当前世界环境

介绍

多年来，河流逐渐受到人为干预造成的环境压力。¹河流的水质受到几个相互关联的因素的影响，这些因素除了受到流量的影响外，还受到当地和时间变化的影响。²由于污染、大规模筑坝、采砂等人为压力的增加，河流的自然自净能力被限制到最低水平。^3.过量的营养物质以富营养化的形式进入河流环境，对人类健康以及淡水生态系统中的其他生物群构成威胁。^28、29因此，了解水质退化的程度和污染源对有效管理水资源是很重要的。

描述分析解释河流水质的传统技术有几个局限性⁴污染源分配中未检测变量间的相关性和描述不清影响水质状况。环境测量技术的使用有可能超越这些限制。

环境计量学是应用于环境问题的多元统计技术。环境计量学，即多元统计技术的应用，是水质问题环境决策的重要工具。⁴相关分析和主成分分析(PA)在世界范围内成功地应用于研究影响水质的潜在因素和机制。^{5、6、7,8,9,10,11}

此外，污染指数通过比较不同变量的标准，以单一值提供有关水质的补充信息。文献中有大量的各种水质指标¹²并根据评价的目的，制定了世界范围内的水质指标:哈金斯指数;¹³霍顿质量指数¹⁴水质指数¹⁵农业水质指数¹⁶等。同样，为了评估污染等级，某些特定的污染指数，即卡尔森营养状态指数，¹⁷有机污染指数;¹⁸综合污染指数;¹⁹富营养化指数^20.已被广泛应用于许多研究中。^{21日,22日,23日,24日,25岁}

卡拉马纳河(KR)是满足蒂鲁凡得琅市生活和饮用目的的主要资源。这条热带河流与全球其他人口过剩的河流流域一样，正承受着快速城市化带来的持续压力^{26日,27日28}关于这条河水质的可用数据非常少。因此，监测这条河的水质在目前的情况下是非常重要的。在此背景下，本研究旨在利用环境技术，即Pearson相关分析和主成分分析，以及污染指数，即有机污染指数(OPI)，富营养化指数(EI)和综合污染指数(CPI)，概述KR的污染状况及其潜在来源。

研究区域

卡拉马纳河流域，KRB (n= 6)^th;L= 68 km;A = 702 km²)，是印度西南部喀拉拉邦南部著名的河流流域之一。该盆地位于北纬8′°27′36”至北纬8′°38′24”，东经76′°54′0”至77′°15′0”之间。卡拉马纳河(KR)发源于西高止山脉的Chemmunji Motta和athiramala山峰，向西流动，在蒂鲁凡南得琅西南的Poonthura(河口)汇入阿拉伯海。基利亚尔(n= 5)^th;L= 24公里，A= 102公里²)与蒲图拉河口上游约3公里处的KR汇合(图1)。TS运河(Parvathy Puthanar canal)与海岸平行，未经处理的污水流入，进一步污染了KR的下游。KR的年平均流量计算为836毫米^3.．^30.

方法

2015年取样时间为非季风季节(3月)和季风季节(6月)。从上游到下游(间隔3 km)共确定了12个采样点，并采用标准程序分析了理化参数。^31、32

采用SPSS 17软件进行相关分析和因子分析。Spearman相关是通过将Pearson相关公式应用于数据的秩来计算的。

皮尔逊相关分析(r)是两个定量变量线性相关程度的度量。它概括了变量对之间线性关系的大小。relationship的取值范围为-1到+1，其中+1表示绝对完美的正线性关系，0表示没有线性关系，-1表示双变量之间的绝对反比关系。相关系数值前面的符号决定了关系的方向。正号表示正相关，负号表示负相关。相关性(r)提供了两个变量之间线性关联的标准化度量，如公式1所示。

其中x和y是相关的二变量S_x和S_y分别为变量x和变量y的样本标准差。

PCA将相对大量的变量减少为仍然捕获相同信息的较小的变量集。³³PCA是提取一组独立的研究参数的线性组合，从而捕获给定数据集的最大可变性。主成分分析可以用公式2来计算。

