基于主成分分析法和綜合污染指數法的烏魯木齊河灌區農田灌溉水質量分析與評價

韓芹芹，李 凡，王 濤，張守斌

(1.烏魯木齊市環境監測中心站，新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區自然資源廳機關服務中心，新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830002 3.中國環境監測總站，北京 100012)

隨著土壤鹽漬化、次生鹽漬化問題的不斷加劇，農業灌溉用水的質量成為制約干旱區農業發展的一個重大問題[1]。烏魯木齊市是新疆維吾爾自治區的首府，地處亞歐大陸腹地，屬干旱半干旱區，氣候干燥，水資源極度匱乏。近年來，全市經濟社會迅猛發展，城市建成區逐年擴展，截至2019年，建成區面積已達458.36 km2，常駐人口也較10年前增長了近70%達355.2萬[2]。農田灌溉水質是提高農產品質量、保障食品安全、確保人民群眾身體健康的關鍵，也是提升土壤環境質量、推行綠色農業的重要因素[3]。

為貫徹落實《農業農村污染治理攻堅戰行動計劃》，按《全國農村環境質量試點監測技術方案》、生態環境部《2019年國家生態環境監測方案》及新疆維吾爾自治區生態環境監測工作方案的相關要求，烏魯木齊市生態環境部門于2019年年初對轄區內0.66萬hm2及以上農田灌區開展了摸底調查工作，并選擇烏魯木齊河灌區作為烏魯木齊市農田灌溉水質監測范圍，于2019年開始在每年的灌溉季對農田灌溉水水質開展監測工作。本文對烏魯木齊河灌區農田灌溉水質常規監測數據進行分析和評價，為烏魯木齊市農業安全生產提供科學依據，并為有效改善農業灌溉水質提供切實可行的途徑。

1 監測概況

1.1 監測區域及點位概況

烏魯木齊河灌區農田灌溉水質監測范圍是位于烏魯木齊縣境內的、灌區規模達1.3萬hm2的烏魯木齊河灌區，以烏魯木齊河水系的來水作為唯一的灌溉水來源，烏魯木齊河水系屬內陸河系，水源補給主要來自大氣降水和冰川融雪，位于新疆天山北坡中段、準噶爾盆地南緣，發源于中天山天格爾峰北坡的1號冰川，受構造控制，在躍進橋以上，支流經向發育，干流西東流向，躍進橋以下，支流緯向發育，干流轉折為南北流向，經后峽、前峽進烏拉泊洼地，穿越烏魯木齊市區，經五家渠，最后流入古爾班通古特沙漠南緣東道海子，全長約213 km，流域面積5 000 km2。從河源至溝口(西白楊溝匯入口)為上游，稱大西溝，長62.6 km，流域面積1 070 km2，位于溝口以上9.8 km處的英雄橋水文站多年平均徑流量2.44億m3，集水面積924 km2；溝口至猛進水庫為中游，稱烏魯木齊河，長約80km；猛進水庫以北為下游，稱老龍河，長70 km[4]。兩岸分布有烏魯木齊主要農業區，其控制灌溉面積達1.3萬hm2，是農業、城市生活及工業生產的主要供水水源。烏魯木齊河灌區最大的河流大西溝，多年平均徑流量為2.35×108m3，河水在大西溝出山口后，一部分被引入黃草梁子渠和公勝渠，大部分被引入青年渠，河水多年平均徑流量是1.64×108m3，河水攔蓄于烏拉泊、紅雁池水庫，由東西和平渠輸往各灌區，南山分布還有大西溝、東西白楊溝、陰溝、半截溝、沙溝和板房溝等常年性河流，匯入烏魯木齊河。

烏魯木齊河灌溉區屬于非鹽堿土地，灌溉作物主要包括一年一熟的薯類、油料和小麥等旱作作物，灌溉期集中在每年的5～10月。按照《農用水源環境質量監測技術規范》(NY/Y396-2000)中“4.2.2.3影響農區的河流、湖(庫)等水源監測布點方法”之“a”)當河水被引用灌溉農田時，為了監測河水水質情況，至少應在灌溉渠首附近的河流斷面設置一個監測點”的要求，監測點位布設在烏魯木齊河英雄橋斷面處。

