引言

地表水是维系区域生态平衡、支撑经济社会发展的重要基础资源，其质量直接关系到城乡居民饮水安全、生态系统健康与城乡可持续发展。天津市位于海河流域下游，属资源型缺水城市，水环境敏感且脆弱。津南区作为天津市重要组成部分，地处海河中下游南岸，河网密布、水系发达，承担着防洪排涝、农业灌溉、景观生态等多重功能。随着城市化进程的快速推进及产业结构的持续调整，津南区面临水资源短缺与水环境污染的双重压力。生活污水、农业面源、工业排放等多源污染叠加，导致部分河道水质恶化，水体富营养化问题突出，已成为制约区域生态安全和绿色发展的重要因素。

目前，津南区已建立常规水质监测体系并定期发布数据，但传统单因子评价方法往往仅能反映个别指标的超标情况，难以全面揭示水质变化的综合特征、污染来源及其内在关联。多元统计分析方法能够从多指标、多样本的数据集中提取隐含信息，识别主要污染因子及其贡献，已成为水环境评价与源解析的重要工具。其中，主成分分析通过降维处理，将多个相关变量转化为少数几个独立主成分，从而识别影响水质的主要驱动因素；聚类分析则根据水质相似性对采样点或河道进行归类，有助于划分污染等级和管理单元。

鉴于此，本研究以津南区10条主要河道为研究对象，基于2023年监测数据，综合运用主成分分析与聚类分析方法，旨在：（1）揭示区域地表水质的空间分异特征；（2）识别影响水质的主要污染因子及其贡献；（3）解析污染来源与成因；（4）提出针对性治理建议，以期为津南区水环境污染防治与生态修复提供数据支撑与决策参考。

1研究区域与方法

1.1研究区域概况

天津市津南区（北纬38°50′–39°05′，东经117°14′–117°33′）位于天津市东南部，海河南岸，总面积约420平方公里。该区属温带半湿润季风气候，四季分明，年平均气温约12℃，年均降水量约550毫米，降水多集中于夏季（6–8月）。区域地势低平，河网纵横，主要水系包括海河、月牙河、外环河、洪泥河、卫津河等10余条骨干河道，形成“一轴多支”的水网格局。这些河道兼具行洪排涝、水资源调配、景观休闲和生态保育等功能，是区域水循环与生态过程的重要载体。近年来，津南区城镇化与工业化进程加快，人口集聚与经济增长导致水环境压力持续增大，部分河道水质长期处于Ⅳ类至劣Ⅴ类水平，水生态系统服务功能受到一定程度影响。

1.2数据来源与评价标准

本研究水质数据来源于津南区生态环境局发布的《天津市津南区环境质量公报（2023年第12期）》，监测时间为2023年12月，采样点为各河道代表性断面，监测方式为手工采样与实验室分析。选取四项关键水质指标：高锰酸盐指数（CODMn，反映水体中有机物和还原性无机物的污染程度）、氨氮（NH₃-N，指示生活污水和农业面源污染）、总磷（TP，反映水体富营养化程度）以及化学需氧量（COD，表征水体受有机物污染的程度）。这四项指标能够较为全面地反映水体的营养状态、有机污染及氧化还原特性。

水质评价依据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）进行，将水质类别划分为Ⅰ类（优）、Ⅱ类（良好）、Ⅲ类（轻度污染）、Ⅳ类（中度污染）、Ⅴ类（重度污染）和劣Ⅴ类（严重污染）。各指标标准限值如表1所示：

表1水质指标标准限值（单位：mg/L）

10条河道水质监测数据汇总如表2所示。

表2 2023年津南区主要河道水质监测数据（单位：mg/L）

1.3分析方法

1.3.1聚类分析（CA）

采用系统聚类法（Hierarchical Cluster Analysis）对10条河道进行水质分类。以欧氏距离（Euclidean Distance）衡量样本间的相似性，连接方法选用组间平均链锁法（Between-groups Linkage）。聚类结果通过树状图（Dendrogram）直观展示，并根据水质指标特征将河道划分为不同污染等级组别。

