引黄济青调水工程水质评价
2023-01-07武仪辰徐征和马吉刚张立民
武仪辰，徐征和，马吉刚，张立民，丛 鑫
(1.济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022；2.山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250100；3.山东省调水工程运行维护中心昌邑管理站，山东 潍坊 261300)
我国水资源人均占有量少，并且时空分布不均，供需矛盾极为突出。跨流域调水是缓解水资源地区分布不均和供需矛盾的有效措施，是促进缺水地区国民经济发展与水资源开发利用的重要途径之一[1]。山东省引黄济青调水工程是一项大型跨流域调水工程，通水以来有效地缓解了胶东地区用水紧张的局面，为青岛、潍坊两市经济社会发展提供了有力的水资源保障[2]。
引黄济青调水工程集供水、灌溉、生态等多功能于一体，因此对供水质量有着较高的要求[3]。国内外水质评价的方法有很多种，应用较为广泛的有水质标识指数法[4-6]、综合污染指数法[7-8]、模糊评价法[9-10]、人工神经网络评价法[11]、灰色评价法[12]等。张瑞丽[13]进行了2011年4—6月引黄济青调水工程输水沿程氮污染物的迁移转化研究，分析了总氮(TN)、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮(NH3-N)的沿程变化趋势和原因，结果表明：TN浓度在沿程呈下降趋势但不同月份存在差别，硝酸盐氮是氮污染物的主要存在形式，NH3-N和亚硝酸盐氮浓度沿程有一定波动但变化较小；农业面源污染、植物残体分解、泥沙沉积作用、植物同化作用、微生物作用等因素会影响调水工程沿程氮污染物浓度变化。由于该研究时间范围为调水水源只有黄河水的2011年，并仅基于4次取样数据进行氮污染物浓度的变化分析，且没有进行水质评价，因此，目前对引黄济青调水工程沿程水质变化趋势和污染物时空分布分析尚缺乏系统研究。
本文中选择引黄济青调水工程主干渠在增加长江水为调水水源后且调水时间较长的2018—2019年调水期的水质监测数据，在主成分分析法的基础上，结合综合水质标识指数法、水质综合污染指数法、内梅罗综合污染指数法，对比分析一个调水周期内沿线水质变化趋势及主要污染物时空分布规律，可为后续调水规划防控提供参考，对青岛和沿程服务对象水资源保护和可持续利用具有指导意义。
1 工程概况
引黄济青调水工程渠首利用打渔张进水闸(东经118°12′，北纬37°16′)引黄河水，首先在渠首沉砂池进行沉淀，经小清河分洪道子槽上闸混合南水北调水，途经山东省滨州、东营、潍坊、青岛4市的10个县(市、区)，经宋庄、王褥、亭口、棘洪滩4级泵站提水入棘洪滩水库(东经120°20′，北纬36°37′)调蓄[14]。工程开辟输水明渠长度为253 km，工程设计向青岛市日供水量为3×105m3，年供水量为1.095×108m3，在优先满足青岛市用水前提下，可向沿途城市供水6.4×107m3，是胶东地区重要的水资源保障和配置工程。近年来工程实行长江水、黄河水和当地水多水源联合调度[15]，输水量远超设计量，几乎全年调水运行。
本文中在渠首至棘洪滩水库间共设7个水质监测断面，分别为渠首引黄闸、道口村生产桥、小清河子槽下节制闸、引黄入白泵站、宋庄分水闸、亭口泵站和棘洪滩水库入库泵站。监测断面设置有水源类型见表1，工程输水线路见图1。
表1 引黄济青调水工程主干渠监测断面及水源类型
2 数据与方法
2.1 数据来源及监测项目
主要监测水质指标选取选择山东省调水工程运行维护中心提供的包括高锰酸盐指数(CODMn)、氟化物、硫酸盐、氯化物、总磷(TP)、TN、铜、锌、化学需氧量(CODCr)、5 d生化需氧量(BOD5)、NH3-N共11项污染指标，采用2018年11月—2019年8月的监测结果。2018年11月开始进行黄河水和长江水联合调度，调水量见表2。
图1 引黄济青调水工程输水线路(从国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载，审图号为GS(2019)3333(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)，经ArcGIS 10.7软件数字化处理后得到。)
