密云库区1991～2011年水质变化趋势研究

李东青，梁 籍，张立燕，赵文吉，郭逍宇*（1.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048；2.北京市城市环境过程与数字模拟重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，北京 100048；.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北 武汉 40074）

密云库区1991～2011年水质变化趋势研究

李东青1，2，梁 籍3，张立燕1，2，赵文吉1，2，郭逍宇1，2*（1.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048；2.北京市城市环境过程与数字模拟重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，北京 100048；3.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北 武汉 430074）

运用多元统计方法分析密云库区1991～2011年17个指标3个监测点的水质时间变异特征.应用聚类分析划分年际尺度上的年际Ⅰ（1991～1993，1995年），年际Ⅱ（1994，1996～2000，2002～2006年），年际Ⅲ（2001，2007～2011年）和季节尺度上的非汛期（11～12月、1～4月），汛期（5-10月）.基于此，运用判别分析阐释影响年际及季节水质变异的环境因素，最后运用因子分析识别不同年际段的污染来源和组成.密云水库21年间TP均值（0.03mg/L）略高于地表水Ⅱ类标准，TN均值（0.98mg/L）超过国家Ⅱ类标准的0.96倍N是TN均值超标的主要原因，氮磷污染问题仍需要重点监测和治理；库区植物生长状况和密度不均等及人为排放的不固定性使得TP变异系数较大N的较大变异系数体现在年际及季节变异性，非点源污染的控制（水土保持、化肥使用量减少、生活污水减少）和网箱养鱼的取消改善了库区21年水质N浓度降低，其季节变异发生在特定季节；另外，年际尺度上，气候变化引起了库区T增加；酸性点源减少使pH升高；工业活动、化肥使用等人为影响的显著上升促进了碳酸盐岩溶解，使EC、Ca2+、Mg2+、SO42-、T-Hard、T-Alk浓度增加；内源污染减少致使BOD5浓度下降；季节尺度上，季节性气温变动促使非汛期T低于汛期；非汛期碳酸盐岩溶解使Mg2+浓度高于汛期.对比不同年际段的水体污染来源，点源-非点源复合污染转化为以非点源污染为主，21年间非汛期地下水补给过程中碳酸盐岩的溶解作用一直影响水体化学特性，汛期降水径流携带的污染物直接影响水质状况，氮素污染组成简化，以N为主.控制流域水土流失、畜禽养殖、化肥使用等非点源污染，增强水利流通性，及时清理底泥及沉积物，能够有效减少库区氮磷，有机物及离子污染.

密云水库；多元统计分析；变异特征

水库在防洪、蓄水、灌溉、供水、发电、养殖等方面发挥重要作用.近年来，由于水库周边经济的发展，人为影响的点源、非点源污染增多，库区水质变异性较大［1-4］.Shen［1］对三峡库区非点源污染的研究表明，水质的时空变异与农业活动和降水量相关；天目湖沙河水库受土地利用和旅游开发的影响，其富营养化状况加剧［2］；田晋华等［3］对疏勒河流域3个水库水质进行研究，1997～2000年双塔水库受经济发展和来水量减少的影响水质属于Ⅱ、Ⅲ类，2000年以来党河水库受人类影响小，水质保持在Ⅰ、Ⅱ类之间，流域石油河的污染和点源污染使得赤金峡水库水质为Ⅴ类；Ahmed［4］对Al-Wehda大坝（约旦最大的水库）水质的研究表明，2006～2012年水质受降水径流和农业径流的综合影响；综合国内外水库水质状况的研究可知，库区水质因人为活动影响变异性较大，时刻关注水库水质变化对预防及治理水污染具有重要意义.北京市属于重度缺水城市（北京市水资源公报，2012），密云水库作为北京市唯一的地表饮用水源地，其水质关系到北京市的用水安全问题，同时为防止其重蹈官厅水库因水体富营养化失去饮用水功能的覆辙，关注密云水库水质变异的研究成为重中之重.在长期的密云水库水质研究中，评估水质的变化趋势及主要水质指标的变化规律一直得到人们的关注.先前研究大多集中在富营养化指标（氮、磷、有机物等），多个理化指标的综合时空变异报道较少，为改善密云水库水质状况，基于长时序多指标的水质数据，识别水质指标的变化趋势和长期水平，进而区分不同水质指标在污染防治中的优先程度，对于更具针对性地开展密云水库保护工作有重要意义.

