彰武水庫水質(zhì)狀態(tài)分析及評價

陳利粉,陳 龍,宋 盈,馬建茹,楊衛(wèi)芳

(河南省安陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,河南 安陽 455000)

0 引言

彰武水庫是位于海河流域洹河干流上的一座中型水庫，其控制流域面積為120 km2，總庫容7 063萬m3，興利庫容1 703萬m3[1]。彰武水庫水源主要來自于南海泉，并與上游的大型水庫小南海水庫聯(lián)合調(diào)度運用，流入洹河，橫穿安陽市境內(nèi)，最終匯入衛(wèi)河，其主要作用是保障安鋼、大唐電廠、安化等工業(yè)用水及下游18萬hm2的農(nóng)田引蓄灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖，同時也是安陽市重要的防洪屏障[2-3]。作為安陽市主要的工、農(nóng)業(yè)供水水源地和地下水補給源之一，通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析彰武水庫水質(zhì)狀況對于庫區(qū)周邊及下游工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及開展庫區(qū)水污染防治工作具有十分重要的意義，為此，該水庫的水質(zhì)評價也受到了廣泛關注。郭學士[3]采用Daniel檢驗法對彰武水庫和小南海水庫的關鍵因子進行了趨勢分析；唐敏等[2]采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)對彰武水庫的營養(yǎng)化狀態(tài)進行評判；李中原等[4]通過單因子水質(zhì)標識指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、有機污染指數(shù)法對彰武水庫水環(huán)境狀況進行了評估；張培等[5]采用輸出系數(shù)法和等標污染負荷法，對彰武水庫流域18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活面源污染物進行了評估研究。但這些研究方法多采用單因子評價法、綜合指數(shù)法和水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，而應用主成分分析法、加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CCME WQI)對彰武水庫水質(zhì)進行評價的研究卻少見報道。

主成分分析法是一種多元統(tǒng)計技術，利用降維的方式對數(shù)據(jù)進行處理，將較多的指標轉化為少數(shù)幾個綜合指標，同時又設法保留原始數(shù)據(jù)中存在的關系，而且具有優(yōu)于原變量的性質(zhì)，使原問題更易于分析，被廣泛的應用于水環(huán)境質(zhì)量評價中[6-14]。CCME WQI是目前國際上應用較為廣泛的水質(zhì)評價方法之一，該方法同時考慮了超標范圍F1、超標頻率F2、超標幅度F3等3個因素對水質(zhì)狀況的影響，與其他形式的水質(zhì)指數(shù)相比，其具有基準選擇的靈活性和對缺失數(shù)據(jù)的較好的容忍度等優(yōu)勢，因此，近年來，國內(nèi)外較多學者從不同角度對CCME WQI進行了研究并應用于水質(zhì)評價中[15-18]。

本研究以彰武水庫出庫口作為研究對象，利用Excel 2020軟件、Origin 2021軟件、SPSS 24.0軟件，綜合評價斷面水質(zhì)狀態(tài)，分析2011—2020年年際及每年豐、平、枯水期不同時期水質(zhì)指標的變化特征，應用主成分分析法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)和加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CCME WQI)3種不同評價方法對彰武水庫水質(zhì)進行評價的差異性，并采用主成分分析方法，提取水質(zhì)污染因子并分析污染源，擬為安陽市彰武水庫污染防治工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 水質(zhì)指標選擇及測定方法

水樣的采集及分析工作均由河南省安陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心完成，監(jiān)測點位為彰武水庫出庫口，研究收集了2011—2020年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可比性，于全年不同水期選取代表月份(9月代表豐水期，1月代表平水期，5月代表枯水期)作為研究時段，每月月初采集1次樣品，在采樣點下0.5 m深位置處采集水樣進行分析。監(jiān)測指標包括水溫(T)、pH值、溶解氧(DO)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)和葉綠素a(chla)，其中pH值、溶解氧、透明度在現(xiàn)場進行測定，其余指標均選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)[19]中推薦的方法進行監(jiān)測，根據(jù)Ⅲ類標準進行水質(zhì)評價。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

湖庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)評價是指通過與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)相關的一系列指標，以及這些指標之間的相互關系，對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價的一種方法，通常選取葉綠素a(chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等指標進行評價[20]。

(1)

(2)

式中：TLIj、Wj、rij分別代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關權重及其與基準參數(shù)chla的相關系數(shù)。通常采用0～100的一系列數(shù)字把水庫營養(yǎng)狀態(tài)分為5級，包括貧營養(yǎng)(TLI<30)、中營養(yǎng)(30≤TLL≤50)、輕度富營養(yǎng)(5070)。

