1 LI Yufei1* WEI Yiheng2 ZHENG Guochen3
（1.School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang province， 150040 China;
2. College of Resources and Environment， Northeast Agricultural University， Harbin， Heilongjiang province， 150030 China; 3. Songliao River Basin Water Resources Protection Bureau， Changchun，
Jilin province， 130021 China）
Abstract： For the problems of water pollution and water resources management in the Nenjiang River basin， the main water pollution factors and water quality types from 2016 to 2020 of nine sections of Nenjiang River mainstream in flood season and non-flood season were evaluated by single factor evaluation and principal component analysis method. The results show that the water quality of the Nenjiang River mainstream is generally good from 2016 to 2020 and show an inter-annual improvement trend. The water quality of the non-flood season in 2018 deteriorated but it returned in 2019.By the principal component analysis， it were proved that indicators with the greatest impact on water quality were the Chemical oxygen demand and the permanganate in these five years. Thought the evaluation results of two methods are slightly different， Overall， the water quality of each section is better in the five years.
Key Words： Nenjiang River; Provincial boundary buffer; Water quality assessment; Single factor evaluation method; Principal component analysis
隨着社会经济发展、水资源供需矛盾日趋严重，尤其是流域跨界水污染问题突出，管理部门日益关注。省界缓冲区是流域管理的重要环节，主要是为了协调省际间用水关系，分清跨省污染责任，加强流域水资源的污染防治，对促进流域经济发展大有裨益。连续开展省界缓冲区河流断面污染程度的评估，有助于确定上下游及临省的水资源管理。本文选取嫩江干流断面2016年以来的水质监测数据，采用单因子评价和主成分分析评价“十三五”期间水质情况，为完善嫩江干流水质监测及评价，实现水资源保护提供技术支撑。
1 嫩江基本情况
嫩江为松花江北源，流经黑龙江、吉林和内蒙古，在肇源县三岔河附近与松花江南源第二松花江汇合后，流入松花江干流[1]。嫩江干流沿线有中国重要的林区、农牧区和水产基地[2]。“十二五”期间，对嫩江干流省界缓冲区已经做了一系列水质评估工作，如聂长旭[3]对2007—2017年间嫩江流域省界缓冲区的冰封期和非冰封期水质状况进行了系统评价。张静波[4]采用单因子评价法评价嫩江干流省界缓冲区2011—2015 年的水质。 1 评价范围及方法
1.1取样点位置
选取嫩江干流9个断面分别为石灰窑、嫩江浮桥、繁荣新村、尼尔基大桥、小莫丁、拉哈、鄂温克族乡、莫呼渡口、江桥。
1.2 水质评价指标
理化指标包括2016—2020年以上9个断面溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（PMI）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）共6项（2020年因未采集到尼尔基大桥、小莫丁和莫呼渡口的水样，不参与评价）。
1.3 水质评价方法和标准
单因子评价[5]、主成分分析[6]、聚类分析[7-8]，评价标准参照《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）。
2 嫩江干流水质评价分析
2.1 单因子评价
