丹江口水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)及水污染特征

朱媛媛，田進(jìn)軍，李紅亮，江秋楓，劉　琰*

（1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系，北京100083；3.南陽(yáng)理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，河南南陽(yáng)473004；4.河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南鄭州450004）

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丹江口水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)及水污染特征

朱媛媛1，2，田進(jìn)軍3，李紅亮4，江秋楓1，劉琰1*

（1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系，北京100083；3.南陽(yáng)理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，河南南陽(yáng)473004；4.河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南鄭州450004）

摘要：在南水北調(diào)中線工程通水前夕，為了解丹江口庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況及影響庫(kù)區(qū)水質(zhì)的主要污染因子，于2014年平水期（5月）、豐水期（8月）、枯水期（12月）對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)26個(gè)點(diǎn)位表層水樣進(jìn)行?集，分別?用單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法和主成分分析法對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。單因子評(píng)價(jià)結(jié)果表明，TN對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果有重要影響，參與評(píng)價(jià)時(shí)庫(kù)區(qū)水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)。綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，庫(kù)區(qū)水質(zhì)整體處于中污染，平水期水質(zhì)優(yōu)于枯水期和豐水期，且丹江庫(kù)區(qū)（DK）水質(zhì)劣于漢江庫(kù)區(qū)（HK）；總磷（TP）、總氮（TN）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）及生化需氧量（BOD5）為庫(kù)區(qū)的主要污染因子。主成分分析法結(jié)果表明，庫(kù)區(qū)水質(zhì)主要受溶解氧（DO）、TN、BOD5及CODMn的影響；DK各點(diǎn)位主成分得分均值高于HK各點(diǎn)位主成分得分均值，也說(shuō)明HK水質(zhì)整體上略優(yōu)于DK水質(zhì)。關(guān)鍵詞：丹江口庫(kù)區(qū)；水質(zhì)評(píng)價(jià)；單因子評(píng)價(jià)法；綜合污染指數(shù)法；主成分分析法

朱媛媛，田進(jìn)軍，李紅亮，等.丹江口水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)及水污染特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（1）：139-147.

ZHU Yuan-yuan，TIAN Jjn-jun，LI Hong-1jang，et a1. Water qau1jty assessment and po11utjon profj1e jdentjfjcatjon of Danjjangkou Reservojr，Chjna[J]. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（1）：139-147.

丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)，其水質(zhì)狀況直接關(guān)系到受水區(qū)居民的飲水安全。隨著庫(kù)區(qū)周邊區(qū)域社會(huì)?濟(jì)的不斷發(fā)展，來(lái)自點(diǎn)源及面源的污染物排放量不斷增大，對(duì)水質(zhì)安全構(gòu)成了較大威脅。因此，對(duì)丹江口水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，并識(shí)別影響水質(zhì)的主要指標(biāo)，對(duì)于掌握水庫(kù)真實(shí)的水質(zhì)狀況，強(qiáng)化水污染防治、確保水質(zhì)安全具有重要指導(dǎo)意義。

合理的水質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)能提供水質(zhì)類(lèi)別、主要污染因子及水質(zhì)的時(shí)空變化情況。目前水質(zhì)評(píng)價(jià)常用的方法主要有單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法、灰色評(píng)價(jià)法、神?網(wǎng)絡(luò)法等[1-3]。單因子評(píng)價(jià)法由于計(jì)算簡(jiǎn)單、便于掌握而被普遍?用，但該法僅能對(duì)水質(zhì)進(jìn)行類(lèi)別評(píng)價(jià)，無(wú)法定量反映水質(zhì)變化情況。綜合污染指數(shù)及主成分分析法能夠?qū)λ|(zhì)狀況進(jìn)行量化，但綜合污染指數(shù)法無(wú)法科學(xué)確定各項(xiàng)因子的權(quán)重；主成分分析法充分考慮各指標(biāo)間信息重疊，在最大限度保留原有信息的基礎(chǔ)上，對(duì)高維變量進(jìn)行最佳的綜合降維，且客觀地確定各指標(biāo)的權(quán)重，避免了主觀隨意性。為了客觀、科學(xué)地反映水體水質(zhì)狀況，通常將幾種方法相結(jié)合來(lái)對(duì)水體水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