1.2 監測項目

1.2.1原有控制項目

2005版《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)(以下簡稱《標準》)實施以來，在規范農田灌溉水質、確保農用地土壤環境質量和農產品安全等方面發揮了重要作用，該版《標準》包括16項基本控制項目和11項選擇控制項目(共計27項)。烏魯木齊河英雄橋斷面也是國家地表水監測網中的國控斷面，常規監測指標已包括《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)表1中24項基本項目和表2中的“硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽”3個補充項目。因此，自2019年以來，在每年灌溉期的兩次監測中(兩次監測時間至少間隔1個月以上)，除河流常規監測中和農田灌溉水質監測中相一致的項目外，還分別補充監測了全鹽量和蛔蟲卵數這兩個基本控制項目。

1.2.2新增有機控制項目

近年來，隨著我國農業農村經濟社會發展和《土壤污染防治法》《水污染防治法》和《土壤污染防治行動計劃》的深入實施，為防止農田灌溉用水污染土壤、地下水和農產品，對修訂灌溉用水中有毒有害物質限量、制定農田灌溉用水水質標準及明確實施與監督管理責任的主體均提出了新的要求。自2021年7月1日起正式施行的《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)，在繼續保持了2005版中原有的共計27項基本和選擇控制項目的基礎上，修訂、整合并新增了《灌溉水中氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、硝基苯限量》(GB 22573-2008)和《灌溉水中甲苯、二甲苯、異丙苯、苯酚和苯胺限量》(GB 22574-2008)這2個國家強制性標準中的8項有毒污染控制項目，即氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、硝基苯、甲苯、二甲苯、異丙苯和苯胺，以防范環境風險。

因灌溉水源烏魯木齊河的河水經過英雄橋斷面下游的石門子渠首由專用渠道通過暗渠給位于烏魯木齊河中游的烏拉泊水庫供水，該水庫也是地表飲用水源地(五、八水廠)的補給水源，根據國家環境保護總局文件《關于印發〈城市集中式飲用水源地水質監測、評價與公布方案〉的通知》(環發〔2002〕144號)要求，該水源地已對《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)表3有機特定項目開展常規監測工作，其中包括2021版《農田灌溉水質標準》(GB5084-2021)中新增的8項有毒污染控制項目。

1.3 分析方法與質量控制

水質樣品的采集、保存及質量保證措施均參照《環境監測方法標準實用手冊》[5]和《環境水質監測質量保證手冊》[6]的技術要求執行，以手工監測為主，按《環境監測技術規范(水和廢水部分)》和《環境水質監測質量保證手冊》的技術要求執行，樣品分析參照《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)、《全國重點城市飲用水源地監測調查作業指導書》《水和廢水監測分析方法》(第四版)以及《生活飲用水標準檢驗方法》(GB/T5750-2006)。

采用國家環境保護部標準樣品研究所提供的標準樣品進行質量控制，為確保數據的準確性，采取10%的平行雙樣和20%加標回收等措施進行質量控制，相對標準偏差(RSD)均<10%，符合標準要求。整個分析過程所用試劑均為優級純，實驗用水均為亞沸水。監測結果低于監測方法的最低檢出限時，按《水環境監測規范》(SL219-2018)的規定，以1/2最低檢出限參加統計處理。

2 評價標準和方法

評價標準執行《農田灌溉水質標準》(GB5084-2021)中規定的旱地作物的基本控制項目和選擇控制項目限值要求，同時作為地表水國控斷面，還需執行《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅱ類(飲用水源地一級保護區)標準限值要求。

評價方法參照《地表水環境質量評價辦法(試行)》(環辦〔2011〕22號)執行，采用單因子指數法和綜合污染指數評價法進行水質評價和分析。單因子指數法：根據評價時段內該斷面參評的指標中所屬水質類別最高的一項來確定水體綜合水質類別。綜合污染指數法計算公式如下：

式中：Ci和Si分別為某i項指標實測濃度和參比值(對應的標準限值)，Pi為單項污染指數，P綜為綜合污染指數。指數分級可參照《食用農產品產地環境質量評價標準》(HJ/T332-2006)中對灌溉水質量指數的劃定，詳見表1。

表1 灌溉水污染指數分級

3 水質評價結果

3.1 原有控制項目評價結果

保證標準體系的整體性、協調性是2021版《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)的修訂原則之一，因《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)中基本和選擇控制項目限值與《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)適用于農業用水的指標限值(即地表水V類標準限值)相銜接，故分別以《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)飲用水源保護區標準限值和《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)旱地作物控制項目標準限值作為指標參比值，計算《標準》中原有基本和選擇控制項目單項污染指數(Pi1和Pi2)及綜合污染指數(P綜1和P綜2)，詳見表2。