主成分分析(PCA)是一種利用降維的方式，對批量數(shù)據(jù)進行處理，將較多的指標在保留原始數(shù)據(jù)之間關系的同時轉化為少數(shù)幾個綜合指標，可避免評價因子選擇的隨意性，使評價結果更為客觀。應用SPSS軟件對各水質(zhì)指標進行降維處理，提取特征值>1的主成分因子，將主成分載荷矩陣中的系數(shù)與標準化后的監(jiān)測數(shù)據(jù)對應相乘后求和，得到各主成分的表達式Fi，再將這些主成分的值乘以各自對應特征值的方差貢獻率后，再相加，得到主成分綜合得分F，進一步計算各因子得分和綜合得分[21]。

CCME WQI是由加拿大環(huán)境部長理事會提出的一種水質(zhì)評價方法，計算過程如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中F1、F2、F3分別代表超標范圍、超標頻率和超標幅度，CCME WQI取值介于0～100之間，根據(jù)其數(shù)值大小，可將水體的水質(zhì)狀況分為5個等級，見表1[18]。

表1 CCME WQI水質(zhì)等級劃分及說明Tab.1 Classification and explaination of Canadian water quality index

2 結果與分析

2.1 水質(zhì)理化指標描述性統(tǒng)計

由表2可見：彰武水庫水溫呈季節(jié)性變化，pH值在7.25～8.16之間，水體全年呈弱堿性；與平水期相比，除葉綠素a外，各監(jiān)測因子均值豐水期均小于平水期，其中溶解氧、生化需氧量與總氮最大值與均值明顯下降，氨氮最大值明顯下降；與平水期相比，除氨氮外，各監(jiān)測因子均值枯水期均小于平水期，其中溶解氧最大值與均值明顯下降，氨氮均值與標準差明顯上升；溶解氧的最小值出現(xiàn)在豐水期，而葉綠素a的均值和最大值均出現(xiàn)在豐水期，這可能是由于降雨的增多，藻類生長在水體表面形成遮光阻氣層，使水體光合作用受阻，影響水體氧平衡；氨氮均值在枯水期最大，平水期次之，豐水期最小，水體氨氮質(zhì)量濃度介于Ⅰ類水和Ⅱ類水之間；各水期總氮均值均大于地表水Ⅴ類標準，而總磷濃度均較低，且變化趨勢不明顯，可見，彰武水庫屬于磷限制水體，而控氮則是其主要任務之一[22]；豐水期生化需氧量與化學需氧量的比值為0.209(小于0.3)，平水期與枯水期均大于0.3(平水期0.311，枯水期0.339)，表明彰武水庫在豐水期可生化性不高，有機污染與水體富營養(yǎng)化較為嚴重[23]。

表2 彰武水庫水質(zhì)理化指標描述性統(tǒng)計Tab.2 Descriptive statistics of water quality index in Zhangwu Reservoir

2.2 各指標之間相關性分析

彰武水庫主要污染指標的Spearman相關性見圖1：生化需氧量與透明度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、葉綠素a呈顯著正相關，高錳酸鹽指數(shù)與生化需氧量、總氮、總磷、葉綠素a呈顯著正相關，與氨氮呈顯著負相關，透明度與水溫呈顯著負相關；氨氮和總磷作為浮游植物生長的必需營養(yǎng)物質(zhì)，并未表現(xiàn)出顯著相關性，可能是水體氮主要由硝酸鹽氮組成，而氨氮濃度過小，水體總磷絕對濃度較低，但N/P比過高，進一步證明了彰武水庫同我國較多水庫相類似，屬于磷限值水體，而控氮則是其主要任務之一[22]。

圖1 各監(jiān)測指標相關性分析Fig.1 Correlation analysis of water quality index in Zhangwu Reservoir注:*P≤0.05。

2.3 主要影響因子分析

2.3.1 2011—2020年水庫水質(zhì)主要影響因子分析

應用SPSS軟件，根據(jù)特征值的大小提取主成分，特征值分析見表3。根據(jù)主成分選取原則，特征值>1，提取4個主成分，其方差百分比分別為26.281%、16.348%、13.955%、13.318%，累計方差貢獻率為69.901%，表明這4個主成分反映了原始變量提供的69.901%的信息。各主成分的因子載荷如表5所示，初始因子載荷矩陣由SPSS計算得到，而主成分載荷矩陣則由初始因子載荷矩陣除以主成分對應特征值的平方根計算而來。從表4可以看出：總氮、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、透明度、水溫在成分1上有較大的載荷，反應水體耗氧污染水平，及水體受工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)面源的污染、有機污染和水體營養(yǎng)狀態(tài)4種不同的環(huán)境問題；氨氮、葉綠素a在成分2上有較大載荷，反應水體的營養(yǎng)狀態(tài)及水體受生活污水污染狀況；pH值、溶解氧在成分3上有較大載荷，可作為解釋水體自凈能力特征的指標[24]；總磷在成分4上有較大載荷，反應水體受農(nóng)業(yè)面源污染狀況。由此表明，彰武水庫營養(yǎng)狀態(tài)變化的主要驅動因子為總氮、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a、pH值和總磷，水環(huán)境中有機污染源與可還原污染物并存，這與彰武水庫流域工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)面源污染、附近農(nóng)地的養(yǎng)分流失、季節(jié)性的地表徑流帶來的水土流失徑流污染等有關[5]。

