随着社会经济的快速发展，河流水体污染日趋严重，已威胁到人类的健康和发展.造成河流污染的因子众多，如工业污水、生活污水排放，以及化肥农药的施用等，使得不同河段污染差异明显.因此，研究水环境污染物的空间分布特征，分析河流污染物通量的来源与汇出途径，可以准确地推断污染物的来源，提高河流水污染的治理效率.

河流污染来源复杂，定量解译出污染来源并提出针对性的管理对策，对于水环境治理具有重要重要作用.多元统计方法，如聚类分析(Cluster analysis)、因子分析(Factor analysis)等将多维因子纳入同一体系，进而进行数据降维，能够解释复杂的矩阵，可有效地评估研究区域的水质和生态状况.近年来，多元统计分析已被广泛应用于河流(Shrestha et al.,2007)、海湾(Wang et al.,2006)、地下水(Dhakate et al.,2013)和湖泊(Liu et al.,2011)等水体的水质评价和分析中.这种分析技术不但能够高效地描述由人类活动引起的污染物空间变异(李文赞等，2012)，而且能够辨析出影响水环境系统的主要因子，为水资源管理提供支撑(Shrestha et al.,2007; Simeonov et al.,2003; Singh et al.,2005; Ouyang et al.,2006).当前，我国水污染问题严峻，多元统计方法往往只能定性分析污染级别及主要来源，但河道中污染物通量及支流对主河道的负荷贡献量仍然不明确.此外，我国人工河流受到人为干扰(闸坝、上游放水等)较强，单纯采用多元统计方法较难解译出更多信息，还不能达到与水污染管理决策相结合的目的.掌握河流污染物通量的空间分布不但是落实总量控制制度的重要前提，也可为污染治理决策提供依据(富国，2003；Banerjee et al.,2012；Vieira et al.,2012；Juahir et al.,2011).研究表明，负荷估算的方法能够为重污染河流制定有效的干预策略提供数据支持(王晖，2004；Li，2014).因此，迫切需要在多元统计分析的基础上，结合调查统计数据，分析河道中主要污染物的来源与汇出，这对于切断污染、削减污染负荷具有非常重要的实践意义.

北运河是北京市一条非常重要的河流，承担着防洪、引滦输水等多重任务.近些年，由于社会经济的快速发展，流域内污染物排放量持续增加(姜体胜等，2012).据报道，北运河水系2010年劣V类以上水体占81.5%(郭婧等，2012)，河道污染日趋严重.目前，针对北运河水环境污染开展了很多研究，但大部分仅集中在采用数学方法分析水质变化上(姜体胜等，2012；荆红卫等，2013)，系统地对北运河的污染源及其河道通量开展的研究较少，而这对于现阶段水质管理非常关键.因此，本文以北运河水系为研究对象，从水环境调查入手，采用聚类分析和主成分分析的多元统计方法将北运河多个断面采样点分别归类为3种不同污染级别，依次对各类进行污染源解析，并进一步估算河水年径流量和主要污染物的年负荷通量.以期为系统认识北运河主要污染来源与汇出途径，进行针对性污染控制和管理具有一定的科学依据.

北运河隶属于海河水系北部，起源于北京燕山以南，自西北向东南流经北京市通州区、河北省廊坊市、天津市武清区、北辰区至天津市红桥区入海河，上游为山区丘陵地带，中下游为华北冲积平原，全长142.7 km，流域总面积为6166 km².北运河在北京市通州区北关闸以上称为温榆河，北关闸以下始称北运河，沿途有通惠河、清河、坝河、凉水河、凤港减河等平原河道汇入，于屈家店和永定河交汇，最终汇入海河.流域内多年相对湿度约为60%，年蒸发量平均为1815.5 mm，多年平均水径流量为4.8亿m³，年平均降水量为611 mm，且全年80%~90%的降水量集中在6—9月(王俊安等，2007).北运河北京段担负防洪、排水双重功能(郑毅，2009)，河道水体污染严重，水生态系统退化明显，天津段的来水多为上游污水补给，已成为典型的污灌区(单保庆等，2012).水质问题是制约北运河流域生态环境改善和流域生态健康发展的重要问题.