嫩江流域主要降水期在6～9月，降水量年内分配不均匀，年际变化较大，最大年降水量为 937.4mm，最小年降水量为152.5mm[9]。根据嫩江干流断面指标进行单因子评价，选取每个断面全年、汛期和非汛期的水质指标均值进行评价，结果如表1。
（断面序号：1石灰窑2嫩江浮桥3繁荣新村4尼尔基大桥5小莫丁6拉哈7鄂温克族乡8莫呼渡口9江桥）
从表1中可以看出，嫩江干流从2016—2020年符合或者优于Ⅲ类水体的断面个数依次， 全年水质为8个、9个、8个、9个和6个（其中 2020年无4、5与8号断面的水样，故参评断面只有6个），占参评断面个数百分比依次为88.89%、100%、88.89%、100%和100%。 汛期水质均为6个，占参评断面个数百分比依次为66.67%、66.67%、66.67%、66.67%和100%。非汛期依次为8个、9个、5个、9个和6个，占参评断面个数百分比依次为88.89%、100%、55.56%、100%和100%。
除2016年和2017年有一个断面没有达标外，其他的时间嫩江干流全年主要断面水质评价均达标，评价结果良好，存在部分年份内指标超出标准较多的情况。
汛期的水质稳定，1、2、3和9号断面在2020年汛期的水质类别均优于2016年，整体呈现改善趋势，9号断面五年汛期水质较好，4-8号断面汛期水质处于中等，1-3号断面汛期水质较差。非汛期水质有所波动，总体稳定。2020年1和9号断面非汛期水质较2016年有所改善，江桥断面非汛期水质整体较好，2-7号断面非汛期水质在2018年均出现下降，在2019年又恢复到原来水平。
单因子评价遵循最差原则，即以指标连续监测数据中最差的为判断依据，对整体水质的整体评估较差，不能客观真实地反映水质优劣，因而，有必要采用多种方法进行综合评价。
2.2 主成分分析
2.2.1 嫩江干流断面汛期主成分分析
使用spss23.0软件对2016—2020年嫩江干流汛期的水质参数数据进行主成分分析，得到如下结果。
对表2嫩江干流9个断面5年汛期数据的主成分分析后， 每个初始变量都可以被因子变量完全解释，因此共同度都为1。从表3成分矩阵中可以看出，COD、PMI和NH3-N观测值在第一主成分中占主要解释部分，BOD5和TP在第二主成分中的占比较大，溶解氧主要为第三主成分起到解释作用。
根据因子的得分计算综合得分，按照各个因子的方差比重乘以各个因子得分求和进行计算，综合得分越高说明断面污染越严重，水质越差。因此，得出断面水质综合得分以及排序，选择五年内的得分最大值，如表4所示。
表4说明2016—2020年汛期水质最好的断面有5和9号断面，水质中等的断面有4、3、6和8号，水质最差的断面有1、2和7号。综合得分平均值说明2016—2020年汛期水质最好的断面有5、6和9号，水质中等的断面有4、7和8号，水质最差的断面有1、2和3号。
综合最大值和平均值排名来看，嫩江干流2016—2020年汛期水质较好的断面有4-9号，水质较差的断面有1、2和3号。
2.2.2 2016—2020非汛期的主成分分析
当采用特征值大于1提取主成分的方法时，由于只有两个主成分时，累计贡献率只有68.723%，并不能很好地代表大部分数据，因此调整为手动提取3个主成分因子。
表5可以看出，对第一主成分解释最多的是PMI、BOD5和COD，第二主成分主要被DO和TP解释，第三主成分所代表的指标主要为NH3-N。因此，得出断面水质综合得分以及排序，选择五年内的得分最大值和平均值，如表6所示。
综合得分最大值表明，2016—2020年非汛期水质最好的断面有2、3和9号，水质中等的断面有1、4、5和6号，水质最差的断面有7和8号。综合得分平均值表明，2016—2020年非汛期水质最好的断面有1、2和9号，水质中等的断面有3、6和8号，水质最差的断面有4、5和7号。
3 结论
应用单因子评价、主成分分析方法，对嫩江干流9个断面2016—2020年汛期和非汛期水质进行分析，得出以下结论。
（1）2016—2020年嫩江干流断面水质总体较好，年际间呈现改善趋势。大多断面在2018年非汛期水质有降低，并于2019年恢复。
（2）主成分分析说明在这5年期间，对水质影响最大的指标为化学需氧量和高锰酸盐指数。
参考文献
[1] 胡朋瑞.嫩江流域水资源调度决策支持系统设计与开发[D].大连：大连理工大学，2019.
[2] 关博文.嫩江重要省界缓冲区水质评价方法研究[D].哈尔滨：东北林業大学，2017.
[3] 聂长旭，刘莹，郑国臣，等.基于多元统计方法评价嫩江流域省界缓冲区水质[J].黑龙江大学自然科学学报，2020，37（3）：333-339.
[4] 张静波，姜厚竹，张继民，等.嫩江干流典型省界缓冲区水质状况分析[J].水资源保护，2016，32（1）：97-100.
[5] 李光，李晓红，叶海斌，等.威海市崮山水库水质分析及富营养化评价[J].中国海洋大学学报：自然科学版，2017，47（12）：80-87
[6] 林涛，朱生亮，江波，等.基于主成分分析法的贵阳市百花湖流域河流水质评价[J].绿色科技，2020（10）：25-27.
[7] 薛伟锋，褚莹倩，吕莹，等.基于主成分分析和模糊综合评价的地下水水质评价——以大连市为例[J].环境保护科学，2020，46（5）：87-92.
[8] 张怡.基于SPSS数据分析中国主要省市的农林牧副渔业产值大小[J].软件，2019，40（1）：159-165.
[9] 胡朋瑞.嫩江流域水资源调度决策支持系统设计与开发[D].大连：大连理工大学，2019.