大伙房水库监测断面水质特征分析

黄 瑞，张防修，孙 娟，刘军英

（1.河海大学 环境科学与工程学院，南京210001；2.扬州环境资源职业技术学院，江苏 扬州225217；3.黄河水利科学研究院，郑州450003）

水库水体是一个多因素相互作用的系统，目前国内外已经有学者利用主成分分析方法对水库水体质量展开综合分析［1-3］。水库来水受周围环境的影响往往存在特征污染，从而对整个水库水体产生复杂的综合影响。因此，确定水库来水的水质特征对于控制水库污染，实施有针对性的环境管理具有重要意义。本文针对大伙房水库的3个主要来水源：浑河、苏子河、社河，选择对应的北杂木、古楼、台沟3个监测断面的16项水质指标在2000—2003年间的监测数据作为研究对象，基于SPSS16.0分析软件平台，选用主成分分析法展开分析。旨在明确水库各主要来水的水质特征，分析污染成因，以采取有针对性的管理措施。

1 研究对象与数据来源

1.1 研究对象

大伙房水库是国家重点水源地之一，水库位于浑河中上游抚顺境内，水库由浑河及其支流苏子河、社河汇流而成。水库控制流域面积5437km2，水库最大库容21.87亿m3，为辽宁省7市2300万人口提供水源。

近年来，由于水库上游3条河系受大量的工业与生活排污，农业施用化肥和农药及库区内旅游业的兴起，使大伙房水库水体受到了污染，水库水质的溶解氧呈逐年下降的趋势，水库底泥中的重金属含量已高达源头土壤的1～4倍。水库中氮、磷物质不断增加，藻华现象时有发生。正确地开展水质分析，确定来水的污染特征对于保护库区的生态安全具有重要价值。

1.2 数据来源

选取2000—2003年期间北杂木、古楼、台沟3个监测断面的水质监测数据。3个监测断面的位置如图1所示。结合实际情况，将水质监测指标为pH值（X1）、溶解氧（X2）、化学耗氧量（X3）、生化需氧量（X4）、氨氮（X5）、亚硝酸盐氮（X6）、硝酸盐氮（X7）、总磷（X8）、总氮（X9）、石油类（X10）、汞（X11）、镉（X12）、铅（X13）、铜（X14）、锌（X15）、大肠菌群（X16）共16项。研究数据来源于《大伙房水库志》。由于数据量庞大，仅列出各位置的年内平均值，见表1～3。

图1 水库水质监测断面位置

表1 北杂木监测断面2000—2003年监测指标平均值 单位：mg/L

表2 古楼监测断面2000—2003年监测指标平均值 单位：mg/L

表3 台沟监测断面2000—2003年监测指标平均值 单位：mg/L

2 数据处理与结果分析

2.1 北杂木监测断面数据处理与分析

对所选的16项水质指标进行处理，得到2个主成分，其累计贡献率高达83.33%，见表4。说明第1、2个主成分已经包含了以上16个指标的所有信息，其对水质变化的影响最大。进而对第1主成分进行载荷值计算，见表5。第1主成分与pH值、化学耗氧量、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、镉密切相关；第2主成分与生化需氧量、总磷、汞、铜、锌、大肠菌群密切相关。这表明浑河受污染的原因主要是上游工业废水排放，其次是生活废水的排放。

表4 3个监测断面各主成分贡献率

表5 初始因子载荷矩阵

根据主成分特征向量，各指标与第1、2主成分的y1、y2的线性关系为：

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与相应的贡献率之积的和（综合得分y＝y1×43.76%＋y2×39.576%），计算出监测断面的水质污染综合评价得分，见表6。

表6 各断面水质评价综合结果

2.2 古楼监测断面数据处理与分析

基于SPSS16.0统计分析软件，对所选的16项水质指标进行处理，得到2个主成分，及累计贡献率高达83.52%，见表4。对第1主成分进行载荷值计算，从主成分载荷大小来看，第1主成分与生化需氧量、氨氮、亚硝酸盐氮、总磷、汞、铜、锌、大肠菌群密切相关；第2主成分与化学耗氧量、硝酸盐氮、镉密切相关，由此表明苏子河主要受农业与养殖业带来的污染。

根据主成分特征向量，各指标与第1、2主成分的y1、y2的线性关系为：

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与相应的贡献率之积的和（综合得分y＝y1×54.78%＋y2×28.74%），计算出监测断面的水质污染综合评价得分，见表6。

2.3 台沟监测断面综合分析

基于SPSS16.0统计分析软件，对所选的16项水质指标进行处理，得到2个主成分，及累计贡献率高达83.41%，见表4。说明第1、2主成分已经包含了以上16个指标的所有信息，其对水质变化的影响最大，进而对第1主成分进行载荷值计算，从主成分载荷大小来看，第1主成分与溶解氧、生化需氧量、氨氮、亚硝酸盐氮、总氮、石油类密切相关；第2主成分与总磷、汞、铜、锌、大肠密切相关。由此表明，社河的水源受农业污染与工业污染的双重影响。

按照主成分yl和y2与相应的贡献率之积的和（综合得分y＝y1×46.53%＋y2×36.87%），计算出监测断面的水质污染综合评价得分，见表6。

3 讨论

水库是多水源共同作用的复杂系统，通过主成分分析法分析大伙房水库3个主要来水源的水质指标信息可以在原有数据信息丢失最小的前提下，提取主要的影响因子，从而对水体进行准确评价［4－5］。通过对北杂木、古楼、台沟3个监测断面的16项水质指标在2000—2003年间的监测数据分析表明，浑河受污染的原因主要是上游工业废水排放，其次是生活废水的排放；苏子河主要受农业污染影响较明显，同时区域的水产养殖业也带来了一定程度的营养盐污染；社河的水源受农业污染与工业污染的双重影响。从水质污染综合评价的年际变化特征来看，在2000—2003年期间，浑河综合水质有加重污染的趋势，而苏子河和社河的水质有所好转。要控制大伙房水库3大主要来水源的水质，从来水的区域特征来看，浑河治理应减少上游工业企业数量，降低工业污水和生活污水对河道的影响，并对不能搬离企业的生产过程进行严格监管，严禁工业废水和生活废水未经处理直接向河道排放，苏子河水域周边的农业生产应减少农药化肥的使用，同时采用滴灌的方式，以有效防止过多的灌溉用水携化肥等流入河道。社河水域周边同样应减少粗放农业生产所带来的农药、化肥污染，同时严格监管工业污水对河道的污染。

［1］韩晓刚，黄廷林，陈秀珍.基于主成分分析的原水水质模糊综合评价［J］.人民黄河，2010，32（6）：62－65.

［2］赵有益，刘彤彤.黄河兰州段水质模糊综合评价［J］.人民黄河，2010，32（6）：48－51.

［3］凌敏华，左其亭.水质评价的模糊数学方法及其应用研究［J］.人民黄河，2006，28（8）：34－36.

［4］任广平.因子分析及其在河网水质综合评价中的应用研究［J］.环境污染治理技术与设备，2005，6（4）：91－94.

［5］刘德林，刘贤赵.主成分分析在河流水质综合评价中的应用［J］.水土保持研究，2006，13（3）：124－128.