多元统计分析方法中的聚类分析（Cluster Analysis，CA）、判别分析（Discriminate Analysis，DA）和主成分/因子分析（Principal Component Analysis，PCA/Factor Analysis，FA）已广泛应用于水质时空变异研究中.Wang等［5］运用多元统计方法中的CA和PCA对哈尔滨松花江流域的复杂水质数据进行分析，识别了水质的空间变异性及主要污染源特征；周丰等［6］综合利用CA、DA和GIS技术研究了香港东部近海水质的时空分布模式；Ajorlo等［7］在吉隆坡TUP流域水质分析中，运用CA、DA和PCA等多元统计分析方法发现时间尺度上的轻度污染水质和中度污染水质及其污染的主要来源；李义禄等［8］运用CA、DA和PCA分析苏州古城区河网水体污染物时空分异特征及污染源；先前的研究结果表明多元统计分析方法能够从纷繁的环境数据中提取重要信息，识别水环境的主要污染因子/源，从而了解区域内的水质状况和生态环境［9］，其中CA被用于识别水质时间或空间上的相似性，而DA能够识别出影响水质时空变异的显著指标，并进一步计算聚类分析结果的正确率，PCA/FA能够从复杂的原始数据矩阵中提取能够解释大部分方差贡献的少数旋转因子，第一个旋转因子所占的方差贡献率最大，随后的旋转因子贡献率依次减小，因此PCA/FA能够利用少数的变量解析复杂的原始矩阵信息［5-9］.

本研究对密云库区21年间（1991～2011年）3个监测点所包含的17个监测指标的1～12月监测数据进行基于描述统计学的水质特征分析，了解库区水质的总体状况，运用聚类分析对21年的水质数据进行年际及月份聚类，并运用判别分析方法验证聚类分析结果并识别能够表征水质年际变异的显著指标，了解水质的年际变异性及相似性，综合运用spearman相关分析和逐步判别方法判别出能够表征水质季节变异的显著因子.最后运用主成分/因子分析法分析不同年际聚类组污染物的主要来源，并结合实际调查情况解析污染成因及组成.为把握水质动态变化，掌握水质管理大体方向提供科学依据.

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区概况

密云水库位于北京市密云县城北16km处山区，横跨潮河、白河，控制流域面积15788km2.密云水库共3个库区：库东、库西和内湖，水库总面积约188km2，最大蓄水量43.75亿m3，年平均径流量11.9 亿m3，该区属于暖温带半湿润季风气候，年均温10.5℃，年均最低气温-18℃，最高气温38℃，降水主要集中在6～8三个月，近几十年来水库来水量减少的趋势明显，特别是1999年以来，北京遭遇连续7a（1999～2005年）干旱，年均降水量400mm左右，密云水库的年均入库水量仅为2.51×108m3，供水形势非常严峻［10］.库区补水方式因季节不同，非汛期地下水补给，汛期地面补给.本区的岩土体类型以岩浆岩类、碳酸盐岩类、变质岩类、碎屑岩类以及第四系的卵砾石类土为主［11-13］.

1.2 样点及分析

密云水库1991～2011年水质1～12月监测数据来源于北京市密云水库管理处，依据水库库区分布布点，东库区布点为库东，西库区布点为库西，内湖库区布点为内湖（图1）.监测指标包括水温（T）、pH值、电导率（EC）、钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、氯离子（Cl-）、硫酸盐）、氟化物（F-）、总硬度（T-Hard）、总碱度（T-Alk）、溶解氧（DO）、氨态氮）、硝态氮）、高锰酸钾指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、总氮（TN）17项指标，除T（℃）、pH值、EC（μS/cm）外，其他指标单位一律用mg/L，采样和测试均符合国家水文水质监测标准.

图1 密云水库库区研究范围和采样点分布Fig.1 Study area and surface water sampling sites in the Miyun Reservoir

1.3 研究方法

应用系统聚类方法、判别分析方法和因子/主成分分析方法对密云水库库区的监测数据进行处理，各类统计方法由Office Excel 2007和SPSS 18.0实现.

