大伙房水庫(kù)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)特征分析

黃 瑞，張防修，孫 娟，劉軍英

（1.河海大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京210001；2.揚(yáng)州環(huán)境資源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225217；3.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州450003）

水庫(kù)水體是一個(gè)多因素相互作用的系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者利用主成分分析方法對(duì)水庫(kù)水體質(zhì)量展開綜合分析［1-3］。水庫(kù)來(lái)水受周圍環(huán)境的影響往往存在特征污染，從而對(duì)整個(gè)水庫(kù)水體產(chǎn)生復(fù)雜的綜合影響。因此，確定水庫(kù)來(lái)水的水質(zhì)特征對(duì)于控制水庫(kù)污染，實(shí)施有針對(duì)性的環(huán)境管理具有重要意義。本文針對(duì)大伙房水庫(kù)的3個(gè)主要來(lái)水源：渾河、蘇子河、社河，選擇對(duì)應(yīng)的北雜木、古樓、臺(tái)溝3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在2000—2003年間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，基于SPSS16.0分析軟件平臺(tái)，選用主成分分析法展開分析。旨在明確水庫(kù)各主要來(lái)水的水質(zhì)特征，分析污染成因，以采取有針對(duì)性的管理措施。

1 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究對(duì)象

大伙房水庫(kù)是國(guó)家重點(diǎn)水源地之一，水庫(kù)位于渾河中上游撫順境內(nèi)，水庫(kù)由渾河及其支流蘇子河、社河匯流而成。水庫(kù)控制流域面積5437km2，水庫(kù)最大庫(kù)容21.87億m3，為遼寧省7市2300萬(wàn)人口提供水源。

近年來(lái)，由于水庫(kù)上游3條河系受大量的工業(yè)與生活排污，農(nóng)業(yè)施用化肥和農(nóng)藥及庫(kù)區(qū)內(nèi)旅游業(yè)的興起，使大伙房水庫(kù)水體受到了污染，水庫(kù)水質(zhì)的溶解氧呈逐年下降的趨勢(shì)，水庫(kù)底泥中的重金屬含量已高達(dá)源頭土壤的1～4倍。水庫(kù)中氮、磷物質(zhì)不斷增加，藻華現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。正確地開展水質(zhì)分析，確定來(lái)水的污染特征對(duì)于保護(hù)庫(kù)區(qū)的生態(tài)安全具有重要價(jià)值。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取2000—2003年期間北雜木、古樓、臺(tái)溝3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的位置如圖1所示。結(jié)合實(shí)際情況，將水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為pH值（X1）、溶解氧（X2）、化學(xué)耗氧量（X3）、生化需氧量（X4）、氨氮（X5）、亞硝酸鹽氮（X6）、硝酸鹽氮（X7）、總磷（X8）、總氮（X9）、石油類（X10）、汞（X11）、鎘（X12）、鉛（X13）、銅（X14）、鋅（X15）、大腸菌群（X16）共16項(xiàng)。研究數(shù)據(jù)來(lái)源于《大伙房水庫(kù)志》。由于數(shù)據(jù)量龐大，僅列出各位置的年內(nèi)平均值，見表1～3。

圖1 水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面位置

表1 北雜木監(jiān)測(cè)斷面2000—2003年監(jiān)測(cè)指標(biāo)平均值 單位：mg/L

表2 古樓監(jiān)測(cè)斷面2000—2003年監(jiān)測(cè)指標(biāo)平均值 單位：mg/L

表3 臺(tái)溝監(jiān)測(cè)斷面2000—2003年監(jiān)測(cè)指標(biāo)平均值 單位：mg/L

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 北雜木監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)所選的16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行處理，得到2個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)83.33%，見表4。說(shuō)明第1、2個(gè)主成分已經(jīng)包含了以上16個(gè)指標(biāo)的所有信息，其對(duì)水質(zhì)變化的影響最大。進(jìn)而對(duì)第1主成分進(jìn)行載荷值計(jì)算，見表5。第1主成分與pH值、化學(xué)耗氧量、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮、鎘密切相關(guān)；第2主成分與生化需氧量、總磷、汞、銅、鋅、大腸菌群密切相關(guān)。這表明渾河受污染的原因主要是上游工業(yè)廢水排放，其次是生活廢水的排放。

表4 3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各主成分貢獻(xiàn)率

表5 初始因子載荷矩陣

根據(jù)主成分特征向量，各指標(biāo)與第1、2主成分的y1、y2的線性關(guān)系為：

y1＝－0.327X1－0.109X2＋0.321X3＋0.177X4＋0.324X5＋0.347X6＋0.374X7＋0.007X8＋0.378X9－0.234X10－0.075X11－0.301X12＋0.225X13＋0.113X14＋0.140X15－0.048X16

y2＝0.114X1－0.023X2＋0.208X3＋0.334X4－0.162X5＋0.033X6－0.041X7＋0.366X8＋0.0007X9＋0.255X10－0.326X11－0.218X12－0.284X13－0.342X14＋0.365X15＋0.342X16