表2 引黄济青调水工程2018—2019年调水周期调水量
2.2 水质研究方法
2.2.1 水质评价指标选取
对11个水质因子进行主成分分析，对数据进行降维处理，确定各水质变量对主成分的贡献率，保留主要因子进行进一步分析与评价。
主成分分析广泛应用于水质评价指标的选取及水环境质量评价中[16-18]，用其确定主要因子的优点在于可以消除评价指标间的相关影响，在保留绝大部分信息的情况下仅用几个指标就可以代替原指标。用贡献率作为各主成分的权数，较为客观、合理，计算也比较规范，因此选用主成分分析法确定水质指标。用统计产品与服务解决方案(SPSS)软件的主成分因子分析功能，对2018—2019年调水周期的水质指标监测数据的各月平均值进行主成分因子分析。先对原始数据进行Z得分(Z-score)标准化处理，再对数据进行主成分分析，计算主成分因子的特征值、对水环境质量污染的方差贡献率和累计方差，确定主成分因子的个数，选取主成分载荷值最大的指标为评价指标。
2.2.2 水质评价
本文中水质评价采用4种评价方法，分别是综合水质标识指数法、水质综合污染指数法、内梅罗综合污染指数法和主成分分析法，其中综合水质标识指数法能够直观地展现综合水质类别，判断是否达到水质标准和超标的指标个数；水质综合污染指数法能够判断是否达到水质标准但不能直观看出综合水质类别，与综合水质标识指数一样，反映的都是水质指标的平均污染程度；内梅罗综合污染指数主要突出最严重的污染因子对水质的影响；主成分分析法能够更准确地对各断面污染程度进行排序[19-20]。几种评价方法侧重点不同且互为补充，可以全面、准确、直观地对水质进行评价。引黄济青段属于饮用水水源地二级保护区，各指标的质量评价标准限值为国家标准GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水体标准。
1)综合水质标识指数。综合水质标识指数Iwq以单因子水质指标为基础，是河流水质综合分析评价指数[21-22]。由整数位和小数点后3位或4位有效数字组成，表达式为
(1)
式中：X1为河流总体综合水质级别；X2为综合水质在该级别水质变化区间中所处位置；X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的指标个数；X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，用于判别水质类别是否劣于水环境功能区类别。
2)水质综合污染指数法。水质综合污染指数法是根据所选水质指标的算术平均值来综合评价水体污染程度的方法[23]，计算公式为
(2)
(3)
式中：Pi为第i项指标的单因子污染指数；ρi为第i项指标的实际测量质量浓度；ρ0为相应类别的标准限值；P为水质综合污染指数，其中，P≤0.8为合格，0.8
3)内梅罗综合污染指数法。内梅罗综合污染指数是一个突出最大污染因子影响的环境质量指数，能够反映该因子对水体污染的影响[24]，计算公式为
(4)
4)主成分分析法。对主成分进行加权求和，即得最终评价值并用其评判水质，权数为每个主成分的方差贡献率。
用主成分分析法对水质指标进行断面污染程度排序。研究[25]表明，用该方法计算简便，客观性较好，在可比性、定量定性分析结合程度、指标权重选取等方面较其他方法有一定优越性，是一种切实可行的水质评价方法，适用于对水质断面污染程度进行定量化评价。
各主成分得分Fm(m为主成分个数)计算公式为
(5)
其中
(6)
式中：f为成分矩阵中相关系数；t为成分特征值；xi为第i项指标标准化数据。
主成分综合得分F的计算公式为
(7)
式中λ1、λ2、λ3分别为第一、二、三主成分对应的特征值[26]。
3 结果与分析
3.1 主要水质指标选取
主成分分析得到的旋转因子载荷矩阵及其主成分因子贡献率见表3。从表中可以看出，特征值大于1的主成分因子有3个，三者的累计贡献率达到88.721%，其中第一主成分可以表征无机污染指标，主要受长江水影响；第二主成分可以表征氮、磷营养盐指标和有机污染指标，主要受黄河水影响；第三主成分可以表征金属元素污染指标。其余成分包含信息较少，故舍弃。本文中选取所在第一、二主成分的旋转因子载荷矩阵中载荷值最大的9项指标作为本研究的水质评价指标，其可包含绝大部分的信息，且能够直接影响水质的好坏，因此采用这9项指标进行水质评价。
