彰武水库水质状态分析及评价

陈利粉,陈 龙,宋 盈,马建茹,杨卫芳

(河南省安阳生态环境监测中心,河南 安阳 455000)

0 引言

彰武水库是位于海河流域洹河干流上的一座中型水库，其控制流域面积为120 km2，总库容7 063万m3，兴利库容1 703万m3[1]。彰武水库水源主要来自于南海泉，并与上游的大型水库小南海水库联合调度运用，流入洹河，横穿安阳市境内，最终汇入卫河，其主要作用是保障安钢、大唐电厂、安化等工业用水及下游18万hm2的农田引蓄灌溉、水产养殖，同时也是安阳市重要的防洪屏障[2-3]。作为安阳市主要的工、农业供水水源地和地下水补给源之一，通过水质监测数据，分析彰武水库水质状况对于库区周边及下游工、农业生产以及开展库区水污染防治工作具有十分重要的意义，为此，该水库的水质评价也受到了广泛关注。郭学士[3]采用Daniel检验法对彰武水库和小南海水库的关键因子进行了趋势分析；唐敏等[2]采用综合营养状态指数法(TLI)对彰武水库的营养化状态进行评判；李中原等[4]通过单因子水质标识指数法、综合污染指数法、有机污染指数法对彰武水库水环境状况进行了评估；张培等[5]采用输出系数法和等标污染负荷法，对彰武水库流域18个乡镇农村生活面源污染物进行了评估研究。但这些研究方法多采用单因子评价法、综合指数法和水质综合营养状态指数法，而应用主成分分析法、加拿大水质指数法(CCME WQI)对彰武水库水质进行评价的研究却少见报道。

主成分分析法是一种多元统计技术，利用降维的方式对数据进行处理，将较多的指标转化为少数几个综合指标，同时又设法保留原始数据中存在的关系，而且具有优于原变量的性质，使原问题更易于分析，被广泛的应用于水环境质量评价中[6-14]。CCME WQI是目前国际上应用较为广泛的水质评价方法之一，该方法同时考虑了超标范围F1、超标频率F2、超标幅度F3等3个因素对水质状况的影响，与其他形式的水质指数相比，其具有基准选择的灵活性和对缺失数据的较好的容忍度等优势，因此，近年来，国内外较多学者从不同角度对CCME WQI进行了研究并应用于水质评价中[15-18]。

本研究以彰武水库出库口作为研究对象，利用Excel 2020软件、Origin 2021软件、SPSS 24.0软件，综合评价断面水质状态，分析2011—2020年年际及每年丰、平、枯水期不同时期水质指标的变化特征，应用主成分分析法、综合营养状态指数法(TLI)和加拿大水质指数法(CCME WQI)3种不同评价方法对彰武水库水质进行评价的差异性，并采用主成分分析方法，提取水质污染因子并分析污染源，拟为安阳市彰武水库污染防治工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 水质指标选择及测定方法

水样的采集及分析工作均由河南省安阳生态环境监测中心完成，监测点位为彰武水库出库口，研究收集了2011—2020年的水质监测数据。为保证监测数据的稳定性和可比性，于全年不同水期选取代表月份(9月代表丰水期，1月代表平水期，5月代表枯水期)作为研究时段，每月月初采集1次样品，在采样点下0.5 m深位置处采集水样进行分析。监测指标包括水温(T)、pH值、溶解氧(DO)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)、生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)和叶绿素a(chla)，其中pH值、溶解氧、透明度在现场进行测定，其余指标均选用《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[19]中推荐的方法进行监测，根据Ⅲ类标准进行水质评价。

1.2 数据分析方法

湖库综合营养状态指数(TLI)评价是指通过与湖泊营养状态相关的一系列指标，以及这些指标之间的相互关系，对湖泊的营养状态进行评价的一种方法，通常选取叶绿素a(chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)等指标进行评价[20]。

(1)

(2)

式中：TLIj、Wj、rij分别代表第j种参数的营养状态指数、营养状态指数的相关权重及其与基准参数chla的相关系数。通常采用0～100的一系列数字把水库营养状态分为5级，包括贫营养(TLI<30)、中营养(30≤TLL≤50)、轻度富营养(5070)。

