东平湖区上游河段水质评价与影响因素研究

2020-12-22郭莹莹刘晓琼

山东水利 2020年11期

郭莹莹，刘晓琼，马睿

（1.泰安市水土保持生态环境监测站，山东泰安 271000；2.岱岳区胜利水库管理中心，山东泰安 271000）

本研究在对东平湖区上游水质现状和变化特征分析的基础上，研究水质变化程度与社会经济之间的关系，为大汶河流域水污染治理和生态环境改善提供参考。

1 研究区概况

大汶河主流发源地位于淄博市沂源县山南麓的沙崖子村，由东向西流经莱芜、泰安、济宁，在泰安市境内河段长144.53 km，流域面积6 457.2 km2，占全市面积的83.2%，在东平县马口注入东平湖。东平湖区上游河段研究范围为泰山区、岱岳区、新泰市、肥城市、宁阳县5 个县（市、区），多年平均天然年径流量为9.72 亿m3，相应年径流深为171.9 mm，年均降水量697 mm，汛期为 4～9 月份。

2 研究方法

采用地图叠加法、模糊数学法相结合，依据大汶河水文站点监测断面的水质数据，进行水质综合评价，通过主成分分析法、灰色关联分析法研究影响因子的贡献率和关联度分析，并运用GM（1，1）模型，进行东平湖区上游河段未来 5 年水质指标预测。

3 数据来源

本研究水质数据选取大汶口水文站、戴村坝水文站2008 年1 月至2017 年12 月监测断面数据，由泰安市水文局提供，监测和试验均符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），人口和GDP 等社会经济数据来源于山东省统计年鉴和泰安统计年鉴等。

4 结果与分析

4.1 水质分析

为保证水质数据的完整性和一致性，选取氨氮（NH3－N）、总磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）、化学需氧量（COD）4 项常规水质监测指标评价为基础，采用地图重叠法和模糊数学法进行水质综合分析。

地图重叠法取单项值的最大类别为总评级，按照枯水期、丰水期进行评价。模糊数学法综合考虑水质级别界限的模糊性，考虑水质参数对污染作用的差异，运用隶属函数对单项水质进行评价，根据水质参数权重，运用模糊矩阵进行复合计算，对水质指标进行综合分析评价，结果如表1。

通过地图重叠法和模糊数学法综合分析，东平湖区上游河段水质发生较为显著的变化。年际变化方面，2008—2014 年，水质有了较为显著的提升，这与大汶河综合开发项目河道疏浚、拦蓄工程、人工湿地建设等治理措施的开展有关，使面源污染得到有效控制，在涵养水源、净化水质方面效果显著；年内变化方面，2008 年和2014 年大汶口站、戴村坝站枯水期水质较丰水期较差，这与枯水期工业污废水产出排放有关，丰水期由于降水增多，河水得到稀释，水质评价较好。

表1 水质综合分析结果

4.2 影响因素分析

1）主要影响因子主成分分析。研究选取总人口、人均GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值、农村人口、播种面积、农药使用量、化肥使用量、地膜使用量、大牲畜存栏量等相关影响因子与水质监测指标进行数据分析，应用SPSS 23.0，对样本先进行标准化再进行分析计算，综合得出相关系数矩阵、特征值、主成分贡献率与累积贡献率表，如图1。

图1 各因子对主成分贡献率分布图

结果表明，11 个影响因子之间存在较高的相关性，可以进行主成分分析，各因子对主成分贡献率分布图见图1。第一主成分（总人口、人均GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值）贡献率达65.4%，是主控因子，与社会经济发展有关，是水质变化的主要驱动力；第二主成分（农村人口、播种面积、化肥使用量、农药使用量、地膜使用量、大牲畜存栏量）贡献率达34.4%，与农村生活和农业面源污染有关。

2）水质与社会经济指标的灰色关联分析。采用灰色关联分析，通过数据的无量纲化转换，计算得出2008—2017 年间研究区内水质和社会经济指标的关联度，如表2。

表2 东平湖区上游河段水质和社会经济指标的关联度

根据灰色关联度等级，化学需氧量和总人口、第一产业；五日生化需氧量和总人口为中等关联度，其他水质指标和社会经济指标呈低度关联。

4.3 未来5 年水质灰色预测模型

运用GM（1，1）模型进行预测时，进行主要水质指标未来5 年灰色模型预测，并进行残差修正及检验，预测模型见表3。

结果表明，氨氮、总磷建立的灰色模型的后验差比值C 均小于0.35，小误差频率P 均为1，符合一级检验标准；化学需氧量、五日生化需氧量建立的灰色模型的后验差比值C 均小于0.65，小误差频率P 小于0.7，符合三级检验标准。未来五年主要污染物指标均呈逐年下降趋势，其中氨氮、总磷下降幅度较大，化学需氧量、五日生化需氧量基本平稳下降。