近年來(lái)丹江口水庫(kù)的水環(huán)境狀況已引起廣泛關(guān)注。目前研究主要集中在營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)估、重金屬污染特征及污染來(lái)源等方面[4-7]。2014年12月，南水北調(diào)中線工程正式通水。在通水前夕，為全面了解丹江口水庫(kù)的水質(zhì)狀況，按照庫(kù)區(qū)的水文節(jié)律，分別在豐、平、枯三個(gè)水期對(duì)庫(kù)區(qū)代表性點(diǎn)位進(jìn)行表層水樣的?集與分析，?用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)水質(zhì)類(lèi)別進(jìn)行評(píng)價(jià)，再?用綜合污染指數(shù)和主成分分析法對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，識(shí)別主要污染因子，并對(duì)水質(zhì)隨水期及空間的變化情況進(jìn)行分析，以期為丹江口水庫(kù)的水污染防治工作提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

丹江口水庫(kù)位于湖北省丹江口市漢江干流與其支流丹江交匯處，由1973年建成的丹江口大壩截漢江、丹江而形成。多年平均入庫(kù)水量為394.8億m3，其中326億m3來(lái)自漢江（包括丹江口以上部分的陜西南部、湖北西部），54億m3來(lái)自丹江[8]。大壩加高后，正常蓄水位由157 m增至170 m，水域面積可達(dá)到1050 km2，蓄水量增至290.5 m3。2014年12月12日，南水北調(diào)中線工程正式通水，年均調(diào)水量為95億m3。

丹江口水庫(kù)流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季較熱，春季溫暖，秋季涼爽，四季分明，雨量比較充沛。年平均氣溫14.4～15.9℃，極端最高溫度42.6℃，極端最低溫度-13.2℃，無(wú)霜期230～250 d。平均降雨量800～1000 mm之間，年內(nèi)分配不均，5—10月降水量占全年的80％。水沙量也主要集中在5—10月，占全年的78.3％[9]。

1.2水樣采集與分析

根據(jù)丹江口水庫(kù)所處地形狀況和水流特點(diǎn)，在庫(kù)區(qū)內(nèi)設(shè)置了26個(gè)?樣點(diǎn)（圖1），其中D1～D14?樣點(diǎn)屬于南陽(yáng)的丹江庫(kù)區(qū)（用DK表示），D15～D26?樣點(diǎn)屬于十堰的漢江庫(kù)區(qū)（用HK表示）。根據(jù)流域內(nèi)降水特征及水文節(jié)律，7—9月為豐水期；5—6月、10—11月為平水期；1—4月、12月為枯水期。分別于2014 年5月（平水期）、8月（豐水期）和12月（枯水期）月初進(jìn)行水樣的?集工作，用以代表平、豐、枯三個(gè)水期的水質(zhì)狀況。用GPS導(dǎo)航定位?樣點(diǎn)，確保三次?樣地點(diǎn)相同，同時(shí)記錄?樣點(diǎn)周?chē)乩砑?、輸入源、所接納廢水來(lái)源等。

用柱狀?水器?集表層（深度50 cm）水樣500 mL，所有點(diǎn)位均取平行樣3組。?集后的水樣按照《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》（HJ 493—2009）中要求的方法保存。每個(gè)樣品分析兩類(lèi)指標(biāo)，第一類(lèi)為理化和營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)，包括pH、水溫、總氮（TN）、總磷（TP）、硝酸鹽氮（NO-3-N）、氨氮（NH3-N）；第二類(lèi)為有機(jī)污染指標(biāo)，包括溶解氧（DO）、五日生化需氧量（BOD5）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。水體DO、pH及溫度理化指標(biāo)?用YSI6600（YSI公司，美國(guó)）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其余指標(biāo)按照文獻(xiàn)[10]和[11]的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3數(shù)據(jù)?理與評(píng)價(jià)

每項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果為3個(gè)平行樣分析結(jié)果的平均值，誤差控制在5％內(nèi)。低于檢出限的數(shù)據(jù)用1/2檢出限代替計(jì)算。利用Exce1 2010及Orjgjn 8.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和繪圖。