分别于2009、2010和2011年每年的5月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)、12月(冬季)对北运河的29个监测点进行取样监测(图 1).1~20号点位于北运河北京段，21~29号点位于北运河天津段.其中，8、11、14、18号点分别位于清河、坝河、通惠河、凉水河，24、26、28、29号点位于龙凤河上.检测物化指标12项，具体见表 1.其中，DO、Chl-a、T、ORP采用哈希水质仪现场测定，TN采用耶拿MultiN/CUV分析仪测定，其它指标的测定采用地表水环境质量标准(GB3838—2002)中指定的分析方法.

图 1(Fig.1)

图 1 采样点分布图 Fig.1 The distribution of sampling sites

本文采用层析聚类分析法，依据观测对象之间的相似程度，逐渐聚合，达到“物以类聚”的目的(黄金良等，2012).聚类分析时，首先对原始数据使用Z-score方法进行变换以消除量纲影响，采用离差平方和法和欧氏距离法(Juahir et al.,2011；黄金良等，2012)进行采样点的空间相似性和差异性分析.

因子分析法时，首先采用K-S检验对数据进行正态分布检验，若原数据不符合正态分布，则将其对数化后使其服从正态分布.以此为基础进行因子分析，采用主成分分析法提取公因子(Zhou et al.,2007).以上分析方法均在SPSS 13.0及EXCEL 2010中完成.

污染物年通量的计算采用时段通量估算方法(富国，2003)，用瞬时浓度C_i与代表时段平均流量Q_p相乘得到通量值W：

河流的年径流量及月均流量从海河流域水文资料(中华人民共和国水利部水文局，2010)中12个水文站点信息获得.水文站点包括土门楼站、筐儿港闸上站、屈家店闸站、通县(温)站、燕子口站、十三陵水库站、高碑店闸站、通县(运)站、牛牧屯闸站、张家湾站、筐儿港(龙新)站、凤河营等站.由月流量计算得出各季度径流量，将各季度测得的水质数据作为该河段的平均浓度，与该河段季度径流量相乘得到该类污染物的季度通量，将4个季度通量相加，得到此类污染物的年通量.

研究水质参数的统计特征及其相关关系，可初步了解北运河的污染现状(贾利，2001).描述性统计结果表明，北运河污染整体较为严重，大部分污染物平均浓度接近或超过V类标准(表 1).其中，氮污染最为突出，TN、NH⁺₄-N的含量是地表水Ⅴ类标准的8.22、7.52倍，分别达到16.44、15.03 mg · L^-1；其次为磷污染和耗氧有机物污染，TP、COD、BOD₅都超出了地表水环境质量标准的V类标准.从变异系数上看，NO^-₃-N的变异最大，NO^-₂-N次之，pH的变异最小.

表 1(Table 1)

表 1 水质参数的统计特征及环境标准 Table 1 Summary statistics of measured variables and the environmental guideline of national quality st and ards for surface waters

表 1 水质参数的统计特征及环境标准 Table 1 Summary statistics of measured variables and the environmental guideline of national quality st and ards for surface waters 参数 单位 最小值 最大值 平均值 标准差 变异系数 水环境质量标准 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ T ℃ 2.06 31.80 17.74 8.02 45.21% DO mg·L-1 0.12 17.71 5.06 3.63 71.68% 7.5 6 5 3 2 pH 7.24 9.04 8.03 0.34 4.23% ORP mV 89.00 441.1 308.77 70.63 22.87% Chl-a mg·m-3 1.80 285.12 36.6 42.28 115.52% COD mg·L-1 6.00 163.00 50.03 23.23 46.43% 10 15 20 30 40 BOD5 mg·L-1 0 49.98 15.53 11.54 74.31% 2 3 4 6 10 NH+4-N mg·L-1 0.21 30.55 15.03 9.16 60.94% 0.15 0.5 1 1.5 2 NO-2-N mg·L-1 0 6.39 0.59 0.79 133.90% 0.06 0.1. 0.15 1 1 NO-3-N mg·L-1 0.03 18.19 1.62 2.73 168.52% 5 10 20 23 25 TP mg·L-1 0.04 4.02 1.28 0.90 70.31% 0.02 0.1 0.2 0.3 0.4 TN mg·L-1 5.03 40.45 16.44 5.28 32.12% 0.2 0.5 1 1.5 2

