宁东能源化工基地湖库水质参数时空分布特征及污染评价

王 梅

（宁夏华正检测技术有限公司，宁夏 银川 750001）

引言

宁夏回族自治区宁东能源化工基地是国务院批准的国家重点开发区，规划区总面积3 500 平方公里(核心区面积800 平方公里)。自2003 年开发建设以来，先后被确定为国家重要的大型煤炭生产基地、“西电东送”火电基地、煤化工产业基地、国家产业转型升级示范区、现代煤化工产业示范区、绿色园区、新型工业化产业示范基地、外贸转型升级基地，但随着宁东基地经济产业的不断推进与发展，作为第二产业的水资源，其利用和保护备受关注，因此研究水资源时空分布和变化特征对宁东基地长远发展至关重要[1]。目前，河流和湖库水质评价方法包括单因子评价法、综合污染指数评价法、内梅罗指数法、层次分析法、人工神经网络法、主成分分析法、灰色系统评价法、模糊综合评价法、贝叶斯数学统计法等方法[2-4]。每种评价方法各有优缺点。其中，单因子评价法是水质评价中应用最广泛的评价方法，通过评价参数实际监测值与标准值比较，从而判断水质类型[5-6]，其优点是简单直观，但无法判断水质的总体污染情况[7]。主成分分析法采用降维技术将多指标标准化为少数几个综合指标，对高维变量进行综合和简化，减少原始数据信息损失，提高分析结果的可靠性，目前已广泛应用于水[8]、大气[9]、土壤[10]以及区域综合评价。宁夏基地地表水主要有边沟、西天河(大河子沟)、鸭子荡水库、圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖。目前作为大量涌入矿井水的人工湖圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖利用效率极低，仅有30%，与国家对矿井疏干水利用要求相去甚远[11]。本文选取宁东基地供水工程的核心引水型水库鸭子荡水库和大量矿井水形成的人工湖(圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖)为研究对象，采用单因子评价法、Spearman 秩相关系数法分析宁东地表水水质整体达标情况和变化规律，利用综合污染指数评价法和主成分分析法确定主要污染因子及各影响指标权重对水质进行综合评价，归纳水质控制的主要因素。为宁东基地供水工程水环境管理以及提高矿井水利用效率等难题提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与评价因子选择

2019 年10 月至2020 年10 月我公司受宁东基地环境监测站委托，对宁东基地供水工程的核心引水型水库鸭子荡水库、圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖按照《地表水和废水监测技术规范》（HJ 91—2002）[12]进行每月一次的样品采集（共计11 次），参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[13]进行了水温、pH 值、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数指数等24 项基本水质指标监测，因24 项水质参数中水温和pH 值不参与水质评价，且除高锰酸盐指数（CODMn）、五日化学需氧量（BOD5）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和氟化物（FL）外，其余水质参数含量极低，故为了监测数据有效性和代表性，本项目选择主要污染物高锰酸盐指数、五日化学需氧量、化学需氧量、氨氮、总磷和氟化物等6 项有效指标的实际监测数据进行统计分析和评价。

1.2 数据处理及分析方法

本文不同监测点位水质参数显著性分析均使用SPSS Statistics 软件进行，水质参数年度比较采用独立样本t 检验分析，水质参数季节性分析及不同断面间比较，所有样本数据进行分析检验前均进行了正态分布检验；P＜0.05，表明代表性显著。

1.3 水质评价方法

1.3.1 单因子评价法

单因子评价法可清晰表示研究水体是否满足水质要求，通过选取某一个评价参数的多次监测极值或均值，与该因子的标准值进行比较，以最高类类别为断面综合水质评价。

1.3.2 Spearman 秩相关系数法（Daniel 趋势检验分析）

Spearman 秩相关系数法（Daniel 趋势检验分析），即利用检测指标均值数据求出各污染物年均浓度进行趋势变化分析。计算公式如式（1）和式（2）。

式中：Xi为周期i 到周期N 按浓度值从小到大排列序号；Yi为按时间排列序号；di为变量Xi和Yi的差值。

将秩相关系数法gs 绝对值同Spearman 秩相关系数统计表中的临界值Wp进行比较。，则表示变化趋势有显著意义；如果γs是负值，表明在统计时段内有关统计计量指标呈下降或好转趋势；如果γs是正值，表明在统计时段内有关统计计量指标呈上升或加重趋势。当，则表明变化趋势没有显著意义，说明在评价时段内检测指标变化稳定或平稳。

1.3.3 综合污染指数评价法

将水质单因子指标数据与《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）各湖库水质目标标准限值相比，得出各指标的污染分指数，并通过各指标污染分指数的算术平均值计算出水体综合污染指数，以说明水体污染程度[14]。综合污染指数等级水质分级表见表1[15]。

表1 综合污染指数评价分级表

污染指数计算公式，见式（3）。

式中：P 为水体综合污染指数；n 为选取的污染指标项目指数；Pi为第i 项水质指标的污染分指数；Ci为第i项水质指标的实测浓度值；C0为第i 项水质指标的评价标准值；PDO为溶解氧的污染指数。