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 3838—2002）[12]，?用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)類(lèi)別進(jìn)行判斷，評(píng)價(jià)的指標(biāo)包括TN、TP、NH3-N、BOD5、CODMn、pH、DO及NO-3-N共8項(xiàng)。

本研究中各點(diǎn)位分析指標(biāo)的年均濃度由其豐、平、枯的濃度計(jì)算得出，計(jì)算公式為：

式中：C指年均濃度，mg.L-1；C豐、C平、C枯分別指豐、平、枯水期濃度，mg.L-1。

圖1　丹江口庫(kù)區(qū)采樣點(diǎn)位示意圖Fjgure 1 Locatjons of 26 surface water samp1es jn Danjjangkou Reservojr

?用綜合污染指數(shù)法對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)時(shí)，Pi>1定義為超標(biāo)。綜合污染指數(shù)P分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。以污染分擔(dān)率Ki表征各污染物的貢獻(xiàn)和識(shí)別主要污染物。各計(jì)算公式如下：

式中：Pi為水質(zhì)因子i的污染指數(shù)；Ci為水質(zhì)因子i的實(shí)測(cè)濃度，mg.L-1；Si為GB 3838—2002中水質(zhì)因子i的Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值，mg.L-1；P為綜合污染指數(shù)；Ki為水質(zhì)因子i的污染分擔(dān)率；n為參評(píng)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

在SPSS 18.0中進(jìn)行主成分分析時(shí)[13]，首?應(yīng)將8項(xiàng)水質(zhì)數(shù)據(jù)年均值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（其中DO?進(jìn)行倒數(shù)變換再標(biāo)準(zhǔn)化），然后對(duì)求得的指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)和特征值進(jìn)行分析，并根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率確定主成分個(gè)數(shù)，同時(shí)通過(guò)各點(diǎn)位水質(zhì)污染綜合得分來(lái)判斷其水質(zhì)狀況。為使每個(gè)主成分的意義更加明確，對(duì)因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，?用Varjmax最大方差法。

表1　綜合污染指數(shù)對(duì)應(yīng)水質(zhì)分級(jí)Tab1e 1 Grades of water qua1jty accordjng to comprehensjve po11utjon jndex

2　結(jié)果與討論

2.1水質(zhì)因子特征

為更好地了解丹江口水庫(kù)各?樣點(diǎn)的水質(zhì)狀況，取各點(diǎn)位豐、平、枯水期水質(zhì)指標(biāo)分析結(jié)果的平均值并作標(biāo)準(zhǔn)偏差分析，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

2.1.1理化和營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)

各點(diǎn)位pH均值為7.18～8.28，水質(zhì)呈弱堿性。TN含量均值均高于1.00 mg.L-1（Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)），均值變化范圍為1.13～1.72 mg.L-1，其中D3～D6、D10及D14點(diǎn)位均值高于1.50 mg.L-1（Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）。NH3-N含量均值低于0.10 mg.L-1，變化范圍在0.05～0.10 mg.L-1之間。NO-3-N含量在各點(diǎn)位均值變化范圍為0.76～1.28 mg.L-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB 3838—2002規(guī)定的10 mg. L-1。TP含量均值變化范圍為0.005～0.057 mg.L-1，僅有D2、D5及D9點(diǎn)位均值大于0.025 mg.L-1（Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)），分別為0.037、0.057、0.027 mg.L-1。就pH、TN、NH3-N及NO-3-N而言，位于HK的點(diǎn)位水期之間差異較DK顯著（圖2）。

2.1.2有機(jī)污染指標(biāo)

圖2　丹江口庫(kù)區(qū)pH、TN、NH3-N、NO-3-N及TP水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果平均值Fjgure 2 Average va1ues of water qua1jty parameters（pH，TN，NH3-N，NO-3-N and TP）jn Danjjangkou Reservojr

庫(kù)區(qū)各點(diǎn)位DO含量均值均高于6.00 mg.L-1（Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）。CODMn含量均值均低于3 mg.L-1（Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為4.00 mg.L-1），62％的點(diǎn)位CODMn均值低于2.00 mg.L-1（Ⅰ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)），其余點(diǎn)位CODMn含量均值高于2.00 mg.L-1但低于3.00 mg.L-1。BOD5均值均小于2.00 mg.L-1（Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為3.00 mg.L-1）。位于HK的點(diǎn)位DO水期之間差異較DK顯著（圖3）。