主成分分析(PCA)是一种利用降维的方式，对批量数据进行处理，将较多的指标在保留原始数据之间关系的同时转化为少数几个综合指标，可避免评价因子选择的随意性，使评价结果更为客观。应用SPSS软件对各水质指标进行降维处理，提取特征值>1的主成分因子，将主成分载荷矩阵中的系数与标准化后的监测数据对应相乘后求和，得到各主成分的表达式Fi，再将这些主成分的值乘以各自对应特征值的方差贡献率后，再相加，得到主成分综合得分F，进一步计算各因子得分和综合得分[21]。

CCME WQI是由加拿大环境部长理事会提出的一种水质评价方法，计算过程如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中F1、F2、F3分别代表超标范围、超标频率和超标幅度，CCME WQI取值介于0～100之间，根据其数值大小，可将水体的水质状况分为5个等级，见表1[18]。

表1 CCME WQI水质等级划分及说明Tab.1 Classification and explaination of Canadian water quality index

2 结果与分析

2.1 水质理化指标描述性统计

由表2可见：彰武水库水温呈季节性变化，pH值在7.25～8.16之间，水体全年呈弱碱性；与平水期相比，除叶绿素a外，各监测因子均值丰水期均小于平水期，其中溶解氧、生化需氧量与总氮最大值与均值明显下降，氨氮最大值明显下降；与平水期相比，除氨氮外，各监测因子均值枯水期均小于平水期，其中溶解氧最大值与均值明显下降，氨氮均值与标准差明显上升；溶解氧的最小值出现在丰水期，而叶绿素a的均值和最大值均出现在丰水期，这可能是由于降雨的增多，藻类生长在水体表面形成遮光阻气层，使水体光合作用受阻，影响水体氧平衡；氨氮均值在枯水期最大，平水期次之，丰水期最小，水体氨氮质量浓度介于Ⅰ类水和Ⅱ类水之间；各水期总氮均值均大于地表水Ⅴ类标准，而总磷浓度均较低，且变化趋势不明显，可见，彰武水库属于磷限制水体，而控氮则是其主要任务之一[22]；丰水期生化需氧量与化学需氧量的比值为0.209(小于0.3)，平水期与枯水期均大于0.3(平水期0.311，枯水期0.339)，表明彰武水库在丰水期可生化性不高，有机污染与水体富营养化较为严重[23]。

表2 彰武水库水质理化指标描述性统计Tab.2 Descriptive statistics of water quality index in Zhangwu Reservoir

2.2 各指标之间相关性分析

彰武水库主要污染指标的Spearman相关性见图1：生化需氧量与透明度、高锰酸盐指数、总氮、叶绿素a呈显著正相关，高锰酸盐指数与生化需氧量、总氮、总磷、叶绿素a呈显著正相关，与氨氮呈显著负相关，透明度与水温呈显著负相关；氨氮和总磷作为浮游植物生长的必需营养物质，并未表现出显著相关性，可能是水体氮主要由硝酸盐氮组成，而氨氮浓度过小，水体总磷绝对浓度较低，但N/P比过高，进一步证明了彰武水库同我国较多水库相类似，属于磷限值水体，而控氮则是其主要任务之一[22]。

图1 各监测指标相关性分析Fig.1 Correlation analysis of water quality index in Zhangwu Reservoir注:*P≤0.05。

2.3 主要影响因子分析

2.3.1 2011—2020年水库水质主要影响因子分析

应用SPSS软件，根据特征值的大小提取主成分，特征值分析见表3。根据主成分选取原则，特征值>1，提取4个主成分，其方差百分比分别为26.281%、16.348%、13.955%、13.318%，累计方差贡献率为69.901%，表明这4个主成分反映了原始变量提供的69.901%的信息。各主成分的因子载荷如表5所示，初始因子载荷矩阵由SPSS计算得到，而主成分载荷矩阵则由初始因子载荷矩阵除以主成分对应特征值的平方根计算而来。从表4可以看出：总氮、生化需氧量、高锰酸盐指数、透明度、水温在成分1上有较大的载荷，反应水体耗氧污染水平，及水体受工业污染、农业面源的污染、有机污染和水体营养状态4种不同的环境问题；氨氮、叶绿素a在成分2上有较大载荷，反应水体的营养状态及水体受生活污水污染状况；pH值、溶解氧在成分3上有较大载荷，可作为解释水体自净能力特征的指标[24]；总磷在成分4上有较大载荷，反应水体受农业面源污染状况。由此表明，彰武水库营养状态变化的主要驱动因子为总氮、生化需氧量、高锰酸盐指数、叶绿素a、pH值和总磷，水环境中有机污染源与可还原污染物并存，这与彰武水库流域工业污染、农业面源污染、附近农地的养分流失、季节性的地表径流带来的水土流失径流污染等有关[5]。

