西北某市供水工程水環(huán)境質(zhì)量變化分析

韓新盛，何康麗，王旭乾，宋 云，楊宏娟

（1.中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710000；2.銀川中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司,寧夏 銀川 750021）

0 引言

地表水環(huán)境污染已成為全球關(guān)注的問(wèn)題之一[1]。水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是水資源可持續(xù)利用的基礎(chǔ),是制定生態(tài)管理、治理決策的依據(jù),也是生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手[1-2]。對(duì)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法比較多,常用的有：?jiǎn)我蜃釉u(píng)價(jià)法[3]、主成分分析法[4]、綜合污染指數(shù)法[5]、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法[6]和水污染指數(shù)法[7]等,其中綜合污染指數(shù)法應(yīng)用較為廣泛[8]。

2019 年底開始,西北某市居民生活用水以黃河水為水源,通過(guò)西線供水工程為西北某市三區(qū)供水。然而,根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況表明黃河水中總氮、總磷等指標(biāo)含量較高,容易引起水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化,產(chǎn)生藻類、藻毒素、腐殖質(zhì)及微量有機(jī)物等,嚴(yán)重影響了用水的水質(zhì)。

本研究以西線供水工程水體為研究對(duì)象,結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置兩個(gè)采樣點(diǎn),在2021 年～2022 年每月采集一次水樣,然后采用水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法和因子分析法對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

為了解決西北某市都市圈內(nèi)水資源總量不足、地下水超采形成漏斗、城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)與水源地保護(hù)矛盾突出、城市單一水源存在供水安全風(fēng)險(xiǎn)、農(nóng)村供水水源分散、部分水質(zhì)不達(dá)標(biāo)且供水保證率低等問(wèn)題,建設(shè)以黃河為水源的西北某市供水工程。工程是集黃河取水泵站、遠(yuǎn)距離大口徑輸水管道、平原型水庫(kù)、黃河水深度處理凈水廠和上百公里的城市輸水管道于一體的供水工程。一期工程總投資75 億元,于2019年12 月底實(shí)現(xiàn)了為西北某市三區(qū)180 萬(wàn)人口供水,到2022年6 月已實(shí)現(xiàn)為西北某市三區(qū)兩縣265 萬(wàn)城鄉(xiāng)居民提供生活用水。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置和水樣采集

由于輸水管道是埋于地下的管涵,水庫(kù)屬于保護(hù)單位,且沒(méi)有動(dòng)力船,故只在取水泵站前池和水庫(kù)的取水口設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)（見圖1）。按照《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)及規(guī)范》（HJ/T 91-2002）[9]中的要求,2021 年～2022 年每月采集一次水樣。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）[10]中的方法,測(cè)定水樣的高錳酸鹽指數(shù)、總磷、氨氮、化學(xué)需氧量、溶解氧、五日生化需氧量、總氮和硝酸鹽氮含量。

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)分布圖

1.3 評(píng)價(jià)方法

（1）水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（Water environmental quality index,WEQI）是水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中水環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的數(shù)量尺度,能夠反映研究區(qū)內(nèi)水體的水質(zhì)綜合狀況和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[11]。WEQI 的計(jì)算見式（1）[1]。水環(huán)境質(zhì)量狀況越差,具體分級(jí)情況見表1。

表1 水環(huán)境質(zhì)量分級(jí)表

式中：WQI 為水質(zhì)綜合狀況指數(shù)；TLI 為水體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

WQI 的計(jì)算公式見文獻(xiàn)[1],分級(jí)情況見表2。

表2 水環(huán)境質(zhì)量分級(jí)表

TLI 的計(jì)算見公式（2）,其分級(jí)見文獻(xiàn)[12]。

式中：Wj為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重, 計(jì)算見式（3）[13]；TLIj為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù),計(jì)算見式（4）～式（6）。

式中：rlj為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的與葉綠素的相關(guān)系數(shù),見文獻(xiàn)[12]。

（2）因子分析法

因子分析（Factor Analysis, FA）通過(guò)研究眾多變量之間的內(nèi)部依賴關(guān)系,探求觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的基本結(jié)構(gòu),并用少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立的不可觀測(cè)變量 （因子）來(lái)表示其基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

計(jì)算基本步驟如下,詳細(xì)計(jì)算公式見文獻(xiàn)[14]。

①對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；

②計(jì)算樣本的相關(guān)矩陣R；

③求相關(guān)矩陣R 的特征根和特征向量；

④根據(jù)系統(tǒng)要求的累積貢獻(xiàn)率確定主因子的個(gè)數(shù)；

⑤計(jì)算因子載荷矩陣；

⑥確定因子模型；

⑦根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 西線工程水環(huán)境質(zhì)量變化

采樣點(diǎn)的水質(zhì)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化見圖2。由圖2 可知：①泵站和水庫(kù)水體的TLI 值介于30 和50 之間,即處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；②水庫(kù)的水體分別有一次出現(xiàn)輕度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),可能與水庫(kù)水體流動(dòng)性差有關(guān)。