3.2 主要污染指标的变化趋势分析
分析7个监测断面9项主要污染指标，即CODMn、氟化物、硫酸盐、氯化物、TP、TN、CODCr、BOD5、NH3-N月平均值的逐月水质变化趋势，结果如图2所示。由图2(a)可知，CODMn的质量浓度在2018年11月达到最大值4.02 mg/L，然后减小，在2019年4—6月又增大，呈现出先减小后增大再减小的趋势，总体能达到Ⅱ类水标准，表明有机物和无机物污染不严重。由图2(b)可知，氟化物质量浓度在2018年11月达到最大值0.81 mg/L，然后有所减小，2019年4月稍高，其余月份呈现一定的波动且波动较小，总体能达到Ⅰ类水标准。由图2(c)、(d)可知，硫酸盐、氯化物浓度呈现先减小后增大再减小的趋势。由南水北调渠道取样得到的数据显示，2019年4—6月长江水硫酸盐含量偏高。结合表2调水量来看，2018年11月和2019年3—6月长江调水量较大，因此4—6月引黄济青主干渠中硫酸盐质量浓度偏大，5月达最大值224.94 mg/L。氯化物的质量浓度在2018年11月和2019年4—6月数值较大，5月达到最大值139.62 mg/L，主要原因也是受长江水的水质和水量影响。由图2(e)可知，TP质量浓度在2018年12月，2019年4、8月有3个明显的峰值0.05 mg/L，但是总体能达到Ⅱ 类水标准。由图2(f)可知，TN质量浓度呈现先增大再减小后又增大的趋势，最大值3.29 mg/L出现在2019年2月，且数值在2018年12月至2019年3、8月均较大，仅能达到劣 Ⅴ 类水标准。图2(g)显示CODCr质量浓度在2018年12月急剧增大至25.39 mg/L，达到 Ⅳ 类水标准，其他月份变化较为平稳，波动不大，达到Ⅰ、Ⅱ类水标准。图2(h)显示BOD5质量浓度值具有一定波动性，在2019年3月达到峰值2.59 mg/L，但是总体能达到 Ⅰ 类水标准，情况良好。由图2(i)可知，NH3-N浓度在调水期内有一定波动，总体呈现先减小再增大再减小的趋势，质量浓度最大值0.30 mg/L出现在2018年11月，总体均能达到 Ⅱ 类水标准。
表3 主成分分析得到的旋转因子载荷矩阵及其主成分因子贡献率
TP在地表水中的污染源主要来自农业生产中含磷化肥和生活污水[27]。2018年12月、2019年4月TP浓度的增大可能与生活垃圾分解和含磷化肥施用造成的农业面源污染有关。2019年8月受台风“利奇马”的影响[28]，山东省平均降雨量为158 mm，属短时高强度降雨，导致地表土壤中氮、磷等营养物质随降雨冲刷进入河流，引起非点源污染，因此引黄济青调水工程主干渠中TP、TN浓度骤增。8月调水水源全来自于黄河，不仅总水量减少，而且缺少了长江水对黄河中较大浓度氮、磷的稀释作用，但短时间强降雨的稀释作用抵消不了污染作用，都是导致水中氮、磷浓度增大的原因。水质监测数据显示，TN浓度在2018年12月至2019年3月增大是由断面S4、S5的TN浓度增大所致，CODCr浓度在2018年12月增大也是由断面S4、S5的CODCr浓度骤增所致，因此，TN、CODCr浓度突增的原因可能是断面S4、S5附近的主干渠两侧为大范围农田，土壤中存在大量农药化肥，部分生活垃圾、建筑垃圾和农业废弃物在两岸堆积，雨淋后会进入渠道造成农业面源污染和生活污染[29]。同时，沿渠有少量工厂和养殖场，可能有未经处理的废物和废水排放，造成工业点源污染、养殖废水污染。沿线跨渠道桥梁也可能有污染物进入水体，如突发事件和降雨造成的污染。流量差异也是导致TN浓度发生波动的原因之一[30]。引黄济青调水工程主要水源为黄河，黄河水中TN受上游工业污水和农业灌溉用水的影响偏大，导致主干渠中TN浓度全程偏高。BOD5反映了有机污染的水平，数值越大则有机污染越严重。主干渠中BOD5质量浓度月平均值小于3 mg/L，表明有机污染不严重。NH3-N浓度在2019年4月后增大，主要原因是施入农田的化肥约有30%随水土流失和农田灌溉退水进入黄河[31]。2018年11月NH3-N浓度较大，同样是由断面S4、S5的NH3-N浓度较大所致，与铵态氮肥造成的农业面源污染有关。原因是过量施用氮肥会造成铵态氮与硝态氮淋失进入主干渠，且硝态氮较铵态氮更易溶于水。同时，有研究[13]表明，引黄济青调水工程中硝态氮是含氮污染物的主要存在形式且与TN呈正相关，因此TN的浓度受硝态氮影响更大，与NH3-N的浓度的变化趋势不同。