表2 2019～2021年烏魯木齊河灌區農田灌溉水質監測結果統計

續表

按照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，除2019年灌溉期達到Ⅱ類標準限值外，2020～2021年灌溉期全部達到Ⅰ類標準限值要求，水質狀況全部為優，P綜1在0.11～0.17之間，均屬于“清潔”等級。按照《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)，2019～2021年灌溉期，參與評價的基本和選擇控制項目全部達到旱地作物標準限值要求，P綜2在0.07～0.10之間，均屬于“清潔”等級。

3.2 新增控制項目評價結果

2019～2021年灌溉期，以灌溉水源烏魯木齊河的河水作為補給水源的地表飲用水源地(五、八水廠)的8項有毒污染控制項目評價結果詳見表3。

表3 2019～2021年灌溉期烏魯木齊市地表飲用水源地特定項目監測結果統計

監測結果顯示：2019～2021年灌溉期，地表飲用水源地的8項有毒污染控制項目總檢出率14.0%，檢出率最高的是甲苯，達到66.7%，其次是二甲苯、氯苯、1，2-二氯苯和1，4-二氯苯，檢出率均為16.7%，檢出濃度均達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)特定項目標準限值要求，同時也達到《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)旱地作物選擇控制項目標準限值要求，其余項目均未檢出。

4 水質主成分分析法篩選主要污染指標

每個水質指標都是從某一方面反映了水質的情況，各個水質指標之間一般又會具有一定程度的相關性。要依據這些水質指標做出綜合評價，同時還要避免各類指標之間的互相干擾。采用在指標權重選取方面具有一定優越性的主成分分析法，在保證原始數據信息量損失最小的前提下，通過降維產生的新變量對原始的變量因素進行簡化和提取，使原有變量所代表的信息更集中、更典型地體現出來，達到簡化數據和提高分析結果的可靠性的目的。

烏魯木齊河英雄橋斷面位于烏魯木齊河中游，在整個烏魯木齊河灌區監測體系中起著重要作用，因此，結合2019年以來烏魯木齊河英雄橋斷面逐月常規監測數據，選取反映水體狀況電導率(X1)、化學需氧量(X2)、高錳酸鹽指數(X3)、五日生化需氧量(X4)、硫酸鹽(X5)、氯化物(X6)、氟化物(X7)、銅(X8)、鋅(X9)、鎘(X10)、鉛(X11)等11項指標進行主成分分析，判斷烏魯木齊河灌區主要污染控制指標。

利用SPSS16.0統計分析軟件，對所選取的水質參數先進行標準化處理，得到相關系數矩陣，詳見表4。

從相關系數矩陣中可以看出，大部分相關系數大于0.3，相關性分析結果顯示：電導率與氟化物、鉛呈極強正相關，化學需氧量與五日生化需氧量、鎘呈強正相關，高錳酸鹽指數和硫酸鹽、氯化物、氟化物、銅、鋅呈中等相關，硫酸鹽和氯化物呈極強正相關，可見變量之間的直接相關性比較強，在信息上存在重疊，這些原始變量適合進行因子分析。

將標準化處理后的樣本數據輸入SPSS16.0軟件，可以得到樣本的KMO抽樣充足性檢驗，Bartlett's球形檢驗。一般而言，KMO值越接近1越適合做因子分析，本文KMO值0.537>0.5，適合做因子分析。Bartlett's球形檢驗用來檢驗變量之間的相關性，樣本顯著性水平sig小于0.05，各變量之間有較強的相關性，適合做因子分析。提取主成分，建立初始因子載荷矩陣，解釋主成分，詳見表5。

表4 烏魯木齊河水質相關系數矩陣

表5 水質指標方差分解主成分提取分析表

主成分個數提取的原則是主成分對應的特征值λ>1的前m個主成分，特征值λ可視為表示主成分影響力度大小的指標，若λ<1，則該主成分的解釋力度不夠。由表5可見，特征值λ>1時，11個水質指標中提取的4個主成分已提供了原有信息的82.312%，可確定應提取4個主成分，λ1=3.579，λ2=2.343，λ3=1.926，λ4=1.206，第一主成分F1的貢獻率22.977%，反映的信息量最大，與其關聯的主要是電導率、鉛和氟化物，因子載荷量分別為0.966、0.920和0.832，反映的主要是理化指標與無機陰離子[7]污染狀況，新疆本屬于高氟地區[8]，水中氟化物受本底影響顯著。