圖2 兩個(gè)采樣點(diǎn)不同時(shí)間的水質(zhì)綜合狀況指數(shù)

（3）水體的水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

由公式（1）計(jì)算出兩個(gè)采樣點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)見圖3。由圖3 可知：①大多數(shù)時(shí)間取水泵站和水庫(kù)的水質(zhì)屬于中度污染；②取水泵站處出現(xiàn)重度污染的次數(shù)比水庫(kù)多,說(shuō)明泵站上游存在污染源,且對(duì)黃河水體的污染較大；③2021 年泵站處水質(zhì)較差,基本上屬于中度污染。而水庫(kù)的水質(zhì)則在2022 年較差,大部分時(shí)間處于中度污染狀態(tài)；④泵站處水體大部分時(shí)間屬于中度污染,而水庫(kù)的水體屬于輕度污染和中度污染的次數(shù)比較接近。可能因?yàn)楸谜镜剿畮?kù)的輸水渠埋于地下,受外界影響較小,水流自身有一定的自凈能力,因此水庫(kù)的污染相對(duì)較輕。

圖3 兩個(gè)采樣點(diǎn)不同時(shí)間的水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

2.2 因子分析結(jié)果及分析

采用SPSS 25 軟件對(duì)兩個(gè)采樣點(diǎn)的水樣進(jìn)行因子分析。計(jì)算的KMO 統(tǒng)計(jì)量大于最低標(biāo)準(zhǔn)0.5,巴特利特球形度檢驗(yàn)的顯著性小于0.05,結(jié)果表明這組數(shù)據(jù)適合進(jìn)行因子分析。然后根據(jù)特征值大于1,進(jìn)行主成分分析,兩個(gè)采樣點(diǎn)的結(jié)果分別如下：

（1）泵站處水體指標(biāo)分析

2021 年～2022 年24 個(gè)水樣因子分析的總方差解釋見表3。根據(jù)特征值可判斷,提取出3 個(gè)主因子。為了方便解釋因子含義,需要進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)后的因子載荷值見表4。

表3 泵站處水質(zhì)指標(biāo)總方差解釋表

表4 泵站處水質(zhì)指標(biāo)分析旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

由表4 可知,第一個(gè)主因子包含總氮和硝酸鹽氮；第二個(gè)主因子包含總磷和五日生化需氧量；第三個(gè)因子包含氨氮和高錳酸鹽指數(shù)。

（2）水庫(kù)水體指標(biāo)分析

2021 年～2022 年24 個(gè)水樣因子分析的總方差解釋見表5,由特征值可知,提取出四個(gè)主因子。旋轉(zhuǎn)后的因子載荷值見表6。

表5 水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)總方差解釋表

表6 水庫(kù)水質(zhì)指標(biāo)分析旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

由表6 可知,第一個(gè)主因子包含總氮和硝酸鹽氮；第二個(gè)主因子包含總磷和溶解氧；第三個(gè)因子包含五日生化需氧量；第四個(gè)因子包含化學(xué)需氧量。

由因子分析可知,泵站和水庫(kù)水質(zhì)的主因子個(gè)數(shù)不同,主成分包含總氮、硝酸鹽氮、總磷和五日生化需氧量,而泵站處主因子還包含氨氮和高錳酸鹽指數(shù),水庫(kù)又包含了溶解氧和化學(xué)需氧量。這表明兩處的水質(zhì)有聯(lián)系也有區(qū)別,而且由于水庫(kù)水體的流動(dòng)性較差,導(dǎo)致水庫(kù)水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì),這與2.1 節(jié)中TLI 計(jì)算結(jié)果一致,即水庫(kù)水體出現(xiàn)了中度和重度富營(yíng)養(yǎng)化。

3 結(jié)論

本文以西北某市供水工程的水質(zhì)為研究對(duì)象,在取水泵站和蓄水水庫(kù)分別設(shè)置了采樣點(diǎn),于2021 和2022 年每月采集一次水樣,并對(duì)水樣進(jìn)行了檢測(cè),測(cè)定了水樣的高錳酸鹽指數(shù)、總磷、氨氮、化學(xué)需氧量、溶解氧、五日生化需氧量、總氮和硝酸鹽氮含量。采用水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和因子分析方法對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：①兩個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)基本處于中度污染狀態(tài)；②由于受到上游污染源的影響,取水泵站處水質(zhì)較水庫(kù)差；③水庫(kù)水體的流動(dòng)性較差,導(dǎo)致水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì),一度出現(xiàn)了中度和重度富營(yíng)養(yǎng)化。④由主因子分析結(jié)果看,取水泵站處和蓄水水庫(kù)水體水質(zhì)情況存在一定的關(guān)聯(lián)性。但是,由于輸水渠道較長(zhǎng)且埋于地下,受外界影響較小,而且水庫(kù)水體流動(dòng)性差,因此兩處的水質(zhì)主因子存在差異。