由表 1、表 2可以看出，T的范围值为2.06~31.80 ℃，与NO^-₃-N和NO^-₂-N正相关，与NH⁺₄-N的相关系数为负值.表明夏季温度升高，硝化细菌活性增强，使得大量的NH⁺₄-N转化为NO^-₂-N，而NO^-₂-N不稳定转化为NO^-₃-N(Pernet-Coudrier et al.,2012)；北运河NH⁺₄-N污染严重(浓度介于0.21~30.55 mg · L^-1)，NH⁺₄-N的浓度与COD、BOD₅、TP呈正相关，与ORP呈负相关，表明北运河水质受到点源污染的影响；DO是评估人类活动对河流水质影响程度的潜在指示剂(Kannel et al.,2007).由于DO的含量会影响水的氧化还原性及氧化还原反应的方向，而且水生生物的呼吸作用也会对DO和pH有一定的影响(刘友兆等，2004)，因此，DO与pH、ORP表现出正相关关系.DO与TP呈显著负相关关系，这是因为河流中磷含量较高，藻类大量繁殖，使溶解氧过度消耗(周启星等，2004).北运河的BOD₅值为0~49.98 mg · L^-1，COD为6~163 mg · L^-1.BOD₅和COD呈正相关关系，表明可降解物质极易被氧化(Vieira et al.,2012；彭云辉等，2000).总之，北运河不同水质指标具有不同程度的相关性，污染来源复杂，需要进一步进行剖析.

表 2(Table 2)

表 2 水质参数的相关性分析 Table 2 Correlation coefficient matrix of measured variables

表 2 水质参数的相关性分析 Table 2 Correlation coefficient matrix of measured variables T DO pH ORP Chl-a COD BOD5 NH+4-N NO-2-N NO-3-N TP 注：*表示在 0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关；其他无显著相关性. DO 0.047 pH -0.061 0.665** ORP -0.137 0.559** 0.097 Chl-a -0.018 0.428* 0.048 0.450* COD -0.118 -0.426* -0.172 -0.615** 0.009 BOD5 -0.141 -0.512** -0.214 -0.782** -0.194 0.825** NH+4-N -0.032 -0.500** -0.350 -0.751** -0.350 0.507** 0.776** NO-2-N 0.512** -0.481** -0.460* -0.297 -0.464* 0.166 0.129 0.294 NO-3-N 0.618** -0.197 -0.385* 0.076 -0.057 -0.249 -0.284 -0.162 0.534** TP -0.085 -0.494** -0.076 -0.711** -0.135 0.463* 0.677** 0.756** -0.024 -0.109 TN 0.205 -0.405* -0.484** -0.051 -0.321 -0.131 0.044 0.422* 0.451* 0.324 -0.087

对满足正态分布的数据进行聚类分析，结果见图 2.以距离15为基准，可将全部采样点分为3类，第一类包括5号点、北运河天津段21~29号点，第二类包括北运河北京段下游区域的14~20号点，第三类包括1~4、6~13号点，分别位于北运河北京段上游区域.

图 2(Fig.2)

图 2 样点聚类分析结果 Fig.2 Cluster analysis of the sampling sites

类别1主要位于北运河天津段，为轻污染区.天津武清地区属于典型的农业灌区，年降水量约为620 mm，其中75%集中在7—8月.为保证农业用水，天津地区修建了大量人工渠道，用于农业灌溉(李楠等，2010).该区域内的主要污染来源是区域内农业非点源污染，其次为上游污水排放，点源排放较少(单保庆等，2012)，污染物浓度相对较低，5号点由于其上游区域没有支流汇入，经过自然降解作用，水质相对较好；类别2主要分布于北运河北京段下游区域，该河道主要受纳城市生活污水、工业废水和部分农业径流的汇入(荆红卫等，2013)，污染物浓度相对较高，属于中污染区域；第三类水体位于北运河北京段上游区域，由图 1可以看出，该区域人口相对密集，清河、坝河和小中河主要接受污水处理厂排放的再生水，虽然污水处理效率提高，但北京城区生活污水量持续增大，多数污水处理设施超负荷运转(荆红卫等，2013).生活及工业废水的排放使该区域水质最差，是重污染区域.

