河北燕山南麓库区水体质量调查评价分析

(河北省石家庄水文水资源勘测局，河北 石家庄 050800)

地表水资源质量对区域景观生态格局演变、人居生产生活有着深刻而直接影响。当前工业化、城镇化迅猛发展，地表覆被资源破坏形势严峻，水体污染、水资源短缺、地表径流流失等水生态问题频发，从某种层面来讲，已经危及到了人与自然的可持续发展[1～2]。实施水资源调查与水质综合评估为区域水资源保护、经济发展布局、生态环境治理提供信息基础[3～4]。燕山南麓为河北省重工业聚集地，也是我国北方水资源短缺的典型地区，水库是区域重要的水源地。本文通过调查分析该区水库断面水体质量，评估若干库区水体综合质量，对水污染决策治理有一定意义。

1 区域概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区域为河北省燕山南麓的桃林口、石河、洋河、陡河和邱庄等5个水库(如图1)。该水库位于河北省唐山和秦皇岛市境内的外流水系上游，区域河流短促、流速平缓、水量较小，水库是重要的供水源地。地区属温带季风性湿润气候，年均温10℃，多年均降水量540.5 mm，冬季寒冷干燥、夏季高温雨水集中，春秋短促，月际温差大，无霜期185 d，大于10℃的积温为2 800℃。库区上游以林草地、耕地为主要用地类型，植被覆盖度约为35%。近年来随着城镇化、工业化发展日趋深入，工业三废、农用污水、生活废物排放增多，对库区水体造成一定污染。

图1 试区水库分布图

1.2 水质样本获取与测试

该区水库为居民生活用水、工农业生存重要水源，通过本次水质调查以期摸清水体质量，为不同用水类型水源的水处理工艺选择以及区域水环境保护提供信息基础。综合考虑库区水文情势和环境特征，分别从水库的库首、中心、沿岸带、库尾等不同位置获取水质样本，取样时间为2016年月～2017年10月，每月采样一次，以便能够较好地反映库区水质概况[5～6]。将每次采集样本混合均匀，并送至实验室予以检测分析，检测的指标分别是总硬度(hardness)和钙(Ca2+)、镁(Mg2+)、高锰酸钾指数(K2MnO4)、化学需氧量(COD)含量，分别采用EDTA滴定法、火焰原子吸收分光光度法、火焰原子吸收光谱法进行化验[7]。

1.3 水体质量综合评判

水体是多元物质综合体，不同物质含量高低对水质产生一定影响，根据水体质量与其生物、化学、物理成分之间对应关系，建立模糊隶属度函数，从而对水体综合质量进行评价。本次水污染综合评价指标有总硬度等5个指标组成，根据依据 GB3838—2002规定的水环境质量标准，将水质量等级分成5个类别，则有V={I，II，III，IV，V}。各水库断面水质的各种监测指标隶属度rij，表征该指标隶属的水质等级，其中i为水质指标，j为水质等级，r值越大，则其隶属度越高。对于第1级水质，其模糊数学公式如下[8]：

(1)

属于第j级水质，其计算公式如下：

(2)

对于最后一级水质指标，其隶属度为

(3)

根据隶属度函数对监测数据进行计算得到模糊关系矩阵，如下：

(4)

式中：m为参评指标个数，n为水质计数。指标权重W为单一指标对水质的影响程度的度量，采用主成份分析，提取各指标的重要性，记作W={wi}。将指标权重与其隶属度函数加权求和，即为该库区水质综合指数Index，即Index=Q×W。将水质综合指数进行等分分级，依次为I级[0,20)，II级[20,40)，II级[20,40)， III级[40,60)， IV级[60,80)， V级[80,100)。

1.4 数据分析与处理

应用统计产品与服务解决方案SPSS 21.0对5个水库水体的指标属性进行描述统计分析和皮尔逊相关性分析，并通过主成份(Principal Component Analysis)获取库区水质因子荷载矩阵，进而判断水质级别以及水质影响因子。