在哪里j是被测变量，f是因子加载，z是因子得分，e残差项是否能解释误差，我是样本数，和米是因子的总数。

将变差旋转法应用于因子分析中，根据已建立的规则旋转主成分分析定义的轴，以寻找数据集的简单结构。通过这种方法，得到的变量更清晰地显示了原来的变量³³因此，通过实现对潜在因素的更简单和有意义的表示。³⁴

在此基础上，通过计算有机污染指数(OPI)、富营养化指数(EI)和综合污染指数(CPI)来评价河流的污染状况。

有机污染指数(OPI)由化学需氧量(COD)、溶解无机氮(DIN)、溶解无机磷(DIP)和溶解氧(DO)四个参数的值计算得出。¹⁸

OPI < 0:优秀;0 - 1:好;1-2:开始被污染;2-3:轻度污染;3-4:中度污染;4-5:污染严重。¹⁸cod、din、dip和do是BIS和WHO定义的标准浓度。

采用富营养化指数(EI)评价水体的营养状况。

式中，COD、DIN、DIP的单位为mg/L。EI > 1:富营养化;EI<1:无富营养化。^20.

综合污染指数(CPI)是在评价单因素指数和评价各因素综合效应的基础上计算得出的。CPI用于评价不同地点水体的污染程度。

消费者价格指数< 0.8:合格;0.8-1:基本量化;1-2:污染严重，CPI>2:污染严重。¹⁹

表1:具有显著特征的采样站示意图

样品标识	取样站	经纬度	讲话
S1	Aryanad桥	北纬08′°34′37.8 "，东经77′°05′12.6 "	浓密的河岸植被
S2	Uzhamalakkal	北纬08´°35 ' 12.4 "，东经77´°03 ' 48.1 "	橡胶种植园
S3	Koovakudi桥	N 08′°34′26.1 "，e 77′°02′14.8 "	大坝上游的橡胶种植园
S4	Aruvikkara大坝	N 08′°34′14.8”，e 77′°01′17.3”	农业，水坝，旅游业
S5	Irumba	N 08′°33′47.1 "，e 77′°00′15.6 "	非法采砂
S6	Vellaikkadavu	N 08´°31 ' 51.6 "，e 77´°00 ' 44.9 "	农业、污水排放、采砂
S7	Kundamankadavu桥	N 08´°30 ' 57.2 "，e 77´°00 ' 03.4 "	废弃物倾倒可见，采砂可见
S8	Karamana桥	N 08′°28′39.3 "，e 76′°58′12.4 "	汽车尾气，河流流量减少，河岸人口稠密
S9	Madhupalam	N 08′°27′48.0 "，e 76′°57′28.0 "	鱼死可见，河水流速甚少
S10	Kalladimukham	北纬08′°27′11.9”，东经76′°57′36.2”	基利亚尔河与卡拉马纳河汇合
S11	Thiruvallam	N 08°26 ' 25.0 "，e 76°57 ' 16.0 "	Parvathi Puthanar运河与Karamana河汇合，粪便污染，流速很低。
S12	Poonthura	北纬08′°25′35.0 "，东经76′°57′32.1 "	河口、旅游活动