圖3　丹江口庫(kù)區(qū)DO、BOD5及CODMn水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果平均值Fjgure 3 Average va1ues of water qua1jty parameters（DO，BOD5，and CODMn）jn Danjjangkou Reservojr

2.1.3總體特征

丹江口庫(kù)區(qū)水體呈弱堿性，水質(zhì)狀況基本良好。然而，丹江口庫(kù)區(qū)水體的TN超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，且HK各點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)水期之間差異較DK顯著。研究[14-15]表明，入庫(kù)河流、農(nóng)業(yè)面源污染、生活污水的排入是庫(kù)區(qū)TN污染的主要來(lái)源。

2.2水質(zhì)類(lèi)別評(píng)價(jià)結(jié)果

單因子評(píng)價(jià)結(jié)果表明，TN參與評(píng)價(jià)時(shí)，D1、D3～ D5、D8、D9、D13、D14點(diǎn)位僅達(dá)Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，其余點(diǎn)位滿足Ⅳ類(lèi)水要求，可見(jiàn)庫(kù)區(qū)水質(zhì)主要限制因子是TN。

從三個(gè)水期的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，TN參與評(píng)價(jià)時(shí)，除豐水期有23％的點(diǎn)位能達(dá)到Ⅲ類(lèi)外，其他點(diǎn)位和其他水期全部點(diǎn)位的水質(zhì)均為Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)。由此可見(jiàn)，TN在各個(gè)水期均對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)有重要影響。

2.3綜合污染指數(shù)法

TN參評(píng)時(shí)庫(kù)區(qū)各點(diǎn)位年均及不同水期的綜合污染指數(shù)范圍及均值見(jiàn)表2。由計(jì)算結(jié)果可知，就各點(diǎn)位年均P值而言，除D5點(diǎn)位（P值為1.01）水質(zhì)類(lèi)別為重污染之外，其余點(diǎn)位水質(zhì)類(lèi)別為中污染。DK各點(diǎn)位年均P值均值（0.75）略大于HK（0.63），由此可見(jiàn)，DK水質(zhì)整體上略劣于HK水質(zhì)。

表2　丹江口庫(kù)區(qū)綜合污染指數(shù)Tab1e 2 Comprehensjve po11utjon jndex jn Danjjangkou Reservojr

位于DK的14個(gè)點(diǎn)位中，除D3、D4、D7、D10～D12及D14七個(gè)點(diǎn)位外，其余點(diǎn)位P值水期之間差異顯著（標(biāo)準(zhǔn)偏差>5％）；而HK各點(diǎn)位P值水期之間均差異顯著。因此，就DK及HK整體而言，HK各點(diǎn)位P值隨水期變化較DK明顯。分析原因可知，庫(kù)區(qū)水質(zhì)主要受污染來(lái)源及來(lái)水量影響較大，HK流域污染來(lái)源主要是點(diǎn)源，點(diǎn)源污染在各水期較固定，因此HK水質(zhì)主要受漢江徑流量的影響，漢江來(lái)水量約占庫(kù)區(qū)總來(lái)水量75％以上，其來(lái)水量隨水期變化顯著，導(dǎo)致HK各點(diǎn)位P值變化明顯。對(duì)比平、豐、枯水期各點(diǎn)位P值，明顯看出，77％點(diǎn)位在平水期時(shí)P值低于其他水期。由此可見(jiàn)，庫(kù)區(qū)平水期水質(zhì)整體上明顯優(yōu)于枯水期和豐水期，可能由于枯水期時(shí)污染主要來(lái)自點(diǎn)源，徑流量較小，匯入的污染物濃縮，水質(zhì)較差；而在豐水期時(shí)，面源污染加強(qiáng)，點(diǎn)源及面源的綜合作用使得庫(kù)區(qū)水質(zhì)在豐水期時(shí)水質(zhì)亦較差。