表3 彰武水庫主成分特征值Tab.3 Principal component eigenvalues of Zhangwu reservoir

表4 主成分矩陣Tab.4 Principal component system matrix

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：彰武水庫上游洹河幾乎沒有源頭水，主要接納林州市多家污水處理廠出水及沿線農(nóng)村生活污水等，污水處理廠出水的不穩(wěn)定，且污水處理廠出水水質(zhì)標準值均高于地表水Ⅴ類標準限制，從而增加了水體污染負荷；水庫上游無天然徑流的匯入，水體自凈能力較差；水庫上游匯水支流常年斷流，成為周邊居民的納污溝，垃圾污水隨雨水沖入干流匯入彰武水庫，影響其水質(zhì)；彰武水庫周邊分布10個村莊，雖然建設了分散型污水處理設施，但由于管網(wǎng)不配套、收水量小等問題的存在，使得部分村莊的生活污水仍以面源形式直接排入水庫，對其水質(zhì)造成一定影響；水庫周邊農(nóng)業(yè)種植現(xiàn)象，造成一定程度的水土流失；雖然彰武水庫于2016年、2019年開展了庫區(qū)網(wǎng)箱水產(chǎn)養(yǎng)殖、沿岸畜禽養(yǎng)殖場的整治工作，但底泥中仍殘留大量餌料，造成總氮的偏高。綜上，調(diào)查得到的結果與主成分分析得到的污染物來源相一致。

2.3.2 2011—2020年水庫水質(zhì)各水期主要影響因子分析

分別對豐水期、平水期、枯水期各水質(zhì)指標進行降維處理，根據(jù)特征值大小提取主成分，各時期特征值見表5。由表5可知，不同時期提取的特征值大于1的主成分因子均為4個，三者的累積貢獻率分別為86.307%、83.641%、82.511%。

表5 彰武水庫不同時期主成分特征值及主要參數(shù)Tab.5 Principal component eigenvalues and main parameters in differentperiods of Zhangwu Reservoir

根據(jù)成分得分系數(shù)可知，在豐水期，生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、pH值、總氮在成分1上有較大載荷，表明污染物主要來源于農(nóng)業(yè)面源污染和生活污水；平水期，pH值、生化需氧量、溶解氧在成分1上有較大載荷，表明污染物主要來源于生活污水，總氮、透明度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷在成分2上有較大載荷，表明污染物主要來源于工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)面源污染；枯水期，生化需氧量、總氮、透明度在成分1上有較大載荷，表明污染物主要來源于生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染。可以看出，在不同水期，水庫受到的主要污染物是不同的，但生化需氧量、總氮是水庫水質(zhì)污染的重要污染指標，生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)污染是影響彰武水庫水質(zhì)的主要因素，這與唐敏等的研究相一致[2]。

2.4 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)分析

根據(jù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)計算結果可知，2011—2020年彰武水庫各水期水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為37.5～57.7，均在中營養(yǎng)與輕度富營養(yǎng)之間。從2017年開始，彰武水庫富營養(yǎng)化程度得到較大改善，由輕度富營養(yǎng)轉為中營養(yǎng)狀態(tài)。這可能是由于彰武水庫在2016年和2019年開展了庫區(qū)網(wǎng)箱水產(chǎn)養(yǎng)殖、沿岸畜禽養(yǎng)殖場整治工作，使得污染物攝入減少，水質(zhì)得到較大改善，但網(wǎng)箱水產(chǎn)養(yǎng)殖仍有大量餌料殘留在庫區(qū)底泥中，使得總氮成為2017年之后影響水體富營養(yǎng)化的主要因子。

2.5 加拿大水質(zhì)指數(shù)(CCME WQI)評價

根據(jù)加拿大水質(zhì)指數(shù)(CCME WQI)計算結果可知，2011—2020年彰武水庫各水期水質(zhì)指數(shù)為70.7～100，2012年5月水質(zhì)極好外，其余時段均為中等～良好之間。據(jù)原始記錄分析，總氮、總磷是主要超標因子，這與主成分分析及綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分析結果是一致的。

2.6 主成分分析與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分析、加拿大水質(zhì)指數(shù)(CCME WQI)對比