第二主成分F2的貢獻率22.902%，關聯的主要是化學需氧量、五日生化需氧量和鎘，因子載荷量分別為0.902、0.894和0.885，反映的主要是營養鹽及有機污染指標[7]及金屬類指標污染狀況。烏魯木齊河上游沿岸附近農業生產中大量使用有機肥料，以及部分有機農藥和化肥隨降雨徑流入河中，農業面源污染依然存在。

第三主成分F3貢獻率18.519%，關聯的主要是硫酸鹽和氯化物，因子載荷量分別為0.955和0.771，反映的是鹽分指標[7]污染狀況。烏魯木齊市原生土壤普遍含鹽，加之地下徑流和鹽分缺乏出路，而且氣候干旱、降雨少、蒸發強烈，在地質內部進行著強烈的積鹽過程，受儲水介質及當地的地質化學結構的影響，烏魯木齊河水長期接觸這種化學性質的地質結構的過程中溶進了上述溶解鹽類[9～10]。

第四主成分F4貢獻率17.914%，關聯的主要是銅和鋅，因子載荷量分別為0.869和0.790，反映的是金屬類指標[7]污染狀況。

表6 水質指標主成分得分系數矩陣

結合《地表水環境質量評價辦法(試行)》(環辦〔2011〕22號)，扣除烏魯木齊河灌區水質本底影響指標無機陰離子氟化物、鹽分指標硫酸鹽和氯化物，由指標排名確定烏魯木齊河灌區主要控制指標為營養鹽及有機污染指標的高錳酸鹽指數、化學需氧量和五日生化需氧量，這三項指標都是用來反映水中有機污染程度的重要水質指標。由于分析測試中所利用的氧化劑的氧化強度不同，三者所反映的污染物成分不同[11]。高錳酸鹽指數反映了水中部分有機物及還原性無機物污染的程度，化學需氧量反映了水中能被強氧化劑氧化的物質(各種有機物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等，但以有機物為主)的污染程度，五日生化需氧量則反映了水中可被微生物氧化分解的有機物質污染的程度。

結合2019～2021年烏魯木齊河英雄橋斷面常規監測數據，按枯水期(1、2、3、11、12月)、平水期(4、5、9、10月)和豐水期(6、7、8月)進行河流水期分類，不同水期三種指標濃度變化趨勢分布詳見圖1。由圖1所示，2019～2021年，化學需氧量濃度均遠遠高于其他污染指標濃度，化學需氧量濃度2020年呈小幅升高趨勢，2021年又有所下降；各年份各水期污染物濃度排序基本為枯水期>平水期>豐水期。主要污染指標水期變化特征與河流年徑流量存在一定的關聯，烏魯木齊河年徑流量變化主要受降水的影響，烏魯木齊河上游出山口徑流的年際變化相對穩定，但年內分配極不平衡，其中夏季徑流量最大，其他各月徑流量只占全年不到40%[12]。因此，處于夏季的豐水期因徑流量大引起污染物的稀釋，豐水期濃度低于其他各水期，枯水期徑流量最小，污染物富集后濃度高于其他各水期。

金兵[13]對烏魯木齊河上、中、下游水質進行綜合研究表明，化學需氧量等營養鹽類有機污染物是主要污染源，與本文研究結論保持一致，烏魯木齊河上游的工業活動、生活污水排放、水土流失是造成河道污染的主要原因[4]。

5 結果和討論

5.1 主要結論

2019～2021年灌溉期，烏魯木齊市農田灌溉水質原有控制項目按照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，除2019年灌溉期達到Ⅱ類標準限值要求外，2020～2021年灌溉期全部達到Ⅰ類標準限值要求，水質狀況全部為優，均屬于“清潔”等級。按照《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)，參與評價的基本和選擇控制項目全部達到旱地作物標準限值要求，均屬于“清潔”等級。