聚类分析法（CA）的主要思想是根据变量或样品之间的亲疏程度，以逐次聚合的方法，将性质最相似的对象结合在一起，直到聚成一类［9］，水质评价中常根据监测时间和监测点聚类以分析水质的时空变异特征.本文采用CA对21年年际及月份进行聚类，初步了解水质的年际及季节变化的差异性和相似性特征，欧式距离平方法是其计算方法.

判别分析能够识别出已知类别间具有显著差异的指标并验证类别分类的正确率［14］.因判别函数的不同，判别分析方法可分为3类，全模型判别，前进式判别和后退式判别，逐步判别分析是前进式和后退式的结合，当变量进入模型时，引入F值大于指定值的变量，剔除F值小于指定值的变量，本文运用的进入模型的最小F值是3.84，剔除出模型的最大F值是2.71，本文分别以年际聚类结果和季节聚类结果为分组变量，因各分组变量是非数值型参数，因此将其分别赋值为数值1、2、3等，水质指标作为自变量，分别运用全模型判别和逐步判别验证水质年际及季节的聚类结果并识别影响水质年际及季节变异的显著指标.

主成分/因子分析的主要思想是用少数独立变量代替大量非相关变量揭示变异特征［14-15］，在水质评价中，此方法主要用于提取污染因子和识别污染源［16］.本文PCA的提取因子是以特征值大于1为依据［8，16］，运用最大方差法进行因子旋转，识别3个年际聚类段水质的主要污染源.

2 水质总体状况的统计特征

密云库区各水质参数的描述统计见表1.将21年各指标均值与对应的地表水环境质量标准对比后可知，21年间TP均值（0.03mg/L）略高于地表水Ⅱ类标准，TN均值（0.98mg/L）超过国家Ⅱ类标准的0.96倍，是密云库区应重点加以控制的主要因子；其余指标均值低于地表水Ⅱ类标准，其中F-（0.33mg/L）、（0.53mg/L）、BOD5（1.25mg/L）更是低于Ⅰ类标准.其中，pH均值为8.11，最小值为7，表明21年来库区水质呈现弱碱性；T-Hard均值为144.39mg/L，按水质硬度分类［17］，密云库区水体属于硬水；总硬度与总碱度的比值被看作是天然水是否受人类酸化影响的指标，当总硬度与总碱度的比值大于1时，表示在石灰岩的溶解过程中有人为酸的输入［18］，21年水质总硬度均值大于总碱度，则初步表明流域石灰岩的溶解过程有人为酸的影响；水库水质离子浓度Cl-，与葛晓立等［19］的研究一致，即密云库区水质阴离子以）为主，阳离子以Ca2+为主，水化学类型为重碳酸盐类钙组Ⅱ型水.从变异系数来看，TP（182.45％）、）变异系数较大，表明其离散程度较高，时空分布不均匀.

表1 水质指标的统计特征及水环境质量标准Table 1 Summary statistics of measured parameters and the national standards for surface water quality

3 水质的分布特征

3.1 水质的年际聚类分析

密云库区水质的年际聚类分析结果见图2，在（Dlink/Dmax）×100＜14处可分为3组，分别为年际聚类组Ⅰ（IAⅠ）：1991～1993，1995年，年际聚类组Ⅱ（IAⅡ）：1994，1996～2000，2002～2006年，年际聚类组Ⅲ（IAⅢ）：2001，2007～2011年，表征各聚类组间具有水质变异性.从聚类结果还可以看出，除1994、2001年出现微小的波动外，密云库区水质基本上按照时间的推移表现出有规律的年际变异特征.

图2 水质的年际聚类分析Fig.2 Dendrogram of Interannual clustering results

3.2 水质的年际判别分析

表2 年际判别函数系数Table 2 Classification function coefficients of interannual variations

采用全模型和逐步判别分析法对年际聚类结果进行验证并识别对水质年际变异产生显著影响的水质指标.判别分析及回待验证结果如表2、3，全模型判别正确率为88.6％，表明水质的年际变异性显著；逐步判别筛选出10个指标T、pH值、EC、Ca2+、Mg2+、、T-Hard、T-Alk、BOD5，正确率为88.8％，表征这10个指标能够表征水质的年际差异性.就单一年际分组的判别正确率而言，IAⅢ的低判别正确率表明IAⅢ各年份的水质状况较相似.

