基于主成分分析和模糊數(shù)學(xué)的黃河小浪底水質(zhì)監(jiān)測與評價

武 俐, 王祖恒, 王 亮, 趙同謙, 金新苗

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 河南 焦作 454150； 2.河南省濟(jì)源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 河南 濟(jì)源 459000)

小浪底水庫位于黃河中游最后一段峽谷的出口處，是以調(diào)控黃河水沙為主要功能的大型水庫[1]。水庫自運(yùn)行以來，平均入庫年沙量為2.92×108t，排沙比為20.2%[2]。每年7月，水庫進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，將黃河下游河床淤積的泥沙送入大海，同時減少水庫的泥沙淤積[3]。水庫蓄水?dāng)r沙期可改變黃河下游河道的水沙條件，使含沙量降低，中水流量持續(xù)時間增加[4]。下游河道受持續(xù)沖刷影響，游蕩型河道主槽形態(tài)變化較大，平攤河寬與水深增加，橫斷面形態(tài)向窄深發(fā)展[5]，部分河段崩岸明顯[6]。小浪底水庫水質(zhì)的好壞直接影響著庫區(qū)和黃河下游的水質(zhì)以及下游地區(qū)的工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與居民健康。目前，對小浪底水庫的研究多集中于水庫蓄水?dāng)r沙對黃河下游泥沙量、過流能力和河床演變影響等方面[5,7]，而對水庫水質(zhì)的評價與分析略顯不足。

水庫水質(zhì)分析評價常用的方法有單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)法、模糊評價法、主成分分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，但各方法均有其局限性。例如單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法無法綜合反映水體狀況；綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價指標(biāo)的選取具有主觀性；綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價指標(biāo)單一，無法體現(xiàn)不同水體間的差異性；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價指標(biāo)選擇具有主觀性，定性評價結(jié)果不直觀且計算較為復(fù)雜。而主成分分析法[8]可以在原始水質(zhì)評價因子丟失最少的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，從多個具有相關(guān)性的評價因子中篩選出主要評價因子；模糊評價法[9]可以體現(xiàn)水質(zhì)從優(yōu)到差變化的模糊特性。本研究采用主成分分析與模糊評價法相結(jié)合的方法，對小浪底水庫水質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測和評價，分析水庫水質(zhì)現(xiàn)狀與潛在污染源，以期為其環(huán)境改善提供幫助。

1 對象與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河小浪底水庫位于三門峽水庫下游130 km，洛陽市以北40 km的黃河干流上，是黃河中下游庫容量較大的峽谷型水庫。水庫面積達(dá)272.3 km2，控制流域面積為6.94×105km2，占黃河流域面積的92.3 %，涉及河南和山西倆省的8縣(市)33個鄉(xiāng)鎮(zhèn)[10-11]。水庫正常水位275 m，庫容1.27×1010m3，淤沙庫容7.55×109m3，調(diào)水調(diào)沙庫容1.05×109m3[2]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析 于2018年1月至12月對水庫南山、大橫嶺和桐樹嶺3個監(jiān)測斷面進(jìn)行為期一年的水質(zhì)監(jiān)測。采樣時間為每月初，水樣的采集與監(jiān)測采用《水庫采樣技術(shù)指導(dǎo)(HJ495-2009)》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》進(jìn)行，13項監(jiān)測指標(biāo)分別為總氮(TN)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、氟化物(F)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)和鎘(Cd)。

1.2.2 水質(zhì)評價指標(biāo)體系建立 主成分分析可避免評價因子選擇的隨意性，使評價結(jié)果更客觀[12]。通過線性組合，將多個原始變量轉(zhuǎn)換為幾個主要影響變量，確定影響水質(zhì)的主要成分，只保留特征值大于1的主成分進(jìn)行分析[8, 13]。選取斷面13項水質(zhì)檢測指標(biāo)作為初選評價因子，利用R語言對初選評價因子進(jìn)行分析。主成分貢獻(xiàn)率及因子載荷見表1。