图1:研究区域的位置图 点击此处查看图

结果与讨论

表2和表3总结了非季风(Non)和季风(MON)的地表水化学变量的结果。在时空上，pH值从微酸性到碱性不等。

表2:非季风条件下卡拉马纳河理化参数。

参数	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8	S9	S10	S11	S12	的意思是
临时(°C)	30.1	30.4	30.2	29.3	30.2	30.4	31.6	32.3	32.6	32.3	32.8	33	31.3
pH值	6.5	6.2	6.3	7.31	7.2	7.42	7.29	7.32	7.53	7.7	7.86	7.96	7.2
(毫克/升)	7.6	7.3	6．8	6.6	6	6.7	6.2	5.8	3.6	1.1	0．2	0.8	4.9
BOD(毫克/升)	0.6	0.8	1.1	2.4	2.9	3.8	3.6	7.3	12.8	46.2	52.3	48.2	15.2
鳕鱼(毫克/升)	4.1	5.9	6.3	14.3	11.2	18.7	21.2	26	47	88.2	127.8	119.1	40.8
TH(毫克/升)	14	30.	14	19	24	50	62	88	127	153	182	221	82
Ca(毫克/升)	8.8	20.2	12.2	16.2	18.3	43.4	54	73.5	109	130.2	154.3	190	69.2
毫克(毫克/升)	0.85	8.17	0.36	1.39	0.7	4.51	6.36	10.7	15.37	20.61	24.32	29.02	10.2
Na(毫克/升)	1.4	1	1	0.9	1.2	1.4	52.1	163	221	824	1569	2530	447.2
K(毫克/升)	0.5	0．4	0.6	0.6	1.4	2.2	1.1	5.6	7.8	16.2	38.6	78.3	12.8
Cl(毫克/升)	12	19	28.3	34.5	78.9	112	219.83	290.74	336.84	758.1	912	1012.2	317.9
所以4(毫克/升)	3．3	14	7.7	9.2	14.3	19.3	17.6	28.2	59.3	77.8	162.2	376.2	65.7
没有3.(毫克/升)	1.2	2.6	4.2	2.3	2.2	3.7	10.2	27	39	46.2	49	52	19.9
没有2(毫克/升)	0.17	0.27	0.3	0.22	0.28	0.37	0.46	0.61	0.62	0.68	0.71	0．75	0．4
NH3.(毫克/升)	0.01	0.04	0.03	0．02	0．1	0.09	0.12	0.21	0.17	0.73	0.65	0.24	0．2
DIN(毫克/升)	1.38	2.91	4.53	2.54	2.58	4.16	10.78	27.82	39.79	47.61	50.36	52.99	20.6
浸渍(毫克/升)	0．2	0.3	0．4	0.3	0．2	0．2	0.5	0.7	0.9	0.6	1.1	0.9	0.5

do -溶解氧，bod -生化需氧量，cod -化学需氧量，TH-总硬度，din -溶解无机氮，dip -溶解无机磷

表3:Karamana河季风期理化参数

参数	S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8	S9	S10	S11	S12	的意思是
临时(°C)	28.4	28.8	29.3	27.2	28	28.4	29.6	29.4	29.5	29	30.2	29.2	28.9
pH值	6.1	6.1	6.2	7.1	6．8	6.9	6.89	7.1	7.2	7.76	7.77	7.89	6.9
(毫克/升)	8.8	9.2	8.4	8.2	7.9	7.3	7	6.6	5.4	3.7	0.8	1.2	6.2
BOD(毫克/升)	0．4	0.5	0.9	1.2	1.1	2.3	2.7	4.6	8.9	33.7	44.1	42.5	11.9
鳕鱼(毫克/升)	3.	4.6	5.1	7.8	9.3	13.4	17.3	23.2	43.5	81	115.9	112.3	36.4
TH(毫克/升)	6	20.	8	12	22	43	54	75	112	132	146	213	70.2
Ca(毫克/升)	4.3	11.4	6.2	10.4	17.6	37.2	43.9	61.5	93.8	121	128.3	182.6	59.8
毫克(毫克/升)	0.8	8	0.43	0.39	1.8	4.09	8.49	9.88	16.15	10.44	16.03	26.4	8．6
Na(毫克/升)	2.6	0.9	7.8	7.6	8.3	8.8	27.8	50.2	186.5	322.9	752	1067.8	203.6
K(毫克/升)	0．2	0.8	0．2	0.3	2.2	3．5	3.2	2.3	4.3	9.7	11.2	15.2	4.4
Cl(毫克/升)	16	22	22.1	30.2	72.2	108	202.4	213.25	221	339.3	543.2	776.9	213.8
所以4(毫克/升)	2.2	9.8	4.3	8.2	10	16.2	12.2	22.1	51.2	69.7	106.6	121	36.1
没有3.(毫克/升)	2.5	3．3	3.1	1.8	1.9	4.6	14.5	33.2	40.2	48.3	51.2	48.2	21.1
没有2(毫克/升)	0.21	0.34	0．4	0.54	0．55	0.6	0.72	0.82	0.77	0.79	0.81	0.87	0.6
NH3.(毫克/升)	0．15	0.09	0.09	0.13	0.09	0.05	0.06	0.05	0.07	0.9	0.59	1.48	0.3
DIN(毫克/升)	2.86	3.73	3.59	2.47	2.54	5.25	15.28	34.07	41.04	49.99	52.6	50.55	21.9
浸渍(毫克/升)	0.8	1	1.2	0.6	0．4	0．4	0.8	0.8	1	0.9	2.1	1.2	0.9