从空间上看(图 3)，除NH⁺₄-N外，TN、TP、COD、BOD₅的浓度由类别1到类别3呈上升趋势.几种主要污染物中，COD的变异系数较大，说明耗氧有机污染有明显的区域差异性，点源污染对耗氧有机污染作用明显.3种不同污染类别的NH⁺₄-N平均浓度基本相同，北运河的不同河段氨氮污染都比较严重.

图 3(Fig.3)

图 3 主要水环境污染物浓度空间差异 Fig.3 The spatial variation of the main contaminations in Beiyun River

为识别3种不同污染类别区域的主要污染源，将所有数据标准化后进行主成分分析.采用特征值是否大于1作为判别依据(Noori et al.,2010; Varol et al.,2012)，提取出主成分，结果见表 3.

表 3(Table 3)

表 3 旋转因子载荷矩阵、特征值和总方差 Table 3 Factor loading matrix，eigenvalues and variances

表 3 旋转因子载荷矩阵、特征值和总方差 Table 3 Factor loading matrix，eigenvalues and variances 因子 载荷(类别1) 载荷(类别2) 载荷(类别3) 1 2 3 4 1 2 1 2 3 注: |因子载荷|＞0.75，∈[0. 5，0.75]，∈[0.3，0.5]分别作为强烈、中等和弱相关的判别依据(Liu et al.,2003)；表中加下划线表示强烈相关，黑体表示中等相关. T 0.18 -0.16 -0.13 0.69 -0.83 -0.40 -0.63 -0.13 0.56 DO 0.53 -0.39 -0.53 0.44 0.49 0.82 0.49 -0.60 -0.45 pH 0.26 -0.83 0.17 0.35 0.44 0.85 0.86 -0.26 -0.19 ORP -0.11 0.72 -0.59 0.14 -0.13 0.82 0.22 -0.62 -0.52 Chl-a 0.69 0.67 -0.11 0.07 0.60 0.77 0.83 -0.10 -0.06 COD 0.90 0.14 0.32 -0.02 0.78 -0.068 -0.04 0.93 0.10 BOD5 0.10 -0.07 0.97 -0.12 0.89 0.18 0.11 0.92 0.07 NH+4-N -0.65 0.07 0.27 -0.59 0.61 0.67 0.071 0.28 0.81 NO-2-N -0.89 0.14 -0.11 0.06 -0.82 -0.43 -0.701 0.445 0.41 NO-3-N -0.03 0.85 0.20 0.09 -0.78 -0.59 -0.891 -0.15 -0.23 TP 0.36 -0.36 0.01 -0.77 0.21 0.92 0.78 0.04 -0.17 TN -0.84 0.37 0.20 -0.17 -0.66 -0.20 -0.19 0.11 0.93 特征值 3.75 2.89 1.90 1.80 5.06 4.71 4.06 2.86 2.61 贡献率 31.21% 24.07% 15.83% 15.02% 42.13% 39.21% 33.79% 23.85% 21.72% 累积贡献率 31.22% 55.29% 71.12% 86.14% 42.13% 81.34% 33.79% 57.64% 79.37%

轻污染区可提取4个主成分，共解释了86.14%的总方差，第一主成分与COD、DO、Chl-a成正相关，与TN、NO^-₂-N、NH⁺₄-N成负相关，解释了31.22%的水质变异，第一主成分可解译为氮素污染与耗氧有机物污染.NO^-₂-N、NH⁺₄-N与DO随季节变化而变化，夏季水温高，水中溶解氧降低，微生物的硝化反硝化作用强烈，脱氮作用较强，硝态氮减少，冬季则反之.第二主成分与NO^-₃-N、ORP、Chl-a成正相关，共解释了24.07%的变异，第二主成分主要为硝态氮污染.第三主成分主与BOD₅成正相关，与DO、ORP成负相关，污染源主要为耗氧有机物.第四主成分与NH⁺₄-N、TP成负相关，与T成正相关，共解释了15.02%的变异.可以看出，影响类别1水质的主要因素是氮素污染物和耗氧型有机污染物，污染可能主要来自于农业径流，其次为上游污水排放和当地生活废水排放.

