官厅水库水质评价及时空变化特征

杨荣金，王逸卓，李秀红，张 一，孙美莹

(1.中国环境科学研究院水生态环境研究所，北京 100012； 2.北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院，北京 100875)

水库水质关系到饮用水安全[1-2]。近年来，受自然环境变化及人类活动等综合作用的影响，库区水体污染日益严重，直接影响居民饮用水安全[3-4]。为改善水库水质污染状况，科学有效地建立水源地水环境管理制度，保障地区饮用水安全，完善区域内水资源系统的空间布局，必须对水库水环境进行客观、全面、科学的评价。

官厅水库地跨京冀两省，是反映永定河(河北—北京段)上下游之间流域资源环境最直观的区域。官厅水库曾作为除密云水库外北京市第二大饮用水水源地，后因严重污染问题退出了饮用水供水体系。随着北京市人口上升，密云水库作为当前唯一饮用水水源地，其供水压力与日俱增，未来可能难以支撑首都居民饮水用水需求。掌握官厅水库污染现状，识别主要污染因子，掌握水质时空变化特征与规律，是改善库区水环境质量、恢复其生态服务功能的前提。前人将研究重点放在上游入库河流水质评价上，对库区水体环境关注较少。彭福利等[5]运用多元统计分析方法对官厅水库入库断面八号桥水质年际变化特征进行分析，得出丰水期水质优于枯水期，关键污染指标为总磷。高星琪等[6]采用空间聚类分析、模糊综合评价法、综合判别分析等方法，对比桑干河、洋河、妫水河、清水河4条上游河流污染状况得出，洋河上游河水污染较严重，以总磷和浊度污染为主，污染物主要来自不合理使用化肥和有机农药，清水河和妫水河水质较好。杨大杰等[7-8]利用综合水质标识指数评价法和单因子水质标识指数评价法对官厅水库水质进行评价，分析表明，未经处理的入库水体水质最差,但经过黑土洼人工湿地综合处理进入官厅水库库区后水质好转，出库水质达到国家标准，可满足北京市景观和工业用水要求。目前缺乏对官厅水库库区水质状况的空间分布特征以及较长时间序列的水质变化分析，难以全面掌握当前水库水质动态变化，因此本文通过主成分分析法、反距离权重法与Spearman秩相关系数法对官厅水库入库、库区、出库共7个断面2010—2017年各项水质指标数据进行分析，识别关键污染因子及其贡献程度，综合评价官厅水库整体以及不同区域断面水质状况、年内及年际水质变化特征，为上游河北省调节与优化入库流域产业布局、制定空间管控措施和下游北京市水源地污染防治提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

官厅水库(38°51′N～41°14.2′N、112°8.3′E～116°20.6′E)是在海河水系永定河上修建的第一座大型水库，位于河北省张家口市怀来县和北京市延庆县界内，设计总库容41.6亿m3，水库流域总面积4.34万hm2。主要入库支流有洋河、桑干河、妫水河。早在20世纪50—60年代，官厅水库水质良好，建成后成为京西工业区主要的供水水源和京西居民饮用水的重要来源。20世纪70—90年代，随着周边地区社会经济的不断发展，官厅水库受到来自上游地区农业灌溉退水、畜禽养殖排污所造成的面源污染，以及沿河工业与城镇居民生活污水的影响，致使水质恶化，于1997年退出北京市生活饮用水供水体系[9]。后虽经治理，于2007年恢复成为北京市备用水源地，但其水生态形势依然严峻。为全面分析官厅水库入库、库区与出库水质特征与变化，选取了八号桥、西湖橡胶坝、河口、永10008东表、妫大桥表、妫1018+1表、坝后7个断面作为研究采样点(图1)。

图1 官厅水库位置及监测断面

1.2 数据来源

监测数据来源于官厅水库管理处，选取了官厅水库八号桥、西湖橡胶坝、河口、永10008东表、妫大桥表、妫1018+1表、坝后7个断面的2010—2017年共计84组水质指标月均监测数据，包含pH值、总氮(TN)、总磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)7项监测指标。