do -溶解氧，bod -生化需氧量，cod -化学需氧量，TH-总硬度，din -溶解无机氮，dip -溶解无机磷

KR中的DO低于标准限量(6mg /L)。³⁵这是由于营养丰富的基利河和TS运河的输入(图1)。BOD值超过标准限值(2mg /L)³⁵从中游向下游(即S6至S12)，表现出强烈的人为影响特征。BOD特征反映了有机化合物的高负荷促进了微生物的生长，从而降低了水中DO的水平。从8号站开始，氯离子浓度也呈上升趋势，已超过允许限值(250 mg/L)。³⁵这两个季节都显示了海洋的影响。没有_3.也超过了标准限量(45毫克/升)³⁵在两个季节下游的最后三个站(S10-S12)(表2和3)，这可能是由于污水输入所致。上游和中游河段(S1 ~ S6)水质总体较好;从中游(S7)开始呈下降趋势，向下游呈下降趋势，尤其是下游最后4 km段。

NON期间阳离子的总体趋势为Na⁺> Ca^２＋> K⁺>毫克^２＋(平均值分别为447.17、69.17、12.77和10.20 mg/L)和Na⁺> Ca^２＋>毫克^２＋> K⁺(分别为203.6、59.85、8.57和4.42 mg/L)，但在NON和MON期间阴离子的变化顺序与Cl相同^->所以₄^->没有_3.^->阿宝₄^->没有₂^-(NON平均值分别为317.87、65.75、19.97、0.52、0.45 mg/L;MON均值分别为213.88、36.12、21.06、0.93、0.62 mg/L)。

从研究中可以明显看出，大部分属性如TH、Ca、Mg、Na、K、Cl、NO_3.,没有₂,所以₄BOD和COD在两个季节均呈现由上游向下增加的趋势。而其他变量，比如温度，NH_3.和DIP(图2)呈现不稳定趋势，两个季节的DO均呈现由上游到下游的下降趋势(图2)。

图2:DO、Cl、DIN和DIP从上游到下游的时空变化 点击此处查看图

Environmetrics

环境计量学，也被称为多元统计分析技术，即相关性和主成分分析，以确定影响KR水质的因素。

相关分析

检验了主要离子与测量的其他物理参数之间的Pearson相关性。

在NON期间，SO₄呈弱相关(0.408)，不显著(p‰~ 0.05)与NH相关_3.重要的;重要的p< 0.05)和中度相关(r≥0.60 ~ < 0.80)_3.这表明，这些营养物质的来源可能是排放到河流中的废水，因为在干旱时期不适宜浸出。Ca与Mg、Na、SO呈显著正相关₄和Cl，这是海水入侵的迹象。在MON期间，DO和DIN呈显著负相关(-0.920)，而DIN受人为和大气输入的排列影响。NH_3.为中度相关(0.643)，不显著(p0.05‰«)。Mg显著(p< 0.05)，且r≥0.80)与Na、K、Cl相关，K与Cl、SO相关₄，所有这些都意味着这些营养物质的来源很可能是相同的，来源可能是淋滤。SO的中度相关₄没有_3.,没有₂DIP表明富营养化污水与淡水混合。

主成分分析(PCA)

NON和MON期间的PCA结果如表4和表5所示。

为了确定影响研究区水化学状况的因素，应用了主成分分析(PCA)，非季风期的分析揭示了三个有效解释水质变化的主成分(PCs)(表4)。

表4:非季风KR的主成分矩阵

旋转分量矩阵一个
参数	组件
	1	2	3.
临时	.868	.328	.325
浸	.826	.367	.304
没有2	.805	.363	.440
没有3.	.720	.448	.512
喧嚣	.719	.444	.517
Ca	.657	.590	.462
TH	.655	.590	.466
毫克	.626	.594	.465
所以4	.355	原来得到	.173
K	巨人队	.913	.223
Na	.346	.865	.356
Cl	.516	.625	.581
鳕鱼	.472	.623	.612
NH3.	原始素材	.127	.902
生化需氧量	.389	.585	.706
做	-.519	-.518	-.664
pH值	.493	.372	.516
特征值	14.63	1．09	收
方差百分比	86.04	6.40	3.57
提取方法:主成分分析法。 旋转方法:凯撒归一化的方差。
a. 6次迭代的旋转收敛。

