河北燕山南麓庫區(qū)水體質(zhì)量調(diào)查評價(jià)分析

(河北省石家莊水文水資源勘測局，河北 石家莊 050800)

地表水資源質(zhì)量對區(qū)域景觀生態(tài)格局演變、人居生產(chǎn)生活有著深刻而直接影響。當(dāng)前工業(yè)化、城鎮(zhèn)化迅猛發(fā)展，地表覆被資源破壞形勢嚴(yán)峻，水體污染、水資源短缺、地表徑流流失等水生態(tài)問題頻發(fā)，從某種層面來講，已經(jīng)危及到了人與自然的可持續(xù)發(fā)展[1～2]。實(shí)施水資源調(diào)查與水質(zhì)綜合評估為區(qū)域水資源保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局、生態(tài)環(huán)境治理提供信息基礎(chǔ)[3～4]。燕山南麓為河北省重工業(yè)聚集地，也是我國北方水資源短缺的典型地區(qū)，水庫是區(qū)域重要的水源地。本文通過調(diào)查分析該區(qū)水庫斷面水體質(zhì)量，評估若干庫區(qū)水體綜合質(zhì)量，對水污染決策治理有一定意義。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)楹颖笔⊙嗌侥下吹奶伊挚?、石河、洋河、陡河和邱莊等5個(gè)水庫(如圖1)。該水庫位于河北省唐山和秦皇島市境內(nèi)的外流水系上游，區(qū)域河流短促、流速平緩、水量較小，水庫是重要的供水源地。地區(qū)屬溫帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均溫10℃，多年均降水量540.5 mm，冬季寒冷干燥、夏季高溫雨水集中，春秋短促，月際溫差大，無霜期185 d，大于10℃的積溫為2 800℃。庫區(qū)上游以林草地、耕地為主要用地類型，植被覆蓋度約為35%。近年來隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展日趨深入，工業(yè)三廢、農(nóng)用污水、生活廢物排放增多，對庫區(qū)水體造成一定污染。

圖1 試區(qū)水庫分布圖

1.2 水質(zhì)樣本獲取與測試

該區(qū)水庫為居民生活用水、工農(nóng)業(yè)生存重要水源，通過本次水質(zhì)調(diào)查以期摸清水體質(zhì)量，為不同用水類型水源的水處理工藝選擇以及區(qū)域水環(huán)境保護(hù)提供信息基礎(chǔ)。綜合考慮庫區(qū)水文情勢和環(huán)境特征，分別從水庫的庫首、中心、沿岸帶、庫尾等不同位置獲取水質(zhì)樣本，取樣時(shí)間為2016年月～2017年10月，每月采樣一次，以便能夠較好地反映庫區(qū)水質(zhì)概況[5～6]。將每次采集樣本混合均勻，并送至實(shí)驗(yàn)室予以檢測分析，檢測的指標(biāo)分別是總硬度(hardness)和鈣(Ca2+)、鎂(Mg2+)、高錳酸鉀指數(shù)(K2MnO4)、化學(xué)需氧量(COD)含量，分別采用EDTA滴定法、火焰原子吸收分光光度法、火焰原子吸收光譜法進(jìn)行化驗(yàn)[7]。

1.3 水體質(zhì)量綜合評判

水體是多元物質(zhì)綜合體，不同物質(zhì)含量高低對水質(zhì)產(chǎn)生一定影響，根據(jù)水體質(zhì)量與其生物、化學(xué)、物理成分之間對應(yīng)關(guān)系，建立模糊隸屬度函數(shù)，從而對水體綜合質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。本次水污染綜合評價(jià)指標(biāo)有總硬度等5個(gè)指標(biāo)組成，根據(jù)依據(jù) GB3838—2002規(guī)定的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將水質(zhì)量等級分成5個(gè)類別，則有V={I，II，III，IV，V}。各水庫斷面水質(zhì)的各種監(jiān)測指標(biāo)隸屬度rij，表征該指標(biāo)隸屬的水質(zhì)等級，其中i為水質(zhì)指標(biāo)，j為水質(zhì)等級，r值越大，則其隸屬度越高。對于第1級水質(zhì)，其模糊數(shù)學(xué)公式如下[8]：

(1)

屬于第j級水質(zhì)，其計(jì)算公式如下：

(2)

對于最后一級水質(zhì)指標(biāo)，其隸屬度為

(3)

根據(jù)隸屬度函數(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到模糊關(guān)系矩陣，如下：

(4)