表征水质年际变异的显著性指标的箱图如图3.在较大水深的湖库中，污染物对水生生态系统的影响取决于水温状况［20］，气候变化显著引起了库区水温的改变，21年间库区表层T均值17.57℃到17.92℃呈显著增加态势，随后又有小幅度降低趋势（17.47℃）；富含碳酸盐岩沉积物的密云水库地区［21］，酸沉降不会改变水体的pH值［18］，流域人为点源携带的酸性物质减少是库区水体pH值增加的主要原因主要来源于工业活动、大气沉降［22］和人为排放硫酸型肥料的使用［23］，表征库区及其上游流域基于人类活动影响的在21年间呈现显著的上升趋势含量增大促进了碳酸盐岩的溶解［24］，而碳酸盐岩的溶解沉淀平衡控制着水体中主要的水化学过程［21］，加之上游流域磷肥（过磷酸钙，重过磷酸钙）使用量增加［22］，综合作用使得库区重碳酸盐类钙组Ⅱ型水中Ca2+、Mg2+、T-Alk和T-Hard在年际组间呈现增加趋势，水化学特征组分中主要成分浓度增加使得水体EC同样呈现增加趋势；Cl-作为大气降水对河水化学影响的参照元素［25］，在年际判别中未被识别，表征降水并不是控制密云库区地表水水化学特征的主要因素，与刑鑫等［21］研究结果一致，进一步验证该研究区水化学特征由碳酸盐岩的溶解沉淀平衡控制的说法；通常情况下，流域BOD5的变化趋势类似于CODMn［26］，即二者21年间流域浓度变化不显著［27］，因此库区BOD5的显著降低是库区藻类植物及沉积物释放等内源污染减少的表现；在密云水库上游入库河流浓度显著增加的情况下［27］，具有较大变异系数的在不同年际组间呈现显著降低趋势，表征21年间上游流域非点源污染控制措施和库区内部工程措施的实施有效的改善了库区硝态氮污染；研究表明，密云水库的氮类污染物来源主要是降水径流、网箱养鱼和沉积物释放［28］.2001年国家正式启动的《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》项目中的水土保持生态建设使得流域水土保持措施的面积大大增加［10］；由于畜牧业的快速发展，有机肥的使用大大增加，化肥使用量有所下降［29］；截至2008年密云水库上游乡镇已全部建立污水处理厂［30］，生活污水直接排放减少；自2003年起，全面取消密云水库网箱养鱼.国家措施的实施未改善流域水质［27］，却使得库区浓度降低.综合描述统计分析可知，TN、TP具超标机率，但不具有年际变化梯度上的判别能力，说明21年来水库的氮磷污染问题并未得到显著改善，仍需要重点监测和治理在IAⅠ、IAⅡ、IAⅢ的均值均超过TN的国家Ⅱ标准0.5mg/L，是TN均值超标的主要原因；TP、具较大变异系数，但不能表征水质的年际变异性.

图3 显著指标的年际变动Fig.3 Interannual variation of significant water quality parameters

3.3 水质的月份聚类

密云库区水质月份聚类分析见图4，可见库区水质表现出良好的季节特征.在（Dlink/ Dmax）×100＜25处可分为两组，分别对应11～12月、1～4月和5～10月，北京的汛期时间为5～9月，此结果基本对应密云水库的非汛期和汛期.

3.4 水质的季节判别

运用全模型判别和逐步判别分析验证月份聚类结果并识别表征水质季节变异的指标，解析水质季节变异规律及变异原因，判别分析及回待验证结果如表4和表5.全模型判别正确率为96.1％，表明密云库区水质具有极强的季节差异性.逐步判别分析筛选出T、Mg2+和三项指标，回待验证正确率为95.6％，表明这三项指标能够充分指示密云库区水质的季节变异性.就单一季节的判别正确率而言，各判别方法中非汛期判别正确率都低于汛期，表征非汛期各月份水质状况相似性较大.

由于季节为非数值型参数，在进行相关分析之前需对季节赋值.分别赋值非汛期和汛期为1、2，Spearman相关分析结果（表5）指出，T、pH值、EC、Ca2+、Mg2+、T-Hard、T-Alk、DO、TP与季节相关性极显著（P＜0.05），说明9个指标受到库区水温、补水方式等季节性因素影响.