非季风期的PC I解释了86.04%的总方差(表4)，温度、温度、DIP和NO的高负荷₂阳性负荷较强(>0.750)_3.、DIN、Ca、Mg、总硬度呈中等正负荷(<0.750)，说明硝化作用受水温升高的影响;³⁶DIP在河流沉积物中的吸附是水温升高的条件³⁷在旱季。无_3.， DIN, Ca, TH和Mg呈中等正负荷，表明NO_3.作为KR中DIN的主要来源，Ca, Mg和TH的组合表明这些参数受到单一来源的影响，可能是海水入侵。结果还表明，富营养化污水与海水之间存在连续混合。pcii占总方差的6.40%(表4)₄， K和Na具有较强的正载荷，这反映了风化和盐水的侵入。各参数对pciii的绝对贡献之和仅为3.57%。在这些因素中，NH_3.负荷最大(0.902)，而BOD、DO和pH表现为中等负荷，突出表现为人为污染。BOD与DO呈中度负相关。

季风期主成分分析(PCA)表明，3个pc有效解释了水质变化，它们解释了总方差的95.56%(表5)，其中pc I占总方差的85.51%(表5)，NH正负荷较强_3.Na, K, BOD, SO₄， COD和Cl。DO表现为中度负负荷;Ca、TH、Mg呈中等正负荷。这一成分受到海洋喷雾、次生盐淋滤和地表径流的影响。各参数对pcii的绝对贡献之和仅为7.24%。没有₂pH值呈现强正负荷;没有_3.DIN有中等正负荷。许多研究者研究了硝化作用与pH的关系^{38 39 40 41}．PC III解释了总方差的5.47%。温度和DIP是该组分中具有强正负荷的参数(表5)。这可能是由于矿化作用导致沉积物中磷酸盐释放随温度升高而增加。^42、43、44沉积物-水界面磷的释放导致上覆水体中溶解无机磷的增加。^{43 45 46 43}

表5:季风KR的主成分矩阵

旋转分量矩阵一个
参数	组件
	1	2	3.
NH3.	.928	.265	.045
Na	.879	.319	.310
生化需氧量	.829	.391	偶而
K	.825	.492	.231
所以4	.804	.469	.350
鳕鱼	.784	.473	.377
Cl	.776	.518	.299
做	-.725	-.556	-.373
Ca	.710	.636	.280
TH	.700	.638	.290
毫克	.598	.578	.375
没有2	.290	.923	.149
pH值	.590	.761	.029
没有3.	.508	.706	.438
喧嚣	.519	.704	.430
临时	)	.376	.888
浸	.445	.002	.855
特征值	14.03	1.23	0.93
方差百分比	85.51	7.24	5.47
提取方法:主成分分析法。 旋转方法:凯撒归一化的方差。
a.旋转在4次迭代中收敛。

污染指数

2015年非季风期和季风期卡拉马纳河有机污染指数(OPI)、富营养化指数(EI)和综合污染指数(CPI)结果分别如表6和表7所示。

表6卡拉马纳河非季风期污染指数变化(2015年)

网站	OPI	状态	EI	状态	消费者价格指数	状态
S1	-1.24	优秀的	0.00	没有富营养化	0.36	合格的
S2	-1.04	优秀的	0.00	没有富营养化	0.37	合格的
S3	-0.86	优秀的	0.00	没有富营养化	0.37	合格的
S4	-0.49	优秀的	0.00	没有富营养化	0.43	合格的
S5	-0.54	优秀的	0.00	没有富营养化	0.45	合格的
S6	-0.27	优秀的	0.00	没有富营养化	0.56	合格的
S7	0.16	好	0．02	没有富营养化	0.58	合格的
S8	0.89	好	0.11	没有富营养化	0.85	基本上量化
S9	2.68	轻	0.38	没有富营养化	1．15	被污染的
S10	5.36	严重	0.56	没有富营养化	3.06	严重污染
S11	7.68	严重	1.57	富营养化	3.48	严重污染
S12	7.14	严重	1.26	富营养化	3.42	严重污染