表3 彰武水库主成分特征值Tab.3 Principal component eigenvalues of Zhangwu reservoir

表4 主成分矩阵Tab.4 Principal component system matrix

经调查发现：彰武水库上游洹河几乎没有源头水，主要接纳林州市多家污水处理厂出水及沿线农村生活污水等，污水处理厂出水的不稳定，且污水处理厂出水水质标准值均高于地表水Ⅴ类标准限制，从而增加了水体污染负荷；水库上游无天然径流的汇入，水体自净能力较差；水库上游汇水支流常年断流，成为周边居民的纳污沟，垃圾污水随雨水冲入干流汇入彰武水库，影响其水质；彰武水库周边分布10个村庄，虽然建设了分散型污水处理设施，但由于管网不配套、收水量小等问题的存在，使得部分村庄的生活污水仍以面源形式直接排入水库，对其水质造成一定影响；水库周边农业种植现象，造成一定程度的水土流失；虽然彰武水库于2016年、2019年开展了库区网箱水产养殖、沿岸畜禽养殖场的整治工作，但底泥中仍残留大量饵料，造成总氮的偏高。综上，调查得到的结果与主成分分析得到的污染物来源相一致。

2.3.2 2011—2020年水库水质各水期主要影响因子分析

分别对丰水期、平水期、枯水期各水质指标进行降维处理，根据特征值大小提取主成分，各时期特征值见表5。由表5可知，不同时期提取的特征值大于1的主成分因子均为4个，三者的累积贡献率分别为86.307%、83.641%、82.511%。

表5 彰武水库不同时期主成分特征值及主要参数Tab.5 Principal component eigenvalues and main parameters in differentperiods of Zhangwu Reservoir

根据成分得分系数可知，在丰水期，生化需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、pH值、总氮在成分1上有较大载荷，表明污染物主要来源于农业面源污染和生活污水；平水期，pH值、生化需氧量、溶解氧在成分1上有较大载荷，表明污染物主要来源于生活污水，总氮、透明度、高锰酸盐指数、总磷在成分2上有较大载荷，表明污染物主要来源于工业污染和农业面源污染；枯水期，生化需氧量、总氮、透明度在成分1上有较大载荷，表明污染物主要来源于生活污水和农业面源污染。可以看出，在不同水期，水库受到的主要污染物是不同的，但生化需氧量、总氮是水库水质污染的重要污染指标，生活污水、农业面源污染、工业污染是影响彰武水库水质的主要因素，这与唐敏等的研究相一致[2]。

2.4 综合营养状态指数(TLI)分析

根据综合营养状态指数(TLI)计算结果可知，2011—2020年彰武水库各水期水质综合营养状态指数为37.5～57.7，均在中营养与轻度富营养之间。从2017年开始，彰武水库富营养化程度得到较大改善，由轻度富营养转为中营养状态。这可能是由于彰武水库在2016年和2019年开展了库区网箱水产养殖、沿岸畜禽养殖场整治工作，使得污染物摄入减少，水质得到较大改善，但网箱水产养殖仍有大量饵料残留在库区底泥中，使得总氮成为2017年之后影响水体富营养化的主要因子。

2.5 加拿大水质指数(CCME WQI)评价

根据加拿大水质指数(CCME WQI)计算结果可知，2011—2020年彰武水库各水期水质指数为70.7～100，2012年5月水质极好外，其余时段均为中等～良好之间。据原始记录分析，总氮、总磷是主要超标因子，这与主成分分析及综合营养状态指数分析结果是一致的。

