应用多元统计分析评价热带河流的地表河流水质外文翻译资料

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Hindawi出版公司

化学杂志

卷2017,文章编号5737452,13页

https://doi.org/10.1155/2017/5737452

学术论文

应用多元统计分析评价热带河流的地表河流水质

Teck-Yee Ling,1 Chen-Lin Soo,1 Jing-Jing Liew,1 Lee Nyanti,2

Siong-Fong Sim,1 and Jongkar Grinang3

  1. 化学系，资源科学与技术学院，马来西亚砂拉越大学，94300三马拉汉，沙捞越，马来西亚。
  2. 水产科学系，资源科学与技术学院，马来西亚砂拉越大学，94300三马拉汉，沙捞越，马来西亚。
  3. 生物多样性与环境保护研究所，马来西亚砂拉越大学，94300三马拉汉，沙捞越，马来西亚。

收信地址为Teck-Yee Ling；teckyee60@gmail.com

2016年11月18号收到；2016年12月26号接受；2017年1月19号出版

学术编辑：Athanasios Katsoyiannis

版权copy; 2017 Teck-Yee Ling et al 。这是一篇有创意共享归属许可证的开放阅读的文章，允许在任何媒介中无限次使用，分布和传播，并可以适当引用原作品。

本研究采用多元统计技术评价了热带河流表层水质的空间变化,方法包括聚类分析()和主成分分析（）。测定了巴塘巴拉姆及其支流沿岸30站的二十个理化参数。巴塘巴拉姆的水质因为化学需氧量、总悬浮颗粒物等参数不符合要求被归类为“轻度污染”。聚类分析法将30个站分为集群，同一集群内共享类似的特点，分别代表了干流的上游、中游、下游地区和河流中下游的支流地区的特点。主成分分析法确定了六个主要组成部分，解释了数据集的83.6%变化。第一台计算机显示伐木活动产生的总悬浮固体、固体、浊度和硫化氢是主要污染因子，第二台电脑显示与生活污水排放有关的五天生化需氧量，总磷，有机氮和硝酸盐氮。这些部分还表明相比较于生活废水的排放，人类的伐木活动是导致巴塘巴拉姆水质变化的主要原因。

  1. 介绍

巴塘巴拉姆 河流（“巴唐”的最大河流）（坐标：35 5.28 N和113 58 44.256 E）位于砂拉越州北部并且向西流400公里，大部分流经大大小小的森林流向中国南海。这条河是砂拉越州的第二长河，是马来西亚的第三长河。巴拉姆地区曾是一个原始的区域，但伴随着人口的增长它已经发生了深远的变化。住宅面积不断增加，大量的长屋和沿江的临时性农田在河边被建造。商业伐木也在该地区积极进行了几十年，砍伐的森林被转化为工业用滑油和阿拉伯树胶种植园[1]。

尽管这个地区一直在发展，但河流水质的研究相对稀缺，即使河流是作为农村地区饮用水的重要来源。生活污水和农业径流的排放会导致富营养化[ 2 - 4 ]，与此同时砍伐森林会导致营养物的富集和沉淀[ 5 - 8 ]。在1995年，取样主要在巴拉姆河流域最主要的流域进行。研究表明，在那个时间段河流总体水质相对较好，但会受到由于大地开垦和森林砍伐产生的

图1：砂拉越州研究地区和巴塘巴拉姆干支流沿岸在当前研究的30个取样站

大量悬浮固体的侵蚀[9]。作者还指出，家庭和动物的废物排放导致了氨含量的升高。

类似于巴塘巴拉姆河流这样的大型江河流域的水环境质量的评价和监测可能会形成一个大的数据集。大量的研究表明，多元统计分析对于评价河流的空间水质变化是很有用的。聚类分析可以揭示一条河流中大量的采样站之间的相似点，而主成分分析可以帮助确认导致水质巨大差异的主要因素。因此，本研究的目的是应用多元统计分析来解释 巴塘巴拉姆及其支流的物理化学特性。分析的结果将会提供对于河流流域管理很有价值的信息。

2.材料与方法

2.1.野外采集。位于巴塘巴拉姆沿岸以及它支流覆盖的约172公里的地区的30个采样站收集了原位和原位以外地区的参数。表1显示了在2015年进行的从上游到下游方向的采样细节。由于每一次采样前的雨天，每一次采样的时候水位都很高。整个研究区都在进行伐木运动。表1列入了大量的长屋和种植活动。原位参数包括温度、pH值、电导率、氧饱和度（）、溶解氧（）和浊度，这些参数的测量采用多参数水质探测仪(YSI6920 V2-2)。透明度，深度和流速的测量分别是利用一个带着卷尺的透明度板，一个探测器(PS-7, Hondex)和一个流表(Geopacks)。总流量，平均流速，平均深度计算根据[ 17 ]。水样品的分析包括叶绿素a（ ）、总悬浮固体（）、五日生化需氧量（）、化学需氧量（）、总磷（）、总氨氮（）、亚硝酸盐氮（）、硝态氮（）、有机氮（），和总硫（）。所有采样瓶在使用前都经过酸洗、清洗和干燥。, 和 的现场取样分析完成后立即开始叶绿素a，和的现场取样分析。水样需要酸化至pH＜2来进行对, ,和这些成分的分析。样品被保存在一个冰箱里然后运输到实验室来进行更进一步的分析。