表7季风期间克拉玛纳河污染指数变化(2015年)

网站	OPI	状态	EI	状态	消费者价格指数	状态
S1	-1.39	优秀的	0.00	没有富营养化	0.41	合格的
S2	-1.33	优秀的	0.00	没有富营养化	0.44	合格的
S3	-1.11	优秀的	0.00	没有富营养化	0.43	合格的
S4	-1.07	优秀的	0.00	没有富营养化	0.43	合格的
S5	-0.98	优秀的	0.00	没有富营养化	0.43	合格的
S6	-0.59	优秀的	0.00	没有富营养化	0.50	合格的
S7	-0.04	好	0.05	没有富营养化	0.57	合格的
S8	0．75	好	0.14	没有富营养化	0.73	合格的
S9	2.19	轻	0.40	没有富营养化	0.99	基本上量化
S10	4.59	严重	0.81	没有富营养化	2.38	严重污染
S11	7.21	严重	2.84	富营养化	2.94	严重污染
S12	6.72	严重	1.51	富营养化	2.94	严重污染

河流指数中的有机污染指数(OPI)在NON -1.24 - 7.68和MON -1.39 - 7.21之间变化(表6和7)，在两个季节从优异到严重污染类别。发现这一范围高于世界上少数其他地区获得的OPI。^47、48下游(L= 4公里)的高OPI水平清楚地表明未经处理的污水输入和河流的稀释能力差。^3.根据OPI结果，KR S1-S8位置的地表水样本(图1)是优秀到良好分类的代表。

NON期间富营养化指数(EI)在0 ~ 1.57之间，MON期间为0 ~ 2.84，表明下游富营养化程度明显。Yadav et al. 2018²⁴利用EI对北印度Chambal河的水质进行了评价，发现EI值较KR低，EI值高(>1)明显表明下游(L=3 km)存在富营养水的混合;S11和S12)。TS运河被污染物超载⁴⁹，成为KR地区主要威胁点源之一(图3)。

非季节综合污染指数(CPI)为0.36 ~ 3.48，旱季为0.41 ~ 2.94，两季均为合格至严重污染。这些数值远高于其他几条印度河流的CPI，^24日,50但远低于印度北部欣登河的CPI，⁵¹范围从2.68到7.12。CPI的结果与OPI几乎遵循相同的趋势。

综合污染指数和水质评价结果，可以看出，KR最后4公里段污染严重。有趣的是，根据CPCB的标准i，这一段与被确定为污染最严重的印度河流段之一的区域相吻合。⁵²根据这些结果，下游至河口的一段明显的~4km被确定为“污染影响区(ZPI)”(图3)。

图3:带点源的克拉玛纳河污染分区图 点击此处查看图

结论

研究结果似乎为Karamana河- kr(喀拉拉邦，印度)的水质变化提供了证据。从非季风季节(NON)和季风季节(MON)地表水样品的理化分析来看，从上游到中游(L=45 km)水质较好。大部分参数(pH, Cl, DO, BOD, NO_3.等)超过了CPCB 1995的理想限值³⁵下游最后段(L=4 km)。环境分析，即Pearson相关分析和主成分分析(PCA)的应用表明，KR的水化学属性主要受自然(风化、大气沉积、海水入侵)和人为(污水流入)扰动的影响。上述发现得到了富营养化指数(EI)值的证实，并以此为基础;河流下游最后~ 3公里受富营养化影响。综合污染指数(CPI)和有机污染指数(OPI)结果表明，河流下游至河口约4 km河段污染严重。这条河的确定污染影响区(ZPI)需要利益相关者和管理者对污染物缓解计划给予最大的关注。环境和污染指标工具的应用是一项新兴技术;因此，很少有关于KR河的物理化学参数与水源分配关系的研究报道。这些环境工具提供了更客观的地表水物理化学参数解释和污染源识别，作为该流域可持续管理努力的一部分。

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