1.3.2主成分分析（PCA）

主成分分析用于降维和识别影响水质的主要因素。首先对原始数据进行标准化处理（Z-score标准化），以消除量纲影响。随后进行KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）检验与巴特利特球形检验（Bartlett’s Test of Sphericity），判断数据是否适合进行因子分析。依据特征值大于1的原则提取主成分，并通过方差最大正交旋转（Varimax Rotation）获得旋转后的因子载荷矩阵，以明确各主成分与原始变量的关联程度。主成分的累积方差贡献率反映其对原始信息的解释能力。

1.3.3软件实现

以上分析均通过SPSS 26.0软件完成。

2结果与分析

2.1水质现状评价

根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）对单项指标进行评价，结果如表2所示。10条河道中，仅卫津河所有指标均达到Ⅲ类标准，水质相对较好；海河、洪泥河、先锋排水河、大沽排水河和马厂减河等5条河道水质为Ⅳ类；幸福河为Ⅴ类；外环河、月牙河和双桥河等3条河道为劣Ⅴ类，占比达30%，表明局部污染较为严重。

从单项指标看，氨氮浓度在外环河最高（2.39 mg/L），超过Ⅴ类标准限值（2.0 mg/L）；总磷浓度在外环河也最高（0.51 mg/L），超过Ⅴ类标准（0.4 mg/L）；高锰酸盐指数在双桥河最高（9.9 mg/L），接近Ⅳ类上限（10 mg/L）；化学需氧量在双桥河最高（49 mg/L），超过Ⅴ类标准（40 mg/L）。由此可见，氨氮和总磷是导致部分河道水质劣化的关键指标，反映出津南区地表水污染以营养盐污染为主要特征，可能来源于生活污水、畜禽养殖及农业化肥流失。

表3津南区主要河道水质类别评价结果

2.2聚类分析结果

聚类分析将津南区10条主要河道分3个群组：

第一类（轻度污染组）：包括卫津河、先锋排水河、洪泥河和大沽排水河。该类河道各项水质指标浓度相对较低，NH₃-N均值0.48 mg/L，TP均值0.11 mg/L，水质总体达到Ⅲ类至Ⅳ类，表征受人为干扰较轻、自净能力相对较好的河段。

第二类（中度污染组）：包括海河、马厂减河和幸福河。该类河道营养盐和有机物指标有所升高，NH₃-N均值1.20 mg/L，TP均值0.27 mg/L，水质处于Ⅳ类至Ⅴ类水平，反映受农业面源、城镇污水混合影响的中度污染状态。

第三类（重度污染组）：包括外环河、月牙河和双桥河。该类河道污染最为严重，NH₃-N均值1.49 mg/L，TP均值0.32 mg/L，COD均值40.3 mg/L，多项指标超过Ⅴ类标准，表明受高强度人类活动影响，可能存在点源或集中污染输入。

聚类结果与单因子评价结论基本一致，清晰展示了津南区地表水质的空间梯度分异，为实施“分区、分类、分级”差异化治理提供了依据。

2.3主成分分析结果

2.3.1适用性检验

KMO检验值为0.623（＞0.6），巴特利特球形检验χ²=42.367（自由度df=6，P＜0.001），表明变量间存在显著相关性，适合进行主成分分析。

2.3.2主成分提取

依据特征值大于1的原则，共提取3个主成分（PC1、PC2、PC3），累计方差贡献率达88.62%，能够较好地代表原始4个水质指标的信息量（表4）。

表4主成分特征值与方差贡献率

2.3.3因子载荷矩阵

经方差最大正交旋转后，各主成分的物理意义更加明确（表5）。

表5旋转后的因子载荷矩阵

PC1：在NH₃-N和TP上具有高载荷（分别为0.892和0.876），方差贡献率53.37%，代表“生活与养殖污染源”。该成分主要反映来自生活污水、畜禽养殖废水等点源或分散源输入的氮、磷营养盐污染，是津南区地表水质最主要的影响因子。