图4 水质的季节性聚类分析Fig.4 Dendrogram of seasonal clustering results

表3 年际尺度判别回代验证结果Table 3 Verification of classification functions for HAD at interannual variation

将Spearman相关分析与判别分析对比可知，DO、TP、pH值与库区水温、浮游植物密度［16］等季节性相关，库区植物生长状况和密度不均等及人为排放的不固定性使得三者不具有季节判别能力，其中TP的无规律性波动使其总体变异系数较大；季节性气温变动促使汛期T高于非汛期；变异系数较大的NO3--N具有季节判别能力却与季节不相关，表示NO3--N的变异只发生在特定季节（汛期或非汛期）（图5），汛期流域NO3--N浓度的增加并未对库区水质产生重大影响，再次验证库区NO3--N污染得到控制，汛期、非汛期NO3--N浓度相差不大（图5）；Cl-作为大气降水对河水化学影响的参照元素［25］，在季节判别中未被识别，表征降水并不是控制密云库区水体化学特征的主要因素，非汛期地下水补给过程中碳酸盐岩的溶解作用使得库区Mg2+浓度高于汛期［19］（图5），干湿沉降对Mg2+的影响较小，21年间干湿沉降受季节、年际差异、人为因素影响，其沉降时间及沉降量的波动性使Ca2+、T-Alk、T-Hard和EC丧失季节判别能力.

表4 季节尺度判别函数系数Table 4 Classification functions at seasonal scale

表5 季节尺度判别回代验证结果Table 5 Verification of classification functions for HDA at seasonal scale

图5 显著指标的年内季节变异性Fig.5 Seasonal variations of significant parameters

4 污染源分析

4.1 IAⅠ的主成分分析

IAⅠ共提取出6个旋转因子（VF），累计解释水质变异的70.06％（表6）.VF1（方差贡献率为16.92％）与pH值、Ca2+、Cl-正相关，与F-、负相关，Knutsson［21］的研究表明，富含碳酸盐岩的地区，酸沉降不会改变水体的pH值［18］，非汛期流域酸性废物排放是其主要来源与Ca2+的负相关表明二者并非同一主要来源，Ca2+与Cl-的正相关表示其主要受湿沉降影响，F-与来源于非汛期人为点源污染，VF1可解析为人为因素（点源、湿沉降）引起的外源离子污染；VF2（方差贡献率为13.80％）与T负相关，与DO、Mg2+、T-Hard正相关，与T的负相关关系暗示水质具有季节性特征，Mg2+、T-Hard来自于非汛期地下水补给过程中碳酸盐岩的溶解，VF2可解析为受自然因素影响的离子污染；VF3（方差贡献率为10.86％）与T-Alk正相关，与BOD5负相关与BOD5负相关表明汛期植物和藻类增加消耗氮、磷等［31］，有机物浓度增加，非汛期碳酸盐岩的溶解作用促使T-Alk浓度增加，VF3可解析为内源和外源（非点源）污染；VF4（方差贡献率为10.64％）与Ca2+、EC正相关，表征水体的离子污染和氨态氮污染，与Ca2+的正相关表明二者来源于点源污染或湿沉降［32］；VF5（方差贡献率为10.36％）与CODMn、T-Hard、TP相关，表明有机物污染和磷污染；VF6（方差贡献率为7.17％）与TN相关，且与TP（-0.43）、Cl-（0.37）具有相关性，可能来自于流域外源（点源和非点源）和内源污染的综合作用.

4.2 IAⅡ的主成分分析

IAⅡ共提取出6个旋转因子（VF），累计解释水质变异的62.58％（表6）.VF1（方差贡献率为13.37％）与T-Hard、Mg2+正相关，与F-负相关，T-Hard、Mg2+与非汛期碳酸盐岩的溶解有关，而F-主要来自于汛期化肥流失等污染［33］；VF2（方差贡献率为12.54％）与DO、TN相关，代表库区水体的总氮污染；VF3（方差贡献率为12.37％）与CODMn、正相关，与负相关，表征水体中的反硝化作用过程，消耗，生成和CODMn；VF4（方差贡献率为9.21％）与Ca2+正相关，VF5（方差贡献率为7.82％）与BOD5、EC正相关，VF6（方差贡献率为7.27％）与Cl-相关，代表水体中的有机物污染和离子污染.

