多元統(tǒng)計分析在典型湖庫型飲用水水源地水質(zhì)評價中的應(yīng)用

李清芳，姚靖，黃曉容，張永江，宋衛(wèi)華

(重慶市黔江區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，重慶 409099)

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多元統(tǒng)計分析在典型湖庫型飲用水水源地水質(zhì)評價中的應(yīng)用

李清芳，姚靖，黃曉容，張永江，宋衛(wèi)華

(重慶市黔江區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，重慶 409099)

湖庫型飲用水源地；衛(wèi)生學(xué)綜合評價；相關(guān)性分析；聚類分析

湖庫型飲用水源地是我國城市飲用水的主要水源之一，近年來，飲用水安全逐漸引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，也成為水環(huán)境研究領(lǐng)域重要課題之一[1-4]。根據(jù)全國近5 000個城市集中式飲用水源地調(diào)查，湖庫型飲用水源地所占比例為24.3%，供水量占總供水量的26.4%[5-6]。然而，受人類活動影響，大量湖庫型飲用水源地呈現(xiàn)不同程度污染，其中以水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化最為突出[7-9]。

飲用水源地水質(zhì)指標(biāo)項目眾多，在進(jìn)行水質(zhì)評價過程中會產(chǎn)生大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，由此導(dǎo)致在處理分析和解釋這類物理、化學(xué)和微生物等各種參數(shù)潛在關(guān)系具有一定難度，對準(zhǔn)確掌握水質(zhì)狀況造成一定影響[10-11]。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析處理中，多元統(tǒng)計分析具有簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并提取潛在信息優(yōu)點(diǎn)，其中相關(guān)性分析、主成分分析、因子分析、聚類分析等分析方法被廣泛運(yùn)用于水質(zhì)評價中[12-16]。Alberto W D等運(yùn)用聚類分析和主成分分析獲取了河流水質(zhì)時空變化規(guī)律取得了良好效果[17]。Bu H等人利用聚類分析和因子分析解釋了河流水質(zhì)上下游不斷變化的過程[18]，楊學(xué)福等人采用主成分分析法和絕對主成分多元先行回歸分析方法對渭河西咸段水體的污染特征進(jìn)行了綜合評價[12]。石建屏等人結(jié)合主成分分析法和綜合指數(shù)評價法，對綿陽飲用水水質(zhì)進(jìn)行了綜合評價，并提出了相應(yīng)的保護(hù)水源地水質(zhì)的措施[19]。這些研究表明，不同水體水質(zhì)存在較大差異，當(dāng)前研究主要集中在河流、農(nóng)村環(huán)境飲用水等水體研究上，對湖庫型飲用水源地水質(zhì)研究報道較少。

因此，為進(jìn)一步深入探討多元統(tǒng)計分析方法在水質(zhì)評價中運(yùn)用，本研究選擇具體特殊地域位置，武陵山區(qū)域黔江區(qū)城市集中式湖庫型飲用水源地(小南海水庫E108°44′58.8″，N29°38′45.9″、洞塘水庫E108°44′0.06″，N29°29′44.8″、城北水庫E108°45′56.6″，N29°33′27.5″)為研究對象，開展為期一年的長期觀測分析，采用衛(wèi)生學(xué)綜合評價和多元統(tǒng)計分析方法對湖庫型飲用水水質(zhì)評價分析，以期為湖庫型飲用水源地水域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 采樣及分析方法

根據(jù)相應(yīng)采樣技術(shù)規(guī)范要求[20]，2015年7月至2016年6月每月分別在3個湖庫型飲用水源地湖庫庫心采集水樣并進(jìn)行監(jiān)測分析，項目為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中基本項目(不含化學(xué)需氧量)23項及表2中5項，共計28項[21]，分析方法均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定[20]。監(jiān)測分析項目中，部分監(jiān)測項目指標(biāo)未檢出，為準(zhǔn)確反映水質(zhì)狀況，選取pH、DO、BOD5、CODMn、TP、TN等11項指標(biāo)進(jìn)行分析，采用衛(wèi)生學(xué)綜合評價方法對水質(zhì)進(jìn)行比較分析[21-22]，并運(yùn)用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行多元統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)分布特征

由為期一年監(jiān)測分析結(jié)果可以看出，3個湖庫型

水源地水質(zhì)pH值均在7.53～9.16，由此表明黔江區(qū)城市飲用水源地水質(zhì)呈弱堿性。水中DO含量在5.27～10.92 mg/L，3個水庫均具有較高溶解氧濃度，說明3個水庫水體具備較強(qiáng)自凈能力。3個水庫BOD5含量均不大于1.6 mg/L，CODMn含量分布在0.8～3.9 mg/L，說明3個水庫受有機(jī)物污染風(fēng)險較小。3個湖庫型飲用水源地TP含量分布在0.009～0.060 mg/L，TN含量相對較高，分布在0.504～0.978 mg/L，其中，NO3-N所占比重要大于NH3-N所占比重，NO3-N與NH3-N所占比重范圍分別為23.68%～76.91%、11.82%～59.32%。