參評(píng)的8項(xiàng)因子污染分擔(dān)率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。TN污染分擔(dān)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他因子，庫(kù)區(qū)各點(diǎn)位年均TN 的P值范圍為2.44～3.33，相應(yīng)TN污染分擔(dān)率范圍在41.50％～57.42％之間，除D2、D5、D7、D24及D25五個(gè)點(diǎn)位TN污染分擔(dān)率小于50％外，其余點(diǎn)位均在50％以上。TP、BOD5、CODMn污染分擔(dān)率次之，庫(kù)區(qū)各點(diǎn)位年均TP的P值在0.40～2.73之間，相應(yīng)TP污染分擔(dān)率范圍為8.08％～34.02％；庫(kù)區(qū)各點(diǎn)位年均BOD5、CODMn的P值在0.28～0.61、0.29～0.57之間，相應(yīng)BOD5、CODMn污染分擔(dān)率范圍依次為5.36％～10.61％、5.20％～8.03％。各點(diǎn)位TN、TP、BOD5及CODMn污染分擔(dān)率之和基本超過(guò)80.00％，說(shuō)明TN、TP、BOD5及CODMn對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)有較大影響，應(yīng)引起重視。

圖4　丹江口庫(kù)區(qū)污染分擔(dān)率Fjgure 4 Percentages of po11utants jn Danjjangkou Reservojr

2.4主成分分析法

根據(jù)各指標(biāo)年均值，對(duì)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，相關(guān)系數(shù)矩陣見(jiàn)表3。從表3可以看出，指標(biāo)之間具有較好的相關(guān)性，存在信息上的重疊，原始變量適合進(jìn)行主成分分析。

表4為旋轉(zhuǎn)后提取出的主成分因子載荷量。根據(jù)主成分分析法中主成分個(gè)數(shù)選取原則，從表4可見(jiàn)當(dāng)累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80％時(shí)，應(yīng)提取3個(gè)主成分，PC1、PC2、PC3的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85.536％。其中PC1攜帶的信息最多，水質(zhì)主要由PC1控制，貢獻(xiàn)率達(dá)到50％以上，遠(yuǎn)大于其他主成分的貢獻(xiàn)率，與其相關(guān)聯(lián)的因子主要是DO、TN、BOD5及CODMn，載荷絕對(duì)值變化范圍為0.722～0.894。研究表明，營(yíng)養(yǎng)鹽能夠促進(jìn)水體中水生生物的生長(zhǎng)，使得水生生物的數(shù)量增加，BOD5及CODMn代表水體中的有機(jī)物也隨之上升，由于水生生物在繁殖過(guò)程中不斷消耗氧，使得DO隨著水生生物的增加而不斷降低[16]。與PC2相關(guān)聯(lián)的是NH3-N及TP，其載荷絕對(duì)值分別為0.897、0.767，該主成分是在PC1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步反映水體受到營(yíng)養(yǎng)鹽的影響；與PC3相關(guān)聯(lián)的是NO-3-N，其載荷絕對(duì)值為0.951。由此可知，PC1反映丹江口水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)性及有機(jī)污染物，PC2反映水體營(yíng)養(yǎng)性及來(lái)自農(nóng)業(yè)面源等非點(diǎn)源的污染物，PC3反映水體來(lái)自工業(yè)廢水和生活污水等點(diǎn)源的污染物。

根據(jù)特征向量矩陣（表5）得出各因子得分的回歸方程：

表3　指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)矩陣Tab1e 3 Corre1atjon matrjx of water qua1jty parameters

表4　Varjmax旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣Tab1e 4 Rotated component matrjx of prjncjpa1 component ana1ysjs

表5　特征向量矩陣Tab1e 5 Ejgen vector matrjx of prjncjpa1 component ana1ysjs

式中：F1、F2、F3分別指PC1、PC2和PC3三個(gè)主成分的得分值；ai1～ain為旋轉(zhuǎn)前的因子載荷量矩陣中每一列值依次除以～；x1～xn為各?樣點(diǎn)?過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)。

將各?樣點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)）代入上列方程，即可得出各點(diǎn)位主成分得分。