3.3 水质评价
由于引黄济青调水工程主干渠中硫酸盐(标准值为质量浓度不大于250 mg/L)、氯化物(标准值为质量浓度不大于250 mg/L)、氟化物(I类水限值为质量浓度不大于1 mg/L)均能达到限值要求，因此仅对其余指标进行水质评价。
3.3.1 水质状况时间变化特征与评价
引黄济青调水工程主干渠主要水质指标的单因子及综合水质标识指数评价结果见表4，单因子水质标识指数如图3所示。
综合水质标识指数判别取决于整数位，整数位的数值即为水的类别。由图3可知，水质指标TN的单因子水质标识指数最大，远超出其他水质指标的，其次是CODMn和TP，但是除TN外，水质指标的单因子水质标识指数均在2左右，说明水质受TN指标的影响较大，且TN污染最严重。总体来看，主干渠全程的TN的单因子水质标识指数为5.22～6.73，平均值为5.935，劣于目标水质2个等级。研究期10个月中TN的单因子水质标识指数最大值出现在2019年2月，达到6.73。除TN外，水质一直符合甚至优于地表Ⅲ类水标准，能达到目标水质要求。
表4 引黄济青调水工程主干渠主要水质指标的单因子及综合水质标识指数评价结果
CODMn—高锰酸盐指数；CODCr—化学需氧量；BOD5—5 d生化需氧量；TP—总磷；TN—总氮；NH3-N—氨氮。图3 引黄济青调水工程主干渠主要水质指标的单因子水质标识指数
表5所示为水质综合污染指数及内梅罗综合污染指数的评价结果。由表4、5可知，3种指数的变化趋势较为一致，基本呈现增大—减小—增大的趋势，表明主干渠在该调水周期的冬季和初春水质较差，秋末和春末夏初水质较好，其中2018年4月、2019年11月水质最好，2019年5—7月次之。综合水质标识指数反映2018年12月水质最差，内梅罗综合污染指数反映2019年2月为最差，这2个月的水质综合污染指数极为接近，原因主要是内梅罗综合污染指数特别考虑了污染最严重的因子，而综合水质标识指数反映了几个水质指标的平均污染程度[23]，因此，2019年2月内梅罗综合污染指数评价为最差，而4月为最好，恰好TN浓度在2月最大而在4月最小，内梅罗综合污染指数突出了污染最严重的TN的变化。综合水质标识指数Iwq值均为2～4，水质整体处于Ⅱ类水标准，仅在2018年12月被污染为Ⅲ类水，达到目标水质标准。12月综合水质标识指数评价为最差的原因是受CODCr浓度剧增的影响，导致11、12月评价结果差距较大。综合3种评价方法的结果，引黄济青调水工程总体水质良好。
表5 引黄济青调水工程主干渠水质综合污染指数及内梅罗综合污染指数的评价结果
3.3.2 水质状况空间变化特征
表6所示为引黄济青调水工程主干渠水质指标随断面的变化。由于引黄济青调水工程在春季和夏初调引长江水量较多，因此CODMn、氟化物、硫酸盐、氯化物的浓度较大，流经断面S2后浓度均增大，并在后续河段中较为稳定，波动不大。以下对第二主成分指标进行空间分析。
表6 引黄济青调水工程主干渠水质指标随断面的变化
用主成分分析法对断面污染程度排序，各断面水质状况综合评价如表7所示。主成分综合得分越高，则样品中污染物越多，水质越差[32]。由表可知，按主成分综合得分由高到低的断面排序为S5、S4、S7、S3、S6、S2、S1。断面S1、S2和S3位于引黄济青调水工程前半段，断面S4、S5、S6和S7位于工程后半段，说明工程前半段的水质整体优于后半段的，水源水质总体较好。虽然工程横穿众多自然河流；但是，为了确保水质，输水渠道穿越当地河流全部采用立体交叉形式，且在河道上设置分水闸来保护河流，因此输水渠道水质状况几乎不受周围自然河流的影响。断面S4、S5水质变差的原因是渠道流经人口密集区，受农业面源污染和附近少量沿渠工厂、养殖场废水、部分生活垃圾等随降雨进入河流的影响，以及跨渠道桥梁带来的突发事件污染和泵站取水时底泥的短期释放[33]。断面S5为分水闸，连接胶东引黄调水工程，向胶东地区调水。分水后引黄济青调水工程主干渠水量减小，部分底泥被带走。断面S6、S7水质好转的原因是净化作用抵消部分污染作用，断面附近污染源少，且受采样时水流扰动和底泥影响较小。