圖1 11項水質(zhì)指標(biāo)隨季節(jié)變化分布特征Fig.1 Variation characteristics with season of the eleven detectable monitoring indicators

2.2 水質(zhì)衛(wèi)生學(xué)綜合評價

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[21]、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[22]、世界衛(wèi)生組織WHO《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》第四版、歐盟飲水指令以及2004美國環(huán)保署飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值對11項監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行衛(wèi)生學(xué)評價，結(jié)果見表1。由表1可以看出，毒理指標(biāo)衛(wèi)生學(xué)評價表明，3個水庫F-均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)、歐盟飲水指令和美國環(huán)保署飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求，NO3-N均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)、世界衛(wèi)生組織WHO《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》第四版以及美國環(huán)保署飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)衛(wèi)生學(xué)評價表明，pH存在不達(dá)標(biāo)情況，主要由于3個水庫水質(zhì)偏堿性所導(dǎo)致。DO、BOD5、CODMn、TP、TN、NH3-N均達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類以上標(biāo)準(zhǔn)要求。如TN加入評價評價指標(biāo)后，水質(zhì)無法達(dá)到Ⅱ類以上標(biāo)準(zhǔn)要求。參照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)評價，小南海NH3-N達(dá)標(biāo)率為67%，說明黔江區(qū)3個湖庫型飲用水源地，尤其是小南海水庫水體存在一定程度富營養(yǎng)化風(fēng)險，須進(jìn)一步加強(qiáng)水體富營養(yǎng)化污染防控措施。

表1 湖庫型水源地水質(zhì)衛(wèi)生學(xué)評價

注：a為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)；b為《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006);c為World Health Organization. Guidelines for drinking-water quality. Fourth edition. Geneva，2011；d為歐盟飲水指令；e為2004 USEPA飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

表2 監(jiān)測因子相關(guān)系數(shù)矩陣

注：**表示p<0.01，*表示p<0.05。

2.3 相關(guān)性分析

2.4 聚類分析

圖2 3個湖庫型水庫各監(jiān)測指標(biāo)組間聚類分析Fig.2 Cluster analysis on the monitoring factors of three lake reservoirs

3 結(jié)論

(2)水質(zhì)衛(wèi)生學(xué)綜合評價結(jié)果表明，3個水庫F-均滿足美國環(huán)保署、歐盟等標(biāo)準(zhǔn)限制要求，NO3-N均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)、世界衛(wèi)生組織WHO《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》第四版以及美國環(huán)保署飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)衛(wèi)生學(xué)評價表明，pH存在不達(dá)標(biāo)情況，主要由于3個水庫水質(zhì)偏堿性所導(dǎo)致。

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Application of Multivariate Statistical Analysis in the Water Quality Evaluation of Typical Lake Reservoirs

LI Qing-fang, YAO Jing, HUANG Xiao-rong, ZHANG Yong-jiang, SONG Wei-hua

(Environmental Monitoring Center Station of Qianjiang District in Chongqing, Chongqing 409099, China))

Systematic analysis combined with the data from the one-year monitoring was conducted on the seasonal variation rule of water quality of typical lake reservoirs (Dongtang reservoir, Xiaonanhai reservoir, and Chengbei reservoir) in Qianjiang District, Wuling mountain area, Chongqing. Comprehensive hygiene evaluation and multivariate statistical analysis were also implemented in the research and analysis. The results showed inconspicuous variations of pH, DO, BOD5, TN and Cl-with season in three lake reservoirs, which displayed weak alkalinity from the pH analysis. The water qualities of three lake reservoirs basically reached the drinking water standards stipulated by relevant provisions from USEPA, EU and other institutions. Moreover, the correlation analysis presented significant differences among the correlation of the monitoring indicators of different reservoirs, in particular, Cl-, SO42-displayed significant or very significant influence on the nitrogen-containing compounds, BOD5and CODMn, and thus became the important indicators influencing the water quality of three lake reservoirs. The cluster analysis also presented significant differences among the indicator polymerism of three lake reservoirs. Otherwise, the comparison among the cluster distances of all eleven monitoring indicators indicated that the indicators Cl-and SO42-were the foremost influence factors for the water quality of Dongtang reservoir, and also the second foremost influence factors for the water quality of the other two reservoirs. Meanwhile, the foremost influence factors for the water quality of Xiaonanhai reservoir and Chengbei reservoir are the nitrogen-containing compounds.

lake reservoir; comprehensive hygiene evaluation; correlation analysis; cluster analysis

2016-07-31

重慶市社會事業(yè)與民主保障科技創(chuàng)新專項(cstc2015shmszx0042)；重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究項目(cstc2015jcyjA0002)；黔江區(qū)科委項目(黔科計2015046)

李清芳(1987—)，女，湖北巴東人，中級工程師，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測和污染控制研究，E-mail：cqdxlqf@163.com

張永江(1983—)，男，重慶彭水人，高級工程師，博士，主要從事環(huán)境管理和監(jiān)測研究，E-mail：yjzhang008@163.com

10.14068/j.ceia.2016.06.018

X824

A

2095-6444(2016)06-0073-07