如圖5所示，主成分得分呈顯著的空間變化。D3、D4點(diǎn)位F1、F2與F3均較高，表明這2個(gè)點(diǎn)位的指示污染物含量均較高，原因可能是D3、D4點(diǎn)位靠近倉(cāng)房鎮(zhèn)、石鼓鎮(zhèn)及瓦亭鎮(zhèn)，這3個(gè)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較發(fā)達(dá)，同時(shí)存在較多企業(yè)，流域內(nèi)產(chǎn)生的大量點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物直接或間接排入庫(kù)區(qū)中，致使水體中各類(lèi)污染物濃度均較高。D17～D20、D23及D24的F1、F2與F3均較低，表明這6個(gè)點(diǎn)位的指示污染物含量均較低，表明水體受各類(lèi)點(diǎn)源及非點(diǎn)源污染的影響較小。D1、D2、D7～D12點(diǎn)位的F1顯著高于其他主成分，表明這7個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)受DO、TN、BOD5及CODMn的影響較強(qiáng)，而受其他指示污染物的影響較弱。D15及D16的F2顯著高于F1和F3，表明這2個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)受NH3-N和TP的影響較強(qiáng)。D21、D25的F3顯著高于F1及F2，表明這2個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)受NO3--N的影響較強(qiáng)。

最后通過(guò)公式F=（λ1×F1+λ2×F2+λ3×F3）（/λ1+λ2+ λ3）計(jì)算出26個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)污染綜合得分（F），即得出污染程度的定量化描述。綜合得分越高，污染程度越嚴(yán)重[17]。結(jié)果見(jiàn)圖6。

從評(píng)價(jià)得分來(lái)看，各點(diǎn)位得分范圍為-2.241～1.728，其中D1～D14（位于DK）點(diǎn)位得分均值為1.126，水質(zhì)狀況較差；D15～D26（位于HK）點(diǎn)位得分均值為-1.313，水質(zhì)較好。這一定程度上反映了HK水質(zhì)整體上略優(yōu)于DK水質(zhì)，與2.2節(jié)綜合污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

圖5　主成分得分在各采樣點(diǎn)的分布Fjgure 5 Spatja1 djstrjbutjon of prjncjpa1 component scores

圖6　丹江口水庫(kù)各采樣點(diǎn)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fjgure 6 Assessment resu1ts of a11 samp1es jn Danjjangkou Reservojr

2.5綜合污染指數(shù)法與主成分分析法的分析結(jié)果對(duì)比

綜合污染指數(shù)和主成分分析法都能夠?qū)?kù)區(qū)水質(zhì)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，均得出了HK水質(zhì)整體上優(yōu)于DK水質(zhì)的結(jié)論，但在庫(kù)區(qū)主要污染因子的識(shí)別上，綜合污染指數(shù)法篩選了TN、TP、CODMn及BOD5四個(gè)指標(biāo)，代表了水體受TN、TP、BOD5及CODMn影響較大；而主成分分析法根據(jù)方差累計(jì)貢獻(xiàn)率的大小作為因子權(quán)重，篩選出了影響庫(kù)區(qū)水質(zhì)的四個(gè)指標(biāo)，包括DO、TN、BOD5及CODMn，代表了水體主要受到DO、TN、BOD5及CODMn的影響。造成主要污染指標(biāo)識(shí)別存在差異的原因在于，主成分分析法是根據(jù)方差累計(jì)貢獻(xiàn)率作為因子權(quán)重來(lái)判斷的，而綜合污染指數(shù)法只?取均權(quán)處理，忽略了因子的權(quán)重。

3　結(jié)論

（1）TN為丹江口庫(kù)區(qū)水質(zhì)主要限制因子。TN參與評(píng)價(jià)時(shí)，69％的點(diǎn)位水質(zhì)能滿足Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)要求，其他均為Ⅴ類(lèi)。

（2）TN參與評(píng)價(jià)時(shí)，庫(kù)區(qū)年均綜合污染指數(shù)范圍為0.57～1.01，水質(zhì)整體上處于中污染；庫(kù)區(qū)平、豐、枯水期綜合污染指數(shù)均值分別為0.70、0.78、0.76，平水期水質(zhì)優(yōu)于豐水期和枯水期；HK水質(zhì)略優(yōu)于DK。TN的污染分擔(dān)率遠(yuǎn)高于其他因子，TP、BOD5及CODMn次之。