1.3 研究方法

1.3.1主成分分析法

主成分分析是一种将多维因子转换到同一系统中进行定量化研究的统计方法，在指标权重选取上有一定优越性，被广泛应用于河流水质评价中[10]。旨在利用降维思想，把多污染指标转化为少数几个综合指标(主成分)，其中每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复[11]。这种方法在引进多个变量的同时将复杂因素归结为几个主成分，使问题简单化，得到的结果更加科学有效。主成分分析法运用在水质评价中，可在众多影响因素中筛选出主要污染指标，并在此基础上对水质综合指标进行量化排序[12]。

1.3.2反距离权重法

空间插值法被广泛用于资源管理、灾害管理和生态环境治理中，应用较多的有反距离权重法(inverse distance weight, IDW)、克里金法、样条函数法、趋势面法和多元回归等一系列模型方法。空间异质性是空间插值研究的隐含前提，要素的非均匀空间分布是进行空间插值的前提，空间相关性是空间插值研究的基础[13]。

反距离权重的空间插值法是一种加权平均内插法，该方法认为任何一个观测值都对邻近的区域有影响，且影响程度随距离的增大而减小。水库水流流动性差，各区域水质状况不同程度受空间分布、地形、上游入库河流等因素的影响，导致库区水环境中各污染指标含量不均，存在空间异质性。采用ArcGIS空间分析模块的IDW空间插值工具，对官厅水库各断面水质评价结果进行插值，可有效开展官厅水库水质空间变化情况的研究[14]。

1.3.3Spearman秩相关系数法

秩相关系数法又称等级相关系数法，是衡量时间序列变化趋势在统计上有无显著性的常用方法，在污染物浓度变化趋势研究中得到广泛应用[15-17]。秩相关系数法常用于检验水质指标数据序列与其响应时间序列间的相关性，从而判断水质序列在时间序列上是否存在变化趋势[18]。

2 结果与分析

2.1 主要影响因素

对官厅水库各站点的84组月水质样本集进行主成分分析。在分析前，为排除数量级和量纲不同带来的影响，本研究对上述7个水质指标原始数据进行统计检验，得到KMO检验结果为0.618，大于0.5；Bartlett球形检验结果显著性概率P小于0.001，表明其差异检验值显著，说明样本数据适合进行主成分分析[19]。利用SPSS23软件对月水质数据进行Z-Score标准化处理与主成分分析，得到各主成分的特征值和方差贡献率，如表1所示。

表1 主成分特征值及方差贡献率

依据Kaiser-Harris准则，一般保留特征值大于1的主成分[20]。表1中第1、2、3主成分的特征值分别为3.121，1.603，1.020，故确定输出第1、2、3主成分。其方差贡献率分别为44.579%，22.907%和14.574%，且方差累计贡献率为82.06%，说明这3个主成分基本包含原数据集的大部分信息，可代替原7项指标[21]。

表2是经过旋转后得到前3项主成分的荷载矩阵与主成分得分系数矩阵。由旋转后的主成分荷载矩阵可知，主成分1与总氮(0.863)、总磷(0.833)、氨氮(0.791)高度相关，可作为解释以氮磷元素为主的水体富营养化的污染指标[22]；主成分2与pH值(0.894)、高锰酸盐指数(0.842)高度相关，可作为解释水体可还原污染物对水体酸碱度影响的污染指标；主成分3与溶解氧(0.949)高度相关，可作为解释水体自净能力的特征指标[23]。

通过对7个污染指标的筛选以及各主成分之间的贡献程度计算，可以看出目前影响官厅水库水质的主要污染指标及其影响程度从大到小排序为：总氮、总磷、氨氮、pH值、高锰酸盐指数、溶解氧。水环境中有机污染与可还原污染并存，以氮磷元素为主导致的水体富营养化是当前水库面临的最主要污染问题，这与上游农业灌溉退水与畜禽养殖排污、居民生活污水排放有关[24]。

表2 主成分荷载矩阵与得分系数矩阵

2.2 水质空间变化特征

主成分个数、各成分相关度与贡献程度确定后，需进一步确定各主成分的表达式和综合主成分函数，以开展水质综合评价[25]。根据不同断面2010—2017年汛期与非汛期各主成分综合得分均值，依据GB 3838—83《地表水环境质量标准》中规定的所选7个污染指标的5类水质临界数值，结合主成分分析得到的综合水质评价函数F，计算得出官厅水库水质等级分类标准为Ⅰ类：F≤-0.746；Ⅱ类：-0.746