按照主成分yl和y2與相應(yīng)的貢獻(xiàn)率之積的和（綜合得分y＝y(tǒng)1×43.76%＋y2×39.576%），計(jì)算出監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)污染綜合評(píng)價(jià)得分，見表6。

表6 各斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)綜合結(jié)果

2.2 古樓監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)處理與分析

基于SPSS16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)所選的16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行處理，得到2個(gè)主成分，及累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)83.52%，見表4。對(duì)第1主成分進(jìn)行載荷值計(jì)算，從主成分載荷大小來(lái)看，第1主成分與生化需氧量、氨氮、亞硝酸鹽氮、總磷、汞、銅、鋅、大腸菌群密切相關(guān)；第2主成分與化學(xué)耗氧量、硝酸鹽氮、鎘密切相關(guān)，由此表明蘇子河主要受農(nóng)業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)的污染。

根據(jù)主成分特征向量，各指標(biāo)與第1、2主成分的y1、y2的線性關(guān)系為：

y1＝－0.264X1＋0.06X2－0.218X3＋0.321X4－0.288X5＋0.311X6＋0.201X7＋0.3X8＋0.126X9＋0.2247X10－0.279X11－0.04X12－0.227X13－0.281X14＋0.298X15＋0.318X16

y2＝0.246X1－0.019X2＋0.343X3＋0.077X4－0.233X5＋0.103X6－0.342X7＋0.212X8－0.354X9＋0.326X10＋0.170X11＋0.443X12－0.187X13－0.224X14－0.210X15＋0.051X16

按照主成分yl和y2與相應(yīng)的貢獻(xiàn)率之積的和（綜合得分y＝y(tǒng)1×54.78%＋y2×28.74%），計(jì)算出監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)污染綜合評(píng)價(jià)得分，見表6。

2.3 臺(tái)溝監(jiān)測(cè)斷面綜合分析

基于SPSS16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)所選的16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行處理，得到2個(gè)主成分，及累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)83.41%，見表4。說(shuō)明第1、2主成分已經(jīng)包含了以上16個(gè)指標(biāo)的所有信息，其對(duì)水質(zhì)變化的影響最大，進(jìn)而對(duì)第1主成分進(jìn)行載荷值計(jì)算，從主成分載荷大小來(lái)看，第1主成分與溶解氧、生化需氧量、氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮、石油類密切相關(guān)；第2主成分與總磷、汞、銅、鋅、大腸密切相關(guān)。由此表明，社河的水源受農(nóng)業(yè)污染與工業(yè)污染的雙重影響。

按照主成分yl和y2與相應(yīng)的貢獻(xiàn)率之積的和（綜合得分y＝y(tǒng)1×46.53%＋y2×36.87%），計(jì)算出監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)污染綜合評(píng)價(jià)得分，見表6。

3 討論

水庫(kù)是多水源共同作用的復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)主成分分析法分析大伙房水庫(kù)3個(gè)主要來(lái)水源的水質(zhì)指標(biāo)信息可以在原有數(shù)據(jù)信息丟失最小的前提下，提取主要的影響因子，從而對(duì)水體進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)［4－5］。通過(guò)對(duì)北雜木、古樓、臺(tái)溝3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在2000—2003年間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，渾河受污染的原因主要是上游工業(yè)廢水排放，其次是生活廢水的排放；蘇子河主要受農(nóng)業(yè)污染影響較明顯，同時(shí)區(qū)域的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也帶來(lái)了一定程度的營(yíng)養(yǎng)鹽污染；社河的水源受農(nóng)業(yè)污染與工業(yè)污染的雙重影響。從水質(zhì)污染綜合評(píng)價(jià)的年際變化特征來(lái)看，在2000—2003年期間，渾河綜合水質(zhì)有加重污染的趨勢(shì)，而蘇子河和社河的水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。要控制大伙房水庫(kù)3大主要來(lái)水源的水質(zhì)，從來(lái)水的區(qū)域特征來(lái)看，渾河治理應(yīng)減少上游工業(yè)企業(yè)數(shù)量，降低工業(yè)污水和生活污水對(duì)河道的影響，并對(duì)不能搬離企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管，嚴(yán)禁工業(yè)廢水和生活廢水未經(jīng)處理直接向河道排放，蘇子河水域周邊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)減少農(nóng)藥化肥的使用，同時(shí)采用滴灌的方式，以有效防止過(guò)多的灌溉用水?dāng)y化肥等流入河道。社河水域周邊同樣應(yīng)減少粗放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所帶來(lái)的農(nóng)藥、化肥污染，同時(shí)嚴(yán)格監(jiān)管工業(yè)污水對(duì)河道的污染。

［1］韓曉剛，黃廷林，陳秀珍.基于主成分分析的原水水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)［J］.人民黃河，2010，32（6）：62－65.

［2］趙有益，劉彤彤.黃河蘭州段水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)［J］.人民黃河，2010，32（6）：48－51.

［3］凌敏華，左其亭.水質(zhì)評(píng)價(jià)的模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用研究［J］.人民黃河，2006，28（8）：34－36.

［4］任廣平.因子分析及其在河網(wǎng)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005，6（4）：91－94.

［5］劉德林，劉賢趙.主成分分析在河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.水土保持研究，2006，13（3）：124－128.