將主成分載荷矩陣中的系數(shù)與標準化后的監(jiān)測數(shù)據(jù)對應相乘后求和，得到4個主成分的表達式F1、F2、F3、F4，再將這4個主成分的值乘以各自對應特征值的方差貢獻率后，再相加，得到主成分綜合得分F，進一步計算各因子得分和綜合得分。

F1=-0.341×水溫+0.157×pH值+0.413×透明度+0.248×溶解氧+0.387×高錳酸鹽指數(shù)+0.419×生化需氧量+0.028×氨氮+0.448×總氮+0.182×總磷+0.258×葉綠素a

F2=0.296×水溫-0.001×pH值-0.231×透明度-0.348×溶解氧+0.478×高錳酸鹽指數(shù)+0.038×生化需氧量-0.501×氨氮-0.114×總氮+0.133× 總磷+0.476×葉綠素a

F3=-0.057×水溫+0.675×pH值-0.346×透明度+0.500×溶解氧-0.032×高錳酸鹽指數(shù)-0.144×生化需氧量-0.255×氨氮+0.003×總氮-0.276×總磷+0.088×葉綠素a

F4=0.400×水溫-0.041×pH值-0.119×透明度-0.086×溶解氧-0.131×高錳酸鹽指數(shù)+0.473×生化需氧量+0.348×氨氮+0.202×總氮-0.638×總磷+0.316×葉綠素a

F=0.263×F1+0.163×F2+0.140×F3+0.133×F4

主成分分析(PCA)與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)、加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CCME WQI)如圖2所示，3種評價方法的得分變化規(guī)律大致相同。TLI最高出現(xiàn)在2015年1月，TLI為57.7，輕度富營養(yǎng)，CCME WQI為75.0，為中等水質(zhì)，當月總磷濃度為0.1 mg/L，達到湖庫Ⅳ類標準，而平水期總磷是影響其綜合營養(yǎng)狀態(tài)的主要因子，3種方法結果相一致。

同時，又對主成分分析得分與TLI、CCME WQI進行Spearman相關分析，主成分分析得分與TLI呈顯著正相關(r2=0.731,P<0.01,雙尾)，與CCME WQI呈顯著性負相關(r2=-0.620,P<0.01,雙尾)，TLI與CCME WQI呈顯著性負相關(r2=-0.646,P<0.01,雙尾)(表6)。結合主成分分析與TLI得分越高水質(zhì)狀況越差，而CCME WQI得分越高水質(zhì)狀況越好可知，主成分分析與TLI、CCME WQI評價結果相一致，均可較好地應用于彰武水庫水質(zhì)狀態(tài)評價中。

表6 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、加拿大水質(zhì)指數(shù)與主成分分析得分相關性分Tab.6 Correlation analysis between trophic level index,Canadian water quality index and principal component analysis score

圖2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、加拿大水質(zhì)指數(shù)和主成分分析法得分情況Fig.2 Score of trophic level index method,Canadian water quality index and Principal Component analysis

3 結語

本文以彰武水庫出庫口作為研究對象，分析2011—2020年年際及每年豐、平、枯水期不同時期水質(zhì)指標的變化特征，并采用主成分分析方法，提取水質(zhì)污染因子并分析污染源。結果顯示：1)通過主成分分析法，彰武水庫營養(yǎng)狀態(tài)變化的主要驅動因子為總氮、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a、pH值和總磷，且不同水期，其主要污染物不同，但生化需氧量、總氮始終是水庫水質(zhì)污染的重要污染指標，這主要與生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)污染、附近農(nóng)地的養(yǎng)分流失、地表徑流帶來的水土流失污染等有關;2)2011—2020年彰武水庫各水期水質(zhì)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為37.5～57.7，均在中營養(yǎng)與輕度富營養(yǎng)之間，而CCME WQI指數(shù)為70.7～100，2012年5月水質(zhì)極好外，其余時段均為中等～良好之間。通過主成分分析法與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、加拿大水質(zhì)指數(shù)法比較，發(fā)現(xiàn)三者有較好的一致性，均可以較好的應用于彰武水庫水質(zhì)狀態(tài)評價中。

基于彰武水庫主要污染特征，筆者建議：加快污水管網(wǎng)建設、強化工農(nóng)業(yè)污染減排，深化河道內(nèi)源治理，加強對廢水直排企業(yè)的監(jiān)管和監(jiān)督監(jiān)測；加快彰武水庫周邊農(nóng)村環(huán)境的綜合整治，合理規(guī)劃建設農(nóng)村污水處理設施及配套管網(wǎng)，確保設施的良好運行效果，污水不外排，控制農(nóng)業(yè)面源污染，改善水庫周邊生態(tài)環(huán)境；加大庫區(qū)及匯入支流垃圾清理、監(jiān)管力度，確保改善庫區(qū)水環(huán)境質(zhì)量。