2019～2021年灌溉期，以灌溉水源烏魯木齊河的河水作為補給水源的地表飲用水源地(五、八水廠)的8項有毒污染控制項目總檢出率14.0%，檢出率最高的是甲苯，達到66.7%，其次是二甲苯、氯苯、1，2-二氯苯和1，4-二氯苯，檢出率均為16.7%，檢出濃度均未超過《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)特定項目標準限值和《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)旱地作物選擇控制項目標準限值要求，其余項目均未檢出。

圖1 2019～2020年枯、平、豐水期烏魯木齊河灌區主要污染指標濃度變化趨勢

選取反映烏魯木齊河灌區水體狀況電導率、化學需氧量、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、硫酸鹽、氯化物、氟化物、銅、鋅、鎘、鉛等11項指標進行主成分分析，將水質參數概括為4個主成分：理化指標與無機陰離子、營養鹽及有機污染指標、鹽分指標和金屬類指標。結合《地表水環境質量評價辦法(試行)》(環辦〔2011〕22號)，扣除烏魯木齊河灌區水質本底影響指標無機陰離子氟化物、鹽分指標硫酸鹽和氯化物，由指標排名確定烏魯木齊河灌區主要控制指標為營養鹽及有機污染指標的高錳酸鹽指數、化學需氧量和五日生化需氧量。2019～2021年，三種污染指標化學需氧量濃度遠遠高于其他指標濃度，視為衡量水中有機物質含量多少及水體受污染嚴重程度的重要指標。這三種污染物各年份各水期濃度排序基本為枯水期>平水期>豐水期，主要污染指標水期變化特征與河流年徑流量存在一定的關聯。

5.2 取得的成效及對策建議

5.2.1推進河長制進一步見效

近年來，烏魯木齊市全面落實各級河長巡河制度，河長制由全面建立向全面見效轉換，實現水環境質量聯防聯控，推進河道水域水質改善，保證水體安全。與此同時，印發了《水資源三條紅線調控實施方案》，將水功能區目標責任按照屬地管理原則下達至各區(縣)政府，并實施考核。同時以加強入河排污口管理及河道整治為抓手，按照《入河排污口監督管理辦法》相關要求，市行政主管部門進行監督監查，督促各區(縣)履行主體責任，落實入河排污口整治工作，并結合河長制加大對河湖的巡查力度，發現問題及時督促整改。

今后要嚴格按照《水污染防治法》的相關要求，進一步推進河長制從建立到見效轉變。按照保護水資源、防治水污染、改善水環境、修復水生態的工作任務，各級各段河長按“分級負責、屬地管理”的原則履行好烏魯木齊河管護的主體責任，實施責任明確、分級管理、監管嚴格、保護有力的烏魯木齊河管理保護機制，形成河道、水域“管”“治”“?！币惑w化的綜合防治與監管格局，實現水環境質量聯防聯控，保障烏魯木齊河灌區健康。

5.2.2進一步加強農業污染防治

推進畜禽養殖場污染治理，將畜禽養殖種類、數量、廢棄物生產、綜合利用和污染物等排放情況納入臺賬管理，規模養殖場配套建設糞污處理設施配套比例確保達到95%以上。在鞏固禁養區內畜禽養殖場(小區)關閉或搬遷成果的基礎上，進一步加強對禁養區監督檢查，杜絕在禁養區建設新的養殖企業。繼續大力示范推廣測土配方技術、水肥一體化技術，開展病蟲害綠色防控工作，采取生物防治、科學施藥等防控技術，減少化肥和農藥使用量，提高農藥化肥的利用率，降低對土壤的污染風險以及隨降水徑流入河的風險，控制農業面源污染，從而有效控制有機污染指標的入河排放量。

5.2.3持續開展農田灌溉水質監測

開展農田灌溉水質監測工作，將為加強全市農田灌溉水質管理，防止土壤、地下水和農產品污染，保持灌溉水質良好質量，為推進農業面源污染防治提供數據支撐，并對保障人體健康、推進生態文明建設具有重要意義。今后，要嚴格按照《土壤污染防治法》的相關要求，持續加強農田灌溉水質監測管理工作。以烏魯木齊河灌區作為補給水源的地表飲用水源地的有毒污染控制項目檢出濃度雖然沒有超過標準限值的要求，卻反映出地表水源地存在一定程度的有機物污染風險，尤其要對近年來檢出率過高且屬于中國和美國環保局“水中優先控制污染物黑名單”的特定項目“甲苯”進行重點監控、進一步研究以確定其來源，從而提出有針對性的防控措施。