中污染区可提取2个主成分，共解释了81.34%的总方差，第一主成分与COD、BOD₅成正相关，与NO^-₃-N、NO^-₂-N、T成负相关，共解释了42.13%的水质变异，污染源可能主要来源于工业废水排放；第二主成分与DO、ORP、Chl-a、pH、TP成正相关，共解释了39.21%的变异.影响类别2水质的主要污染物硝态氮和耗氧有机物，其次为磷污染.其污染源主要为工业废水，其次为生活废水及农业非点源污染.

重污染区可提取3个主成分，共解释了79.37%的总方差.第一主成分与Chl-a、pH、TP成正相关，与NO^-₃-N、NO^-₂-N、T成负相关，共解释了33.79%的水质变化，第一主成分可解译为NO^-₃-N和磷污染；第二主成分与COD、BOD₅成正相关，与ORP、DO成负相关；第三主成分与NH⁺₄-N、TN成正相关.由此可以看出，类别3的主要污染源为磷、氮及耗氧有机物，主要来来自于生活污水、工业废水的排放.

综上所述，轻污染区主要位于天津地区，污染物主要来自农业非点源污染;中污染区位于北运河北京段下游区域，污染物主要为工业废水，其次来自生活废水、农业非点源污染;重污染区位于北运河北京段上游区域，污染物主要来自生活废水、工业污水排放.总体上，北运河各类别间的污染物来源并没有表现出非常明显的差异，污染解译结果模糊，因此，非常有必要进一步分析摸清主要污染物来源与汇出途径，以期提供更为切实有效的管理决策支持.

通过对北运河水质调查和多元统计分析，发现北运河的主要污染物为氮、磷和耗氧有机物.通过对这些污染物进行通量分析，可摸清各支流的污染潜力及导致北运河水质恶化的主要污染源.

北运河年径流量见图 4，其中，黑色部分为输出量，灰色部分为输入量.由图 4可以看出，北运河主河道流量主要来自支流的补给，北京地区的河水输入量占总输入量的77.31%(清河、坝河、通惠河、小中河、凉水河).凉水河的水量最大，为1.96×10⁸ m³ · a^-1，占总输入量的21.10%，其次为清河，占总输入量的16.90%，通惠河水量最小，为1.033×10⁸ m³ · a^-1.小中河为灌溉河流，流经顺义区的9个乡镇，可灌溉5万亩农田.2010年有1.17×10⁸ m³的河水汇入北运河.凤港减河是人工排水河道，将凤河和港沟河的水引入北运河，起到排洪灌溉的作用.天津地区水量输入占总输入量的22.69%.龙凤新河和北运河相交，2010年有0.12×10⁸ m³河水进入北运河.

图 4(Fig.4)

图 4 2010北运河年径流量 Fig.4 Annual flow amount of Beiyun River in 2010

北运河水源汇出途径主要是排洪河道和灌溉.北京地区输出量占总输出量的31.62%，天津地区输出量占总输出量的68.38%，水量输出主要由天津地区灌溉产生，占总输出量的57.88%.运潮减河和青龙湾河是人工排水河道，主要是减流分洪.牛牧屯引河连接北运河和潮白河，监测期间北运河水量相对充足，人为调蓄将北运河水引出进入潮白河.2010年北运河年径流量自北京通县地区的3.73×10⁸ m³增长到天津市武清区的4.96×10⁸ m³，但由于武清地区农田灌溉用水较多，占总输出量的57.88%，导致流经天津市区的河水只有0.01×10⁸ m³，加上城区污水汇入，最终北运河2010年仅有0.17×10⁸ m³水汇入渤海湾，占总输出量的8.4%.

Pernet-Coudrier等(2012)的研究表明，2009年北运河水量主要来自于清河、北小河、通惠河、凉水河，共有29.5 m³ · s^-1(9.3×10⁸ m³)水注入北运河，有16.9 m³ · s^-1(5.3×10⁸ m³)的水用于灌溉，13.4 m³ · s^-1(4.23×10⁸ m³)的水由潮白新河、青龙湾河汇出，不到10%(0.5×10⁸ m³)的水量流入渤海.由于该研究的支流覆盖量与通量的计算方法与本文有较大区别，且该研究样本为2009年采样，本研究为2010年采样，所以结果不尽相同，但都表明北运河水量来自于北京地区的支流补给，且北京段下游区域水量高于上游，北运河水源汇出途径主要是排洪河道和灌溉.