2.2.实验室分析。所有的分析的进行都是根据标准方法[ 16，17 ]。样品透过一个0.7米的玻璃微纤维过滤器(Whatman GF/F)来提取叶绿素，并且使用90%(v/v)浓度的丙酮来萃取20小时。对于，在现场使充足的样品通过一个1米的玻璃微纤维过滤器(Whatman GF/B)来进行过滤，然后在实验室利用烤箱在150℃的温度下对过滤器进行烘干处理直至恒重。它是通

过计算样品最初和最后的重量差异来确定的，并且用样品每升多少毫克来表达。比如说像，在经过了一个为期5天的周期之后，它通过比较开始和最后的含量来确定它的含量。最初的含量是在现场测量的。当原地值过低时，会通过强力的通风来提高含量。是通过的含量是通过滴定法加上封闭回流阀来测定的。对于的分析，先是利用过硫酸盐溶解样品，然后使用抗坏血酸的方法。, 和 分别是通过内斯勒法，重氮化法（低范围）和镉还原法来确定的。在和分析之前，水样通过0.7米的玻璃微纤维过滤器过滤（Whatman GF / F）。是通过宏观凯氏定氮法在那些氨在消化和蒸馏前从水样中除去的样品确定。随后，氨用内斯勒法分析。是用亚甲蓝法进行分析。是根据[ 18 ]用以下公式计算：

（1）

其中是未电离的的硫化氢，总硫化物，是有条件的电离常数，是氢离子浓度。

每个化学分析构建了一个校准曲线。空白的和标准溶液的处理方法与样品相同。

2.3.水质指数（）。水质指数（）相关的六个变量、、、、和pH值是根据以下公式计算：

（2）

其中是（%饱和度）的次标，是（）的次标，时候（）的次标，是（）的次标，是（）的次标，是pH（）的次标[19]。

2.4.统计分析。巴塘巴拉姆的站之间的物理化学因素的比较是利用单因素方差分析和图基的在5%水平下的成对比较。采用独立样本t检验比较主要河流和支流站之间的物理化学参数。皮尔逊相关分析法是用来确定所有因素之间的关系。聚类分析（）是用来调查分组的采样站，通过使用在河中收集的物理化学参数。使用标准化后的变量与方法，并用欧氏距离作为相似性测量的方法。当一个群的差异小于60%并且群的数量由输出的实

图2：现场参数中的（a）总流量，（b）平均速度，（c）平均深度，（d）温度，（e）pH，（f）传导率，（g）溶解氧饱和度，（h）溶解氧，（i）浊度，（j）透明度在 Batang Baram（左轴）及其支流（右轴）沿岸的30个抽样站的测量（不同字母表示P值le;0.05下的显著差异）。

用性决定时，这个群可以被认为是统计上显著的[12]。主成分分析（）是用来描述每一个主要成分的所有物理化学参数的负荷得到的特征向量高于1（Kaiser准则）。要素对于变量有重要的意义当载量大于0.4[20]。数据在分析之前要求平方根并且标准化。主成分分析的数据质量被证实和Kaiser Meyer Olkin（KMO）抽样充分性检验和巴特莱特的球形试验有关。所有的统计分析采用社会科学统计软件（SPSS 22版，SPSS公司，1995）。

  1. 结果与讨论

3.1. 巴塘巴拉姆及其支流的理化特性。图2和图3显示巴塘巴拉姆及其支流从上游到下游地区的理化参数的平均值。采样过程中，巴塘巴拉姆的总流量在干流和支流分别从126.3变化至2711.8和0.5立方米/秒变化至133.6。图2说明对于下游地区干流的总流量呈上升趋势，而支流的总流量最大的部分根据观察是在8站，紧随其后的是16站。主河道平均流速相对一致，平均值为1.2 。在一些上游的支流可以观察到高平均速度（大于1），但大部分支流缓慢注入（asymp;0.2）。巴塘巴拉姆的主河道和支流的平均深度分别为0.9米到16.5米和0.2米到6.1米。相比较于上游，主河道和支流的下游更深一点。