4.3 IAⅢ的主成分分析

IAⅢ共提取出7个旋转因子（VF），累计解释水质变异的73.94％（表6）.VF1（方差贡献率为13.99％）与Mg2+、BOD5、pH值、T-Alk相关，非汛期地下水淋溶过程BOD5伴随Mg2+浓度升高［27］，pH值与T-Alk可能是汛期非点源污染影响，VF1可解析为污染是外源（非点源）污染作用结果；VF2（方差贡献率为11.84％）与TN正相关，非点源污染使得氮素污染加重，VF2可解析为流域外源（非点源）的氮素污染；VF3（方差贡献率为10.93％）与F-相关，可能是汛期化肥流失或非汛期人为点源所致；VF4（方差贡献率为10.80％）与正相关，表明水体的内源污染；VF5、VF6、VF7分别与Ca2+、T-Hard，T、EC，DO相关，三者表示水体的离子污染状况.

综合分析IAⅠ、IAⅡ、IAⅢ的主要影响因素可知：密云库区水质的主要污染因子为氮磷、有机物以及离子污染，表现为复合污染.不同年际段的污染来源不同，人为直接排放的点源污染在IAⅡ、IAⅢ得到了有效控制；非点源污染是主要来源，其中碳酸盐岩的溶解作用21年间一直影响水体的化学特性，降水径流携带的污染物直接影响水体水质状况在年际梯度上浓度逐渐降低，主成分分析中成为主要污染因子（IAⅢ，VF2），说明人为非点源污染（非汛期地下水补给过程碳酸盐岩的溶解和汛期降水径流携带的污染物）成为污染的主要形式，但污染程度降低，水质状况改善.污染组成简化，TN污染组成由NH4+-N、NO3--N复合污染转化为以NO3--N为主.

表6 年际分组旋转因子载荷矩阵及方差贡献率Table 6 Factor loadings value and explained variance of water quality parameters at interannual scale

5 结论

5.1 就密云水库水体的水化学特性而言，pH均值为8.11，呈弱碱性，T-Hard均值为144.39mg/L，属硬水，水化学类型为重碳酸盐类钙组Ⅱ型水，且流域石灰岩的溶解过程有人为酸（硫酸等）的影响.聚类分析可知，密云库区水质表现出显著的年际变化特征和季节变化特征，即年际聚类组Ⅰ（IAⅠ）为1991～1993，1995年，年际聚类组Ⅱ（IAⅡ）为1994，1996～2000，2002～2006年，年际聚类组Ⅲ（IAⅢ）为2001，2007～2011年；非汛期11～12，1～4月和汛期5～10月.综合描述统计分析和判别分析可知，TP均值略高于Ⅱ类标准，TN均值超过国家Ⅱ类标准的0.96倍.具超标机率TN、TP不具有年际变化梯度上的判别能力，说明21年来水库的氮磷污染问题并未得到显著改善，仍需要重点监测和治理，库区植物生长状况和密度不均等及人为排放的不固定性使得TP变异系数较大是TN均值超标的主要原因，的较大变异系数体现在年际及季节变异性，21年来库区水土保持、化肥使用量减少、生活污水减少和网箱养鱼的取消等措施使得库区水质明显改善浓度降低的季节变异只发生在特定季节，汛期流域浓度的增加并未对库区水质产生重大影响，再次验证库区水质状况得到改善；具有较大变异系数的尚未在年际及季节变异性中体现出来，需做进一步研究.另外，能够表征水质年际变异的指标为pH值、Ca2+、Mg2+、T-Hard、 T-Alk、EC、BOD5，流域酸性物质促使水体pH值升高；工业活动、大气沉降和硫酸钾型化肥流失增加了含量，促进了碳酸盐岩的溶解，碳酸盐岩溶解和上游流域磷肥（过磷酸钙，重过磷酸钙）使用的综合作用使得Ca2+、Mg2+、T-Hard、T-Alk、EC浓度在年际组间呈现增加趋势；内源污染减少降低了BOD5浓度.加之，密云库区水质季节性变异研究表明，T、Mg2+、能够表征水质的季节变异特征，Spearman相关分析与判别分析对比可知，库区植物生长状况和密度不均等及人为排放的不固定性使得DO、TP、pH值与季节相关，但不具有季节变异性；碳酸盐岩的溶解作用使得库区Mg2+浓度高于汛期，干湿沉降的沉降时间及沉降量的波动性使得Ca2+、T-Alk、T-Hard和EC丧失季节判别能力.