PC2：与COD和CODMn高度相关（载荷分别为0.854和0.832），方差贡献率26.45%，代表“农业面源与有机物污染”。该成分表征农田径流、有机废弃物降解等过程引入的有机污染物，反映农业活动与部分工业排放对水质的综合影响。

PC3：在CODMn上具有中等载荷（0.521），方差贡献率8.80%，可能反映“自然背景与水文条件”的影响，如水体滞留时间、泥沙再悬浮、内源释放等过程对有机质含量的贡献。

3污染成因解析

3.1生活与养殖污染源

主成分分析表明，以氨氮和总磷为代表的营养盐污染是津南区地表水质的首要压力来源。随着城镇化快速发展，津南区常住人口持续增长，生活污水产生量逐年增加。部分老旧城区及城乡结合部排水系统不完善，雨污分流不彻底，导致生活污水直排或溢流入河。此外，农村地区污水处理设施覆盖率偏低，散户养殖废水未经处理直接排放，进一步加剧了河道中氮、磷的累积。外环河、月牙河等流经人口密集区或养殖集中区的河道，受该类污染影响尤为显著。

3.2农业与工业污染源

津南区是天津市重要的农业生产基地，化肥与农药使用量较大。在降雨冲刷作用下，农田中残留的氮、磷养分及有机物质通过地表径流进入河道，造成面源污染。主成分PC2的高载荷说明农业非点源输入对水体有机物含量有重要贡献。同时，区域内分布有多个工业园区，部分企业存在废水处理设施不完善、运行不正常等问题，工业废水中的有机物和营养盐可能对临近河道造成点源污染。例如，大韩庄垃圾填埋场渗滤液处理能力不足，对周边水体构成潜在威胁，已被生态环境部门列为警示案例。

3.3河道水动力与自然背景条件

津南区地处平原，河道坡降小、流速缓，水体自净能力有限，污染物易沉积积累。季节性降水不均也影响水质动态：夏季强降雨期间，地表径流携带大量污染物入河，导致短期水质恶化；冬季枯水期，河道基流小、稀释能力弱，污染物浓度相对升高。此外，底泥中营养盐的释放（内源污染）也可能在特定条件下加剧水体富营养化，这在一定程度上被PC3所反映。

4结论与建议

4.1主要结论

天津市津南区地表水环境质量总体呈“局部重污染、整体中轻度污染”的格局。10条主要河道中，30%为劣Ⅴ类水质，主要超标指标为氨氮和总磷。

聚类分析将河道划分为轻度、中度和重度污染三类，空间分异明显，外环河、月牙河及双桥河为污染重点区域。

主成分分析提取出3个主成分，累计解释方差88.62%。其中PC1（生活与养殖污染源）贡献最大（53.37%），PC2（农业面源与有机物污染）次之（26.45%），PC3（自然背景影响）贡献较小（8.80%）。

污染来源以生活污水和养殖废水为主，农业面源和工业排放为辅，河道水动力条件不足和季节性水文变化加剧了水质恶化。

4.2治理建议

强化生活污水收集处理：加快老旧城区及农村地区污水管网建设与改造，全面推进雨污分流，提高污水处理厂出水标准，严格控制氮磷排放。

推进农业面源污染防治：推广生态农业与精准施肥技术，建设农田退水生态拦截沟渠，加强畜禽养殖废水资源化利用与达标排放监管。

实施河道差异化治理：对重度污染河道（如外环河、月牙河）开展专项清淤、生态修复与活水循环工程；对中度污染河道强化沿线排污口排查与整治；对轻度污染河道加强日常维护与生态保育。

完善监测预警体系：在重点河段增设自动监测站点，结合遥感与大数据技术，构建水质动态监控与污染溯源平台，实现精细化管理。

加强跨部门协调与公众参与：建立“河长制”联动机制，明确各部门职责；开展环保宣传教育，鼓励公众参与河道巡查与保护，形成共治共享格局。

参考文献

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