方差分析结果表明，一个取样站和另一个取样站之间所有的参数表现出显着的差异（P值le;0.05）。物理化学参数沿主河道表现出不同的分布格局。向下游方向浊度，和值显著升高（P值le;0.05），在20站时浊度值（468.8plusmn;45.4ntu）和（320plusmn;19.3）最高，的最高值（0.83plusmn;0.01）据观测在22站。下游高浊度和表明河流沉积物的堆积。参考文献[ 21 ]报道，由于上游地区砍伐森林和土地利用的改变造成的侵蚀，巴拉姆河口的一个缺口已经形成并且在不断扩大。、浊度、（表2）之间的相似分布格局和显著正相关（P值le;类似分布0.05）表明与河流悬浮物相关。

另一方面，电导率、、、和在河流的上面部分显示出更高的价值，而在下游部分显著下降（P值le;0.05）。相反的，[ 22 ]表明，、、和浓度在中国钱塘江的上游到下游地区都是增加的。在本研究中，观察到最高的电导率值在站1（50），而27站稳步下降至3.5 。（5.7plusmn;0.2）和（2.74plusmn;0.01）的最高值分别在站1和4观察到，而（2.2plusmn;0.1）和（0.07minus;plusmn;0.01）的最高值在6站观察到。根据参考文献[9]的报道，巴拉姆河流在最高部分的电导率（82 的–133 ），这比目前研究的值要高很多，虽然目前研究认为电导率在河流顶端会更高一点。然而，作者报告的浓度（0.7毫克/升2毫克/升）和浓度（0.01–0.02 ）也均低于目前的研究。

在河流中部观察到的值（P值le;0.05）显著较高的（110.1–181.8 ），但是在那里观察到的值（0.001–0.002 ）和值（0.12–0.33 ）显著较低（P值le;0.05）。显著较高的（P值le;0.05）被观测到在站21（1.57plusmn;0.07）和站22（1.49plusmn;0.20）而显著较高的（P值le;0.05）NO2minus;N被观察到在站20（0.055plusmn;0.001）。类似于和，根据[9]得到的在巴拉姆河流最上面部分的浓度从0.7–2，这也低于目前的研究。作者认为，在他研究中污水中的高浓度氨是因为长屋和动物废物。当前研究中营养物的含量过高说明随着时间，人口增加和土地开发正在导致水质量的恶化。

表3显示，河水温度、pH值、电导率、透明度、叶绿素a、（P值le;0.05）在支流比主河道显著要高。支流的高水温特别是在站12，13，和16（gt; 29 C）表明，伐木活动的增加导致的林冠覆盖减少使得太阳直接辐射增加造成这些支流得得高水温。巴拉姆河流域含有的的高溶解离子造成了河流的高电离值。此外，温度和电导率之间的显著正相关（P值le;0.05）表明支流高温增加了离子迁移率和矿物溶解度，这体现在支流的高导电率。同时，支流中的高叶绿素a表现的高光合速率增加了支流中的pH值。另一方面，主河道的浊度、、、、（表3）有显著提高（P值le;0.05）。关于总流量和平均流速（表2）的大多数参数呈显著的正相关（P值le;0.05）。因此，我们可以假设，由于快速的通风，快速流动的主要河流增加了含量，并且由于地表径流将很多污染物质引进了河流。然而，当所有站记录到含量超过5毫克/升和超过80%，巴塘巴拉姆的支流便已经充分暴露于空气中。

表4显示，大多数采样站被列为III类，并根据水质指数（WQI）归类为“轻度污染”。在巴塘巴拉姆及其沿岸的30个站里面，只有位于支流Sungai Kesseh和Sungai Nakan的两站被归类为“清洁”。pH值和被列为I类和/或II类表示情况良好，然而在大多数被列为 III类，IV类，和/或V类的站中，是最差的参数。在大部分站，当河流当河流有被类似的悬浮固体污染的风险时会被归类为III级和/或IV级，而19站和20站会被归类为V类。根据参考文献[9]的报道，结果显示，同巴拉姆河流的最上部分比较，那些被归类为II类的主河道和支流的水质已经恶化。

3.2.聚类分析（）。聚类分析被用来检测研究地区的采样站之间的相似处。树状图显示本研究取样站可以分为四个明显的集群现象，如图4所示。聚类图表明，正如把上游站，中游站和下游站归类为不同的集群，巴塘巴拉姆的理化特性从上游地区到下游地区发生了改变。集群1包括大多数位于河流中间部分的站（站11,14,15,18,19和20）以及除了站29以外的位于河流下游的站。支流的中下游地区表现出和集群2中站12,13,16,17,21,23,25,26,28和30相似的特性。位于下游的主要河流（站22，24，和27）也表现出相似性，并组合成集群3。这两个集群表示，巴塘巴拉姆的主河道和支流的下游地区的特性并不相似。最后，组成集群4的站包括位于主河道和支流的上游的站（站1到站10）。这一分析表明，减少每个集群的样站数量可能可以在将来为巴塘巴拉姆进行快速的水质评估并且引领一个更具成本效益的监测研究。

3.3.主成分分析

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