针对每个水质因子选择2个典型月份，分析不同断面水质指标随断面的变化趋势，如图4所示。
表7 引黄济青调水工程主干渠各断面水质状况综合评价
由图可以看出，TP浓度基本呈现沿程减小的趋势，这是由水体的自净功能所致的。沿程TP浓度随季节变化无明显规律。除2019年4月断面S6和8月断面S3达到地表Ⅲ类水标准外，其余月份均能达到Ⅱ类水以上标准。断面S3的TP浓度增大可能与农业面源污染有关。
秋末和春末夏初TN浓度呈现沿程减小的趋势，冬季和初春呈现先减小后增大再减小的趋势，在断面S4、S5浓度骤增。由于断面S1为工程水源之一黄河，因此TN浓度较大，后随长江水汇入被稀释。断面S4、S5的TN浓度增大由农业面源、工厂和养殖场废水等的污染所致，并且还可能与泵站格栅拦截的污染物如生活垃圾和植物残体被分解有关。2019年8月断面S3受台风“利奇马”导致的强降雨和来水水源全为黄河水的影响，农用化肥、农药等淋失由排灌闸进入河道，导致氮、磷含量均有所升高。
CODCr浓度在冬、春季呈沿程增大、夏季呈沿程减小的趋势，一般在断面S2、S7增大，在断面S3、S4、S5、S6有一定的波动。除2018年12月在断面S4、S5因农业面源污染、工业废水和养殖废水、生活垃圾等污染而突增外，其他月份变化均较平稳，浓度差别较小。BOD5浓度在初冬呈沿程减小、春末以后呈沿程增大的趋势。春末以后断面S4、S5的BOD5浓度较大，断面S6的较小，其他月份变化较平稳，BOD5浓度总体相差不大，并且维持在较低水平。
NH3-N浓度在冬季和初春呈现沿程先减小再增大的趋势，并且在断面S3、S4、S5的浓度较小，其他月份呈现减小—增大—减小的趋势。断面S4、S5的NH3-N浓度普遍较大，主要由春季农业化肥污染、生活污水污染等导致。除2019年7月、2018年11月外，其他月份各断面的NH3-N浓度均可达Ⅰ、Ⅱ类水质标准。
近年来，有关部门采取有力措施，大幅减少了工厂、养殖场的废水排放和两岸生活垃圾堆积问题，对下游断面S4、S5水质改善起到积极作用，如：在《山东省生态保护红线规划(2016—2020年)》中，将渠首至沉砂池段建设为风景区，设为Ⅰ类红线区；在明渠段安装防护网，对工程进行全封闭管理，设立截污管网等，优化内涝排放；排查整顿沿岸不合规的工厂和养殖场，规范生活垃圾堆积；运用科技手段加强监管；“河长制”信息管理系统的建成等，都有效地保障了引黄济青调水工程调水水质[24]。
4 结论
本文中针对引黄济青调水工程主干渠在增加长江水为调水水源后且调水时间较长的2018—2019年调水期的水质监测数据，在主成分分析法的基础上，结合综合水质标识指数法、水质综合污染指数法、内梅罗综合污染指数法来对比分析一个调水周期内工程沿线水质变化趋势及主要污染物时空分布规律，得到以下结论：
1)主成分分析得出硫酸盐、TN等9项水质指标为主要污染因子。第一主成分的4项指标主要受长江水的影响，第二主成分的5项指标主要受黄河水的影响。
2)2018—2019年调水周期内总体水质情况良好，除TN外，水质符合地表水Ⅲ类标准，可达目标水质要求。综合水质标识指数、水质综合污染指数和内梅罗综合污染指数均基本呈现先增大后减小、到2019年8月又增大的趋势，表明主干渠在该调水周期的冬季和初春水质较差，秋末和春末夏初水质较好，其中2018年11月、2019年4月水质最好，2019年5—7月次之。
3)在空间分布上，硫酸盐、氯化物、氟化物、CODMn浓度在断面S2后增大并在后续断面波动较小，TN浓度在断面S2后因TN被稀释而减小，TP浓度基本呈现沿程减小的趋势。其他水质指标随季节变化，沿程趋势发生改变。工程前半段的水质总体优于后半段的，断面S4、S5的水质最差，主要以氮、磷污染物为主，与农业面源污染、工业和养殖场废水污染、生活垃圾污染等有关。
4)综合来看，4种评价方法各有优势，综合水质标识指数法评价数值直观性强，水质综合污染指数法反映综合污染，内梅罗综合污染指数法突出反映TN的污染，主成分分析法能对断面污染程度进行科学、直观的排序。4种方法互为补充，可以对工程水质进行全面分析评价。