2 结果与分析

2.1 库区水质描述统计分析

如图2所示，5大库区水质监测指标相异。水体总硬度均在150 mg/L以上，以邱庄水库水质总硬度最大，为266.8 mg/L；其次是陡河水库，达到220.3 mg/L，石河、洋河、桃林口水库水质总硬度相对较小，介于165～197 mg/L之间。库区之间Ca2+含量范围在46.1～61.8 mg/L之间；Mg2+在陡河、邱庄水库含量相对较高，为24.4、27.4 mg/L，在其他库区仅为14.2～17.3 mg/L之间。邱庄水库水质K2MnO4含量最高，达6.38 mg/L，洋河最低，仅有1.9 mg/L，余者相差不大，约为2.7～3.5 mg/L之间。各水库水质COD指标介于8～30 mg/L之间，含量高低依次为邱庄>石河>陡河>桃林口>洋河。

图2 水库水质监测平均值

2.2 库区水质指标相关性分析

水体中的理化成分含量复杂，其来源也存在差异，采用相关分析能够识别库区断面水质中污染物是否同源。Person相关性分析如表1所示，可知库区水质的总硬度与钙镁矿物质含量呈极显著正相关，相关系数达到0.779、0.723，这是由于这些金属矿质成分是水体硬度的来源，另外高锰酸钾指数和升华需氧量也与其呈一定水平相关。升华需氧量与高锰酸钾指数含量值在0.01水平上呈正相关，表明二者具有同源性，另外其与金属矿质含量也呈正相关性，但相关系数仅为0.213、0.263。

表1 库区水质断面相关性分析 mg/L

注：**表示在0.01水平上呈极显著相关，* 表示在0.05水平上呈显著相关。

2.3 库区水质多元分析

将水质监测数据进行单样本Kolmogorov-Smirnov分析，对未能通过5%水平检验的指标序列予以对数或均方根转换，使之符合整体分布形式，在此基础上进行因子分析，根据特征值大于1的原则提取主成份信息，结果如表1所示。由表可知，PCA1携带信息量大，能够解释最多的水质信息，累积解释度为43.872%；其次为PCA，为29.651%；PCA方差量较小，但仍然可解释18.713%的信息，这三个主成份共解释了88.745%的水质信息。其中PCA1主要反映的总硬度、钙的信息，其荷载量达到0.729～0.944，表明水体矿化物质主要来源于本底地质环境特征；PCA2主要反映的高锰酸钾指数的信息，荷载量为0.720、0.818，说明其化学特性是由工农业、生活排污所致；PCA3与水质化学需氧量关联密切，反映其营养型污染源。

表2 Varimax 旋转后的因子载荷量和得分因子系数

注：表中黑体字为主成份荷载值大于0.6的值。

图3 主成分得分在各水库断面的分布

表2中的因子系数为各因子与主成份得分值之间回归系数值，将其代入多元回归方程可计算出每个库区水质监测指标的主成份信息，结果如图3所示。图中各水库水质的成分值大小不一，表明其含量存在显著差异。其中邱庄水库f(PCA1)>f(PCA3)和f(PCA2)，表明该水库水体中金属离子、总硬度对水质的影响高于COD含量；结合区域事情来看，邱庄水库位于河流上游地段。邻近地区耕作、工矿业等生存等强度小，水体质量主要受区域地质环境影响。桃林口水库也呈相似特征，近年来桃林口库区被开辟成湿地公园，对区域水环境进行良好保护，有效减少了外来有机物质如COD、高锰酸盐等污染。石河、陡河水库中f(PCA2)值最大，表明水库水质受生化含氧量影响较大，该库区地处农灌渠和工矿业聚集地，工业污水的排放是本区水质的重要而直接影响因素。洋河水库水质的f(PCA2)> f(PCA1)> f(PCA3)，表明第二主成份中高锰酸钾指数是该水库水质的重要指示性指标。

3 结语

通过对河北省燕山南麓若干水库断面水质取样分析，得知区域水体质量存在差异，并且水质污染因素也略有不同。其中，邱庄富含钙镁等矿化物质、硬度大，化学需氧量是水污染重要影响因子；影响石河的污染物是高锰酸钾指数，桃林口、洋河等水库水质相对较好，主要是防控化学需氧量等污染。当前城镇化、工业化的深入发展势必对本区不可多得的水资源产生一定的影响，加之本区资源性缺水加剧了水资源供需矛盾，因而采取科学的水污染质量、水环境保护措施是极有必要的。