(a) 全年

(b) 汛期

(c) 非汛期

表3 2010—2017年官厅水库不同时期各水质等级区域面积均值单位：km2

从图2(a)可以看出，入库断面八号桥与西湖橡胶坝水质状况最差，达Ⅴ类水标准限值，出库断面坝后水质综合状况最佳，达Ⅰ类水标准限值。结合第1、2、3主成分与各污染指标的相关性可知，入库断面上游洋河与妫水河存在以氮磷为主的有机污染，导致水体富营养化程度偏高，污染库区水质。河口(Ⅲ类水)、妫1018+1表(Ⅲ类水)断面距离上游河流入库断面较近，水质受上游来水影响较大，与库区永10008东表(Ⅲ类水)、妫大桥表(Ⅲ类水)断面相比主成分得分值较大。根据对图2与表3的综合分析，Ⅲ类水(全年占37.5%、汛期占39.4%、非汛期占21.5%)和Ⅳ类水(全年占53.6%、汛期占54.5%、非汛期占63.6%)占库区面积比重大，集中于库区中心位置。越靠近上游地区受工农业等人类活动影响越大，水质越差，向Ⅴ类水过渡；靠近下游出库区域水质向好，可达Ⅰ、Ⅱ类水的标准。

2.3 年内汛期与非汛期水质变化特征

根据官厅水库周边降水变化规律将每年6—9月作为汛期，其余月份作为非汛期。从汛期与非汛期水质空间变化图(图2(b)(c))可看出两个时期均显现出上游入库区域水质较差、库区水质向好、下游出库水质提升的变化规律。对两个时期各等级水质面积进行统计显示，汛期达标水质(Ⅰ～Ⅲ类水)面积明显大于非汛期。与汛期相比，非汛期Ⅲ类水面积缩减45%；Ⅱ类水区域面积缩减30%；Ⅰ类水面积虽增幅显著，但其影响范围与整个水库面积相比可忽略不计。非汛期水质未达标(Ⅳ、Ⅴ类水)区域面积显著增大，与汛期相比，Ⅳ类水面积增幅17%，Ⅴ类水面积突增为原来的2.3倍，由此看出，官厅水库汛期水质优于非汛期。从图2可以看出，靠近上游入库断面的河口及周边区域水质由汛期时的Ⅲ类水转为非汛期时的Ⅴ类水，妫1018+1表断面水质由Ⅲ类水转为Ⅳ类水，而其他断面水质等级保持不变，说明越靠近入库区水质污染变化越明显，这是由于汛期降水量与河道径流量增大，有利于水体中污染物稀释扩散。进入秋冬季后，河流处于非汛期，流域水温较低，水体流速和流量较汛期均有所降低，污染物无法及时随水流扩散稀释。靠近库区中心妫大桥表、永10008东表以及水库下游坝后断面水质变化受汛期与非汛期水量影响较小，全年水质变化波动幅度较小，水质状况稳定。

2.4 水质年际变化特征

2.4.1达标水质区域面积变化

根据GB 3838—83《地表水环境质量标准》，官厅水库水质应达到Ⅲ类水标准。通过上述分类与统计方法对官厅水库2010—2017年Ⅲ类水及以上水质等级区域进行面积统计，结果如图3所示。

图3 2010—2017年水质达标区域面积变化

由图3可知，2010—2012年官厅水库水质达标区域面积持续增大，库区整体水质状况好转，2012年水质达标区域面积达到2010—2017年间的最大值，占水库总面积的86.3%。水质变好的原因为自2009年北京市政府与河北省合作实施京冀生态水源保护林建设，增强沿岸涵养水源功能并对上游来水起到净化作用；2010年，随着永定河绿色生态发展带建设正式实施，官厅水库人工湿地的修建使库区水质在短时间内大幅上升。2013—2014年库区水质达标区域面积整体呈减小趋势，至2015年出现小幅度上升，随后2016年面积缩小至最小值 8.61 km2。2013—2016年官厅水库水环境质量恶化情况严重，这是由于永定河生态廊道建设中存在大量人为修复工程，在短时间内成效显著，但上游来水只减不增，污染物排放量居高不下，导致修复效果逐年减弱。2016年后官厅水库水质迅速好转，2017年达标区域面积增大至67.95 km2，占水域总面积的66.5%。其原因是2017年国家发改委、水利部、国家林业和草原局联合印发《永定河综合治理与生态修复总体方案》，同年开展了15项修复工程；另外由于降水量增大，加之京津冀协同一体化发展，上游加大水环境保护力度，官厅水库入库水量加大。北京拥有南水水源后，官厅水库放水频次降低，2017年蓄水量接近4.8亿m3，水面覆盖面积约80 km2，达2010—2017年间最高水位，库区水质达标区域面积回升。但从总体来看，2010—2017年官厅水库水质变化波动较大，2017年仍存在33.5%不达标水质区域。