表1 主成分貢獻(xiàn)率及因子載荷

由表1可知，有4個主成分特征值大于1，累計貢獻(xiàn)率為69.6%。其中，第2主成分的貢獻(xiàn)率最大，累計貢獻(xiàn)率為19.6%；第3主成分貢獻(xiàn)率最小，為15.3%。從各因子載荷值可以看出，第1主成分與Pb，CODMn和DO密切相關(guān)；第2主成分中As，TN，TP和NH3-N的載荷值較大；第3主成分與F和BOD5密切相關(guān)；第4主成分與Zn和Cd密切相關(guān)。綜上選擇TN，TP，BOD5，NH3-N，CODMn和DO 6個指標(biāo)作為評價因子，進(jìn)行綜合水質(zhì)分析。

1.2.3 模糊綜合評判法 模糊綜合評判法是基于模糊數(shù)學(xué)的水質(zhì)評價方法，綜合考慮了各水質(zhì)因子之間的相關(guān)性，較為客觀的反映水質(zhì)因子對于水質(zhì)的貢獻(xiàn)程度[14-15]。在模糊綜合評判中，數(shù)據(jù)與評價標(biāo)準(zhǔn)的處理方法、指標(biāo)權(quán)重的確定方法和模糊模式的識別方法的選擇尤為重要。分別采用歸一化處理與線性內(nèi)插法對實(shí)測數(shù)據(jù)與評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，采用超標(biāo)倍數(shù)法確定權(quán)重，加權(quán)海明距離法進(jìn)行模糊模式的識別，計算評價對象隸屬于評價標(biāo)準(zhǔn)等級的最小值來確定其質(zhì)量等級[14, 16]。

水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化計算公式為：

(1)

式中：fij代表第j個水質(zhì)指標(biāo)的第i個評價對象的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xij代表第j個水質(zhì)指標(biāo)的第i個評價對象的實(shí)測值；C1j與Ctj分別代表第j個水質(zhì)指標(biāo)的1級與t級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。

水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)歸一化計算公式為：

(2)

式中：eih代表第i個水質(zhì)指標(biāo)的第h級標(biāo)準(zhǔn)的歸一化值；Chi，C1i，Cti分別代表第i個水質(zhì)指標(biāo)的第h，1，t級標(biāo)準(zhǔn)值。

評價指標(biāo)權(quán)重的超標(biāo)倍數(shù)法計算公式為：

(3)

式中：wi代表水質(zhì)指標(biāo)i的權(quán)重值；Si代表第i種水質(zhì)指標(biāo)5個類別標(biāo)準(zhǔn)的平均值；xi代表水質(zhì)指標(biāo)i的實(shí)際測量值。

模糊模式的識別方法加權(quán)海明距離法計算公式為：

(4)

式中：Dw(A,B)代表A對B的加權(quán)海明距離；wi代表各水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重；μA(xi)代表水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的隸屬度；μB(xi)代表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)評價參數(shù)的分析

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，6項水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表2。小浪底水庫水體各水質(zhì)因子質(zhì)量濃度動態(tài)變化情況如圖1所示。7月，小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后水位變低，南山采樣點(diǎn)位于山坡，距離水面較遠(yuǎn)，8月未能采到水樣。

表2 國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

從圖1可以看出，6項水質(zhì)指標(biāo)除TN低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其余指標(biāo)均高于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。DO的質(zhì)量濃度在3.8～12.8 mg/L之間，除7月低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)外，其余月份均滿足Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。3個斷面在1—9月的DO質(zhì)量濃度差異性不大，10—12月大橫嶺的DO質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于桐樹嶺和南山斷面。BOD5的質(zhì)量濃度在0.9～1.7 mg/L之間，滿足Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，3個斷面的BOD5質(zhì)量濃度差異較小。NH3-N的質(zhì)量濃度在0.03～0.72 mg/L之間，總體介于Ⅰ類水和Ⅱ類水之間，不同斷面的NH3-N質(zhì)量濃度差異較大。TN的質(zhì)量濃度在2～4.88 mg/L之間，屬于劣Ⅴ類水，表明TN污染十分嚴(yán)重。除3月南山斷面的TN質(zhì)量濃度偏高外，3個斷面在其余月份中TN的質(zhì)量濃度差異較小。TP的質(zhì)量濃度在0.02～0.05 mg/L之間，基本介于Ⅱ與Ⅲ類水之間，不同斷面的TP質(zhì)量濃度差異性較小。CODMn的質(zhì)量濃度在1.8～2.7 mg/L之間，滿足Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，不同斷面的CODMn質(zhì)量濃度差異較小。總體來看，除NH3-N質(zhì)量濃度外，小浪底水庫3個斷面水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度變化差異性較小，空間變化特征不明顯。