5.2 密云库区水质的主要污染因子为氮磷，有机物和离子污染，表现为复合污染.点源污染在IAⅡ、IAⅢ得到了有效控制；非点源污染是水体的主要污染因子，其中碳酸盐岩的溶解作用一直影响水体的化学特性，降水径流携带的污染物直接影响水质状况.氮素污染组成简化，逐渐由复合污染逐渐转化为单一污染.

5.3 库区离子污染状况应该引起重视，人为影响是密云库区水体污染的主要来源，不同污染指标在污染防治中的优先程度不同，人为影响的成为自然因素所致离子污染的主要动力，减少硫酸钾型化肥流失等人为活动是控制库区Ca2+、Mg2+、T-Alk、EC和T-Hard等离子污染的先决条件是TN均值超标的主要原因，严格控制水土保持、畜禽养殖、化肥使用、生活污水排放等是治理氮类污染的有效措施；另外，加强水体流动性，及时清理底泥及沉积物等也是库区磷污染及有机物污染减少的重要保障.

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The research of water quality trend in the Miyun Reservoir from 1991 to 2011.

LI Dong-qing1，2，LIANG Ji3，ZHANG Li-yan1，2，ZHAO Wen-ji1，2，GUO Xiao-yu1，2*（1.College of Resources Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing 100048，China；2.Urban Environmental Processes and Digital Modeling Laborator，Beijing 100048，China；3.College of Hydroelectricity and Digitalization Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1675～1685

Multivariate statistical methods were used to analyze the temporal variations of water quality from 1991 to 2011 in the Miyun Reservoir.The dataset consisted of 17 variables monitored monthly at three sites.Clustering analysis showed that the water quality could be divided into three groups at interannual scale： IAⅠ（1991～1993，1995），IAⅡ（1994，1996～2000，2002～2006），IAⅢ（2001，2007～2011），and two groups at seasonal scale： non-flood season（November-December，January-April），flood season（May-October）.Discriminant analysis（DA）was used to identify the primary parameters that resulted in the variation of water quality.Principal component analysis/factor analysis（PCA/FA）was used to extract the main sources/factors responsible for the pollution in IAⅠ，IAⅡ，IAⅢ.The results demonstrated that TN and TP exceeded national Ⅱ separately 0.96 times and 0.2 times.The high coefficient of variation for TP was attributed to the instability of wetland plants and human activities，and the great annual and seasonal variability resulted in the high coefficient of variation for，the effective control of endogenous pollution such as conservation of water and soil，decreasing domestic wastewater and fertilize use and the countermand of cage culture improved water qualityduring 21 years，indicating the decreasing concentration of；The seasonal variation ofN took place in specific season.At interannual scale，water temperature increased with increasing air temperature；Dissolution of carbonate rock was accelerated due to increasingconcentration affected by fertilizer use and industrial activities，which increased the concentrations of EC，Ca2+，Mg2+，SO42-，T-Hard，T-Alk；The concentrations of BOD5decreased due to the internal pollution.At seasonal scale，the concentration of Mg2+was higher in non-flood season than in flood season because of the dissolution of carbonate rock.At interannual scale，the pollution sources for IAⅠ，IAⅡ，IAⅢ changed from a combined point and non-point pollution to primarily non-point pollution.The water quality was affected by the dissolution of carbonate rock in non-flood season and was impacted by the rainfall runoff in flood season.In the Miyun Reservoir，nitrogen pollution was predominantly derived fromN.Enhancing the water circulation，decreasing non-point pollution（water and soil loss，fertilizer use and cage culture），and timely sediment dredging，can effectively decrease the concentrations of nitrogen，phosphorus，and organic and ionic pollutants.

the Miyun Reservoir；multivariate statistical analysis；temporal variations

X524

A

1000-6923（2015）06-1675-11

李东青（1989-），女，河北衡水人，首都师范大学硕士研究生，主要从事水环境控制与管理.

2014-10-18

国家自然科学基金（40901281）；北京市教育委员会科技计划面上项目（KM201310028012）；国家国际科技合作专项（2014DFA21620）

* 责任作者，副教授，xiaoyucnu@126.com