2.4.2断面水质年际变化

采用Spearman秩相关系数法对官厅水库7个断面2010—2017年的主成分综合得分值进行分析，结果见表4。不同断面主成分综合得分和水质等级随时间变化趋势如图4所示。

表4 各断面主成分综合得分值秩相关系数与水质变化趋势

从表4的秩相关系数和图4的折线变化趋势可以看出，总体上八号桥、西湖橡胶坝、河口断面水质较2010年有下降趋势，库区靠近上游河流入库断面的永10008东表、妫大桥表、妫1018+1表、坝后断面水质较2010年有上升趋势。根据单尾检验，t=0.05时，临界值为0.738，各断面秩相关系数均小于临界值，表征水质变化的主成分综合得分值与时间序列无显著相关性，说明水环境变化除受自然影响外，更易受外界人为工程措施与地方政策的影响，水生态系统自我调节能力有限。

(a) 主成分综合得分

(b) 水质等级

由图4可知，八号桥断面水质维持在Ⅳ、Ⅴ类，根据其主成分综合得分值可看出，2011年得分值为近8年最大值1.55，水质状况最差；自2011年后水质好转，由Ⅴ类水转为Ⅳ类水；八号桥断面主成分得分值在2015—2016年经历了小幅度上升后下降，水质维持在Ⅴ类水。河口断面水质主成分得分值变化趋势与八号桥相似，自2011年主成分得分值达到最高值0.92后开始下降，水质由Ⅴ类水转为Ⅳ类水，这与2010年后实施的生态廊道修复工程有关，在八号桥入库口修建人工湿地在短期内使八号桥与河口附近水质提升，后续因为降水量与入库水量的波动导致这2个断面水质波动。西湖橡胶坝断面水质一直处于Ⅴ类水标准限值，自2010年主成分得分值达到最大值1.70后，其得分值在0.45～1.17间波动，总体呈下降趋势，这与妫水河入库口未实施相应修复工程有关。库区内永10008东表、妫大桥表、妫1018+1表断面水质综合得分值波动较小，妫1018+1表断面水质受妫水河入库水质影响较大，水质在Ⅲ、Ⅳ类水标准限值范围内波动；永10008东表与妫大桥表断面靠近库区中心，水质基本维持在Ⅲ类水，说明库区内中心水质状况较靠近上游入库断面区域更为稳定；出库断面坝后的主成分得分值在2012年达到最小值-1.12，于2016年达到最大值-0.63，总体维持在Ⅰ类水。

3 结 论

a.主成分分析表明，影响官厅水库水质的关键因子的贡献程度从大到小依次为总氮、总磷、氨氮、pH值、高锰酸盐指数、溶解氧。官厅水库水环境中以氮磷为主的有机污染与可还原污染并存，水体富营养化是当前水库面临的最主要的水质问题。

b.官厅水库水质时空差异较大，空间上总体呈现出上游河流入库区域附近水质劣于下游出库区域水质；上游来水成为库区污染物主要来源，污染物在入库湿地区域大量沉积，导致周边水质下降。时间上的特点为汛期水质优于非汛期水质，说明水量增大有利于污染物稀释。从年际变化特征来看，各断面水质呈现出不同规律，入库区域断面水质随时间变化波动较大，总体呈轻微好转趋势；库区中心至出库区域断面水质随时间变化相对稳定。2010—2017年总体水质情况为先降后升，但至2017年仍存在33.5%水质不达标区域。

c.根据官厅水库近年来水质评价结果与时空变化特征，建议实施分区管理。上游地区可优先对农业化肥施用采取管控措施，削减入库氮磷含量，同时开展节水措施，提高水资源利用率，增大入库水量，有效稀释库区污染物；上游河道周边实施湿地恢复工程，增强水源涵养功能，截留污染物。入库河流实现水质、水量两方面提升，将有利于恢复官厅水库及其下游河道生态服务功能，缓解北京市工农业发展与城市居民用水压力。