分析水庫水質(zhì)指標(biāo)月均濃度變化發(fā)現(xiàn)，DO月均質(zhì)量濃度波動較大，3月份最高(12.6 mg/L)，7月最低(4.1 mg/L)，3—7月呈下降趨勢，7—12月呈上升趨勢，其變化可能與自然環(huán)境水溫影響有關(guān)[17]。BOD5月均質(zhì)量濃度較穩(wěn)定，4月最高(1.63 mg/L)，8月最低(1 mg/L)。NH3-N月均質(zhì)量濃度有一定波動，7月最高(0.33 mg/L)，10月最低(0.1 mg/L)，7—9月濃度變化不明顯。TN月均質(zhì)量濃度變化不大，5月最高(4.1 mg/L)，11月最低(2.2 mg/L)，變化趨勢可能與降雨量和農(nóng)業(yè)活動有關(guān)[17]。TP月均質(zhì)量濃度較穩(wěn)定，2月最高(0.05 mg/L)，11月最低(0.02 mg/L)，其中8—11月質(zhì)量濃度呈下降趨勢可能與浮游植物生長吸收有關(guān)[18]。CODMn月均質(zhì)量濃度變化不明顯，3月最高(2.7 mg/L)，6月最低(1.9 mg/L)。總體來看，6項水質(zhì)指標(biāo)的平均質(zhì)量濃度在6—8月處于較高水平，10—12月份較低，其余月份處于中等水平。

注：DO為溶解氧； BOD5為5 d生化需氧量； HN3-N為氨態(tài)氮； TN為總氮； TP為總磷； CODMn為高錳酸鹽指數(shù)。

2.2 水質(zhì)評價參數(shù)的權(quán)重計算結(jié)果

根據(jù)上述公式(3)計算各評價參數(shù)的權(quán)重結(jié)果見表3—5。

從各監(jiān)測斷面評價因子的權(quán)重計算結(jié)果(表3—5)可以看出，TN的權(quán)重結(jié)果最高，其次為DO和TP。DO代表水體自凈能力，其值越高說明水體水質(zhì)越好[15]；TN和TP是表征水體富營養(yǎng)化的指標(biāo)，其值越高表明水體水質(zhì)越差[19]，說明小浪底水庫的主要污染因子為TN和TP，屬于富營養(yǎng)化污染。

當(dāng)水體中TN和TP質(zhì)量濃度分別高于0.20 mg/L和0.02 mg/L時，存在發(fā)生富營養(yǎng)化的風(fēng)險[18]。從表3—5可以看出，不同時間不同采樣斷面的TN和TP質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)超限值，說明在一定的條件下水體有爆發(fā)富營養(yǎng)化的風(fēng)險。當(dāng)N/P<7時，TN是水體富營養(yǎng)化的限制因子；當(dāng)N/P>30時，TP是水體富營養(yǎng)化的限制因子[20]。本研究TN/TP介于46～122之間，遠(yuǎn)高于30，因此，TP是水庫水體富營養(yǎng)化的限制因子。另外，水體中浮游生物群落的分布易受到水體理化條件的影響，其中藍(lán)藻、硅藻、綠藻浮游植物群落對水體變化敏感，TN/TP變化直接影響著水體浮游植物群落的結(jié)構(gòu)組成[21-22]。有研究表明，當(dāng)TN/TP<25時，適合藍(lán)藻生長，當(dāng)TN/TP>25時，綠藻和硅藻生長較快[23-24]，這一現(xiàn)象與小浪底水庫主要藻類是綠藻和硅藻相符[10, 22]。

表3 大橫嶺斷面各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重

表4 桐樹嶺斷面各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重

表5 南山斷面各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重

通過控制水庫中TN和TP含量，可降低水庫發(fā)生富營養(yǎng)化的風(fēng)險。在庫區(qū)周邊一定范圍內(nèi)限制化肥的施用量，倡導(dǎo)發(fā)展無公害農(nóng)業(yè)，適當(dāng)控制旅游業(yè)；重點(diǎn)加強(qiáng)TN排放消減力度；發(fā)展水生生態(tài)養(yǎng)殖，選擇與調(diào)整魚類品種與比例，減少水體藻類生物量。