（3）主成分分析法結(jié)果表明庫(kù)區(qū)水質(zhì)主要受DO、TN、BOD5及CODMn四個(gè)指標(biāo)的影響；DK各點(diǎn)位主成分得分均值高于HK各點(diǎn)位主成分得分均值，也說(shuō)明HK水質(zhì)整體上略優(yōu)于DK水質(zhì)，且DO、TN、BOD5及CODMn為庫(kù)區(qū)水質(zhì)的主要污染指標(biāo)。

（4）與單因子評(píng)價(jià)法相比，綜合污染指數(shù)法和主成分分析法能夠提供更多和更具體的水質(zhì)信息，從而使得水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。因此，應(yīng)?用多種評(píng)價(jià)方法相結(jié)合的手段來(lái)開(kāi)展水質(zhì)評(píng)價(jià)工作。

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Water qaulity assessment and pollution profile identification of Danjiangkou Reservoir，China

ZHU Yuan-yuan1，2，TIAN Jjn-jun3，LI Hong-1jang4，JIANG Qju-feng，LIU Yan1*
（1.State Key Laboratory of Envjronmenta1 Crjterja and Rjsk Assessment，State Envjronmenta1 Protectjon Key Laboratory of Drjnkjng Water Source Protectjon，Chjnese Research Academy of Envjronmenta1 Scjences，Bejjjng 100012，Chjna；2.Department of Envjronmenta1 Engjneerjng，Schoo1 of Cjvj1 and Envjronmenta1 Engjneerjng，Unjversjty of Scjence and Techno1ogy Bejjjng，Bejjjng 100083，Chjna；3.Co11ege of Bjo1ogy and Chemjca1 Engjneerjng，Nanyang Instjtute of Techno1ogy，Nanyang 473004，Chjna；4.Henan Provjnce Envjronmenta1 Monjtorjng Center，Zhengzhou 450004，Chjna）

Abstract：Danjjangkou Reservojr js the majn source of water for the“mjdd1e-route”of South to North Water Djversjon Project jn Chjna. Its water qua1jty djrect1y affects the safety of drjnkjng water for resjdents a1ong the route. In thjs study，26 surface water samp1es were co11ected jn norma1-（May），hjgh-（August）and 1ow-water（December）perjods jn 2014，of whjch 14 samp1es were 1ocated jn Danjjng Reservojr（DK）and 12 samp1es jn Hanjjang Reservojr（HK）. Tota1 njtrogen（TN），tota1 phosphorus（TP），fjve-day bjochemjca1 oxygen demand（BOD5），djsso1veed oxygen（DO），permanganate jndex（CODMn），ammonja njtrogen（NH3-N），njtrate njtrogen（NO-3-N）and pH were ana1yzed. Sjng1e factor assessment（SFA），comprehensjve po11utjon jndex（CPI）and prjncjpa1 component ana1ysjs（PCA）were app1jed to eva1uate the water qua1-jty. The SFA showed that the water qua1jty of the reservojr was strong1y jnf1uenced by TN，wjth the water qua1jty bejng ranked atⅣorⅤfor a11 1ocatjons. The CPI jndjcated that the water qua1jty of thjs reservojr was at the medjum po11utjon 1eve1 jn 2014，wjth s1jght1y better water qua1jty jn norma1 perjod than jn other two perjods. TN，BOD5，CODMnand TP were the majn jmpact factors of the water qua1jty. The PCA showed that DO，TN，BOD5and CODMnhad an jmportant effect on the water qua1jty. The water qua1jty jn HK was better than that jn DK.

Keywords：Danjjangkou Reservojr；sjng1e factor assessment；water qua1jty assessment；comprehensjve po11utjon jndex；prjncjp1e component ana1ysjs

*通信作者：劉琰E-maj1：1juyan@craes.org.cn

作者簡(jiǎn)介：朱媛媛（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗h(huán)境管理與評(píng)價(jià)。E-maj1：624313802@qq.com

基金項(xiàng)目：環(huán)保公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201309067）；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題（2014ZX07405-001-04）

收稿日期：2015-07-21

中圖分類(lèi)號(hào)：X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-2043（2016）01-0139-09doj：10.11654/jaes.2016.01.019