由图 5可以看出，从北京到天津武清地区TN和NH⁺₄-N的负荷增大，TP和COD负荷减小，其中，磷负荷减小趋势较明显.TN、NH⁺₄-N、COD的负荷主要来源于北京地区的清河和凉水河，两条河流TN、NH⁺₄-N、COD输入量分别占总负荷输入量的30.22%和27.32%，32.02%和26.27%，34.17%和21.22%.TP负荷主要来自于北京地区的清河、小中河，分别占总输入量的31.00%、26.36%，负荷分别为215.30、210.54 t · a^-1.由此可以看出，中污染区域的污染负荷主要由凉水河输入，重污染区域主要由清河输入.

而Pernet-Coudrier等(2012)研究表明，2009年TN、TP污染负荷主要来自于通惠河，其次为凉水河，这可能因为2010年通惠河附近污水处理厂的管 理改善，也可能是因为2009到2010年两条河流的水文状况发生改变.在输入河流中，轻污染区域(天津地区)的龙凤新河的污染物负荷最低，其次为凤港减河.其中，凤港减河的TN、TP负荷量为负值，可能原因为夏季雨水充沛，北运河水量较大，凤港减河起到排洪减峰的作用，同时夏季河道中N、P含量较高(张汪寿等，2011)，而COD和NH⁺₄-N由于微生物作用强烈而含量较低，最终导致凤港减河表现为TP、TN输出，COD和NH⁺₄-N输入的情形.

图 5(Fig.5)

图 5 2010年北运河年主要污染物负荷 Fig.5 Load of main pollutants of beiyun River in2010

此外，小中河TN负荷为2.55×10³ t · a^-1，NH⁺₄-N为1.76×10³ t · a^-1，TP为176.65 t · a^-1，3种污染物与坝河负荷相近，但小中河的对主河道COD负荷没有贡献，说明小中河主要受到非点源污染的影响.凤港减河TP(210.54 t · a^-1)、COD(4.38×10³ t · a^-1)负荷较大，说明该河道主要受点源污染的影响.

北运河污染物汇出具有集中输出的特点，这与Pernet-Coudrier等(2012)的结论相似.由图 5可以看出，超过50%的TN、NH⁺₄-N、COD负荷由天津地区农业灌溉输出.在汇出河流中，牛牧屯引河的污染物负荷较大，TN、NH⁺₄-N、TP、COD的输出负荷分别占总输出负荷的20.39%、21.27%、29.58%、26.48%，运潮减河次之，青龙湾河输出通量最低.

以上可以看出，北运河污染物主要来源于北京地区的支流汇入，清河、凉水河贡献较大，通惠河、小中河次之.北运河中超过50%的TN、NH⁺₄-N、COD污染负荷由天津地区农业灌溉输出.因此，加强对北运河支流附近污水处理厂的管理力度，可作为治理北运河污染问题的首要措施，同时，天津地区的污水灌溉所带来的环境风险应该予以重视.

1)北运河水系污染严重，主要污染为氮、磷和耗氧有机物，氨氮是氮污染的主要形式.

2)污染分区及污染源解析结果表明，天津地区为轻污染区域，主要污染来源为农业非点源污染，其次来自生活废水排放和上游工业废水排放；北运河北京段下游区域为中污染区，污染物来源主要是工业废水排放，其次为生活废水排放和农业非点源污染；重污染区为北京段上游区域，污染物主要来自生活废水及工业污水排放.

3)污染物通量及汇出分析结果表明，TN、NH⁺₄-N、COD的负荷主要来源于重污染区的清河和中污染区的凉水河，两条河流TN、NH⁺₄-N、COD输入量分别占总负荷输入量的30.22%和27.32%，32.02%和26.27%，34.17%和21.22%.TP的入河负荷主要来自于清河、小中河，分别占总输入量的31.00%、26.36%.北运河主要污染物中超过50%的TN、NH⁺₄-N、COD负荷由轻污染区(天津地区)农业灌溉输出.加强对北运河支流附近污水处理厂的管理力度，可作为治理北运河污染问题的首要措施，同时天津地区的污水灌溉所带来的环境风险应该予以重视.