2.3 模糊綜合評判法計算結(jié)果

根據(jù)上述公式(1)—(4)，將各水質(zhì)監(jiān)測數(shù)值代入相應(yīng)公式計算，得各斷面水環(huán)境質(zhì)量綜合評價結(jié)果，見表6—8。

小浪底水庫屬于集中飲用水地表水源地二級保護(hù)區(qū)，因此以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類要求作為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表6—8可知，不同時間不同采樣斷面所有的水質(zhì)級別達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求的比例為82.9%，基本滿足Ⅲ類水質(zhì)要求。而2011—2015年，黃河小浪底水庫為劣Ⅴ類水，處于污染狀態(tài)[11]，近年來，水體質(zhì)量明顯提升，與當(dāng)?shù)卣畬λ畮焖w的保護(hù)與治理有關(guān)。整體來看，水庫不同斷面水質(zhì)級別變化不大，空間變化特征不明顯。

表6 大橫嶺斷面各月水質(zhì)評價結(jié)果

采用同一時間不同斷面的隸屬度均值做水質(zhì)類別評價分析，發(fā)現(xiàn)水庫水質(zhì)在5月份為Ⅴ類水，7月份為Ⅳ類水，11和12月份達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，其余月份為Ⅲ類水。5月水庫水質(zhì)較差可能是因?yàn)槭茳S河上游農(nóng)業(yè)耕作影響。有研究表明，農(nóng)業(yè)活動和人類活動對黃河水質(zhì)有影響[25]，農(nóng)藥化肥的過度施用導(dǎo)致黃河中上游渭河流域4月水質(zhì)TN超標(biāo)嚴(yán)重[26]，黃河水質(zhì)從上游至下游逐漸變差[27]，農(nóng)業(yè)活動高峰期會使小浪底水庫水體污染加重[17]。4月和5月農(nóng)業(yè)活動高峰期使小浪底水庫上游來水TN質(zhì)量濃度增高，水質(zhì)變差。由于受水體自凈作用影響， TN質(zhì)量濃度自水庫上游向下游逐漸減少，南山斷面水質(zhì)為Ⅴ類水，而水庫下游的桐樹嶺斷面水質(zhì)為Ⅲ類水。7月水庫水質(zhì)為Ⅳ類水劣于Ⅲ類水的原因與水庫調(diào)水調(diào)沙活動有關(guān)，調(diào)水調(diào)沙期間，水庫水量大量減少，嚴(yán)重影響水體質(zhì)量[28]，其中DO的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于其他月份，南山斷面為Ⅴ類水，大橫嶺和桐樹嶺斷面為Ⅳ類水。而調(diào)水調(diào)沙活動結(jié)束后，3個斷面的水質(zhì)逐漸達(dá)到水質(zhì)要求，其中11月水質(zhì)達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。

表7 桐樹嶺斷面各月水質(zhì)評價結(jié)果

表8 南山斷面各月水質(zhì)評價結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 黃河小浪底水庫TN，TP，BOD5，NH3-N，CODMn和DO這6項指標(biāo)中，除TN低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)外，其余指標(biāo)均高于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。整體上，南山、大橫嶺和桐樹嶺斷面水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度空間變化差異不明顯。

(2) 主成分分析與模糊綜合評價表明，水庫水體的主要污染因子為TN和TP，屬于富營養(yǎng)化污染。TN/TP范圍為46～122，TP是水庫富營養(yǎng)化限制因子，應(yīng)引起重視?？赏ㄟ^控制水庫中TN和TP含量，降低水庫發(fā)生富營養(yǎng)化的風(fēng)險。

(3) 水庫水質(zhì)狀況基本滿足Ⅲ類水質(zhì)要求。水庫水質(zhì)級別空間變化特征不明顯。受黃河上游農(nóng)業(yè)活動影響，5月水庫水質(zhì)較差，7月水質(zhì)劣于Ⅲ類水與水庫調(diào)水調(diào)沙活動有關(guān)。