2.6 主成分分析与综合营养状态指数分析、加拿大水质指数(CCME WQI)对比

将主成分载荷矩阵中的系数与标准化后的监测数据对应相乘后求和，得到4个主成分的表达式F1、F2、F3、F4，再将这4个主成分的值乘以各自对应特征值的方差贡献率后，再相加，得到主成分综合得分F，进一步计算各因子得分和综合得分。

F1=-0.341×水温+0.157×pH值+0.413×透明度+0.248×溶解氧+0.387×高锰酸盐指数+0.419×生化需氧量+0.028×氨氮+0.448×总氮+0.182×总磷+0.258×叶绿素a

F2=0.296×水温-0.001×pH值-0.231×透明度-0.348×溶解氧+0.478×高锰酸盐指数+0.038×生化需氧量-0.501×氨氮-0.114×总氮+0.133× 总磷+0.476×叶绿素a

F3=-0.057×水温+0.675×pH值-0.346×透明度+0.500×溶解氧-0.032×高锰酸盐指数-0.144×生化需氧量-0.255×氨氮+0.003×总氮-0.276×总磷+0.088×叶绿素a

F4=0.400×水温-0.041×pH值-0.119×透明度-0.086×溶解氧-0.131×高锰酸盐指数+0.473×生化需氧量+0.348×氨氮+0.202×总氮-0.638×总磷+0.316×叶绿素a

F=0.263×F1+0.163×F2+0.140×F3+0.133×F4

主成分分析(PCA)与综合营养状态指数(TLI)、加拿大水质指数法(CCME WQI)如图2所示，3种评价方法的得分变化规律大致相同。TLI最高出现在2015年1月，TLI为57.7，轻度富营养，CCME WQI为75.0，为中等水质，当月总磷浓度为0.1 mg/L，达到湖库Ⅳ类标准，而平水期总磷是影响其综合营养状态的主要因子，3种方法结果相一致。

同时，又对主成分分析得分与TLI、CCME WQI进行Spearman相关分析，主成分分析得分与TLI呈显著正相关(r2=0.731,P<0.01,双尾)，与CCME WQI呈显著性负相关(r2=-0.620,P<0.01,双尾)，TLI与CCME WQI呈显著性负相关(r2=-0.646,P<0.01,双尾)(表6)。结合主成分分析与TLI得分越高水质状况越差，而CCME WQI得分越高水质状况越好可知，主成分分析与TLI、CCME WQI评价结果相一致，均可较好地应用于彰武水库水质状态评价中。

表6 综合营养状态指数、加拿大水质指数与主成分分析得分相关性分Tab.6 Correlation analysis between trophic level index,Canadian water quality index and principal component analysis score

图2 综合营养状态指数法、加拿大水质指数和主成分分析法得分情况Fig.2 Score of trophic level index method,Canadian water quality index and Principal Component analysis

3 结语

本文以彰武水库出库口作为研究对象，分析2011—2020年年际及每年丰、平、枯水期不同时期水质指标的变化特征，并采用主成分分析方法，提取水质污染因子并分析污染源。结果显示：1)通过主成分分析法，彰武水库营养状态变化的主要驱动因子为总氮、生化需氧量、高锰酸盐指数、叶绿素a、pH值和总磷，且不同水期，其主要污染物不同，但生化需氧量、总氮始终是水库水质污染的重要污染指标，这主要与生活污水、农业面源污染、工业污染、附近农地的养分流失、地表径流带来的水土流失污染等有关;2)2011—2020年彰武水库各水期水质综合营养状态指数为37.5～57.7，均在中营养与轻度富营养之间，而CCME WQI指数为70.7～100，2012年5月水质极好外，其余时段均为中等～良好之间。通过主成分分析法与综合营养状态指数法、加拿大水质指数法比较，发现三者有较好的一致性，均可以较好的应用于彰武水库水质状态评价中。

基于彰武水库主要污染特征，笔者建议：加快污水管网建设、强化工农业污染减排，深化河道内源治理，加强对废水直排企业的监管和监督监测；加快彰武水库周边农村环境的综合整治，合理规划建设农村污水处理设施及配套管网，确保设施的良好运行效果，污水不外排，控制农业面源污染，改善水库周边生态环境；加大库区及汇入支流垃圾清理、监管力度，确保改善库区水环境质量。