1.3.4 主成分分析法

主成分分析法是一种统计方法，采用正交法将一组可能相关的变量（实体，每个实体具有不同的数值）的观察值转换为一组称为主成分的线性不相关变量值。PCA 是最简单的基于特征向量的多元分析，通过降维技术，客观处理各个指标的权重，使评价结果更加客观。其主成分分析的模型见式（4）和式（5）。

综合评价函数：

式中：a1m、a2m、…、anm为原始变量矩阵协方差矩阵的特征值对应的特征向量；ZX1、ZX2、…，ZXn为原始变量矩阵经过标准化处理值；λ1、λ2、…，λp为主成分个数。

2 结果分析

2.1 单因子及Spearman 秩相关系数法评价结果

根据2019 年和2020 年《宁东能源化工基地环境质量报告》标准限值要求和《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）标准，本文利用单因子及Spearman秩相关系数法对2019 年10 月至2020 年9 月鸭子荡水库、圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖逐月实测数据进行分析比较，查秩相关系数检验表，Wp11，0.05=0.618。

结果表明，鸭子荡水库能够达到地表水Ⅲ类限值要求，圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖均为劣V 类，且Spearman 秩相关系数法结果表明，南湖的氟化物存在显著上升趋势，其他各检测因子虽有上升或下降，但均不呈现显著性变化。结果见表2。

表2 2019 年—2020 年均值及变化规律表

2.2 综合污染指数评价结果

将检测点位各指标实测数据代入公式（3）进行计算，为得到具有可比性综合评价指标，本文在综合污染指数评价计算中Co 统一选择《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）表1Ⅲ类，得到各点位检测指标综合指数见表3，结合表1 综合污染指数评价级别可以看出，鸭子荡水库高锰酸盐指数、总磷、氟化物和氨氮污染指数范围在0.19～0.40 之间，污染状况均较低，但五日化学需氧量、化学需氧量和溶解氧属于中度污染，因此该点位整体属于轻度污染；圆疙瘩湖和南湖五日化学需氧量和化学需氧量属于严重污染，以上两个点位整体属于重度污染；鸳鸯湖五日化学需氧量、化学需氧量和氟化物属于严重污染，整体属于重度污染。

表3 宁东地表水各项指标污染分指数Pi 及综合污染指数P

由此表明，无论是作为宁东基地核心饮水工程的鸭子水库还是大量矿井水形成的人工湖，影响水质状况的主要污染指标为五日化学需氧量、化学需氧量和溶解氧，表明水中存在还原性质有机污染物，另外，鸳鸯湖水体污染还受高盐影响。

2.3 主成分分析结果

本文选择对水体达标情况影响较大的5 个指标高锰酸盐指数、五日化学需氧量、化学需氧量、溶解氧、氨氮和氟化物进行主成分分析。首先，将原始数据进行标准化处理，将标准化处理后的数据进行相关性分析。根据主成分选取原则，特征值大于1，对应第1、第2 和第3 主成分，其方差贡献率和累计方差贡献率结果见表4。

表4 特征值及贡献率

为进一步更好地解释各检测指标的意义，计算初始因子载荷矩阵，每个载荷量表示主成分与对应变量的相关系数，正值表示正相关，负值表示负相关，绝对值越接近1，表示相关性越高。根据初始因子荷载量，计算主成分荷载值，从而确定因子指标权重，并进行归一化处理，计算结果见表5。由主成分赋权结果可以看出，作为宁东基地大型供水工程鸭子荡水库，化学需氧量和五日化学需氧量占据相对较大的权重；而矿井水形成的人工湖（圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖）化学需氧量、五日化学需氧量、溶解氧和氟化物占据权重较大，这与前面单因子评价法和综合污染指数评价法分析的时空分布结果相符，表明宁东基地地表水水质水体中还原性物质是导致富营养化的主要因素，且人工湖受盐困扰。

表5 主成分因子荷载及赋权计算结果

3 结论

本文采用单因子评价法、Spearman 秩相关系数法、综合污染指数评价法和主成分分析法4 种方法研究结果一致表明影响宁东基地鸭子荡水库、人工湖(圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖)水质状况主要检测指标为五日化学需氧量、化学需氧量和溶解氧，另外，人工湖还受到氟化物的影响。总之，无论是作为宁夏化工基地的核心引水型水库鸭子荡水库，还是大量矿井水形成的人工湖（圆疙瘩湖、鸳鸯湖和南湖），均不同程度地受水体中还原性有机污染物污染，且人工湖还存在高盐污染。原因可能为：

1）宁东地区因地域特性为干旱少雨，蒸发量大；

2）作为引水型工程的鸭子荡水库对黄河水的依赖过高；

3）大量矿井水形成的人工湖因水资源管理制度的问题，导致矿井水回用率不高，且处理不到位；

综上，宁东化工基地地表水综合利用与改善亟需解决，需要节约用水、节流和治污并举，保护水源，优化配置，提高工业结构的要求，才能降低水体的污染。