式中：m為參評指標(biāo)個(gè)數(shù)，n為水質(zhì)計(jì)數(shù)。指標(biāo)權(quán)重W為單一指標(biāo)對水質(zhì)的影響程度的度量，采用主成份分析，提取各指標(biāo)的重要性，記作W={wi}。將指標(biāo)權(quán)重與其隸屬度函數(shù)加權(quán)求和，即為該庫區(qū)水質(zhì)綜合指數(shù)Index，即Index=Q×W。將水質(zhì)綜合指數(shù)進(jìn)行等分分級，依次為I級[0,20)，II級[20,40)，II級[20,40)， III級[40,60)， IV級[60,80)， V級[80,100)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案SPSS 21.0對5個(gè)水庫水體的指標(biāo)屬性進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析和皮爾遜相關(guān)性分析，并通過主成份(Principal Component Analysis)獲取庫區(qū)水質(zhì)因子荷載矩陣，進(jìn)而判斷水質(zhì)級別以及水質(zhì)影響因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 庫區(qū)水質(zhì)描述統(tǒng)計(jì)分析

如圖2所示，5大庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)相異。水體總硬度均在150 mg/L以上，以邱莊水庫水質(zhì)總硬度最大，為266.8 mg/L；其次是陡河水庫，達(dá)到220.3 mg/L，石河、洋河、桃林口水庫水質(zhì)總硬度相對較小，介于165～197 mg/L之間。庫區(qū)之間Ca2+含量范圍在46.1～61.8 mg/L之間；Mg2+在陡河、邱莊水庫含量相對較高，為24.4、27.4 mg/L，在其他庫區(qū)僅為14.2～17.3 mg/L之間。邱莊水庫水質(zhì)K2MnO4含量最高，達(dá)6.38 mg/L，洋河最低，僅有1.9 mg/L，余者相差不大，約為2.7～3.5 mg/L之間。各水庫水質(zhì)COD指標(biāo)介于8～30 mg/L之間，含量高低依次為邱莊>石河>陡河>桃林口>洋河。

圖2 水庫水質(zhì)監(jiān)測平均值

2.2 庫區(qū)水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

水體中的理化成分含量復(fù)雜，其來源也存在差異，采用相關(guān)分析能夠識別庫區(qū)斷面水質(zhì)中污染物是否同源。Person相關(guān)性分析如表1所示，可知庫區(qū)水質(zhì)的總硬度與鈣鎂礦物質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.779、0.723，這是由于這些金屬礦質(zhì)成分是水體硬度的來源，另外高錳酸鉀指數(shù)和升華需氧量也與其呈一定水平相關(guān)。升華需氧量與高錳酸鉀指數(shù)含量值在0.01水平上呈正相關(guān)，表明二者具有同源性，另外其與金屬礦質(zhì)含量也呈正相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)僅為0.213、0.263。

表1 庫區(qū)水質(zhì)斷面相關(guān)性分析 mg/L

注：**表示在0.01水平上呈極顯著相關(guān)，* 表示在0.05水平上呈顯著相關(guān)。

2.3 庫區(qū)水質(zhì)多元分析

將水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行單樣本Kolmogorov-Smirnov分析，對未能通過5%水平檢驗(yàn)的指標(biāo)序列予以對數(shù)或均方根轉(zhuǎn)換，使之符合整體分布形式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行因子分析，根據(jù)特征值大于1的原則提取主成份信息，結(jié)果如表1所示。由表可知，PCA1攜帶信息量大，能夠解釋最多的水質(zhì)信息，累積解釋度為43.872%；其次為PCA，為29.651%；PCA方差量較小，但仍然可解釋18.713%的信息，這三個(gè)主成份共解釋了88.745%的水質(zhì)信息。其中PCA1主要反映的總硬度、鈣的信息，其荷載量達(dá)到0.729～0.944，表明水體礦化物質(zhì)主要來源于本底地質(zhì)環(huán)境特征；PCA2主要反映的高錳酸鉀指數(shù)的信息，荷載量為0.720、0.818，說明其化學(xué)特性是由工農(nóng)業(yè)、生活排污所致；PCA3與水質(zhì)化學(xué)需氧量關(guān)聯(lián)密切，反映其營養(yǎng)型污染源。

表2 Varimax 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷量和得分因子系數(shù)

注：表中黑體字為主成份荷載值大于0.6的值。

圖3 主成分得分在各水庫斷面的分布

表2中的因子系數(shù)為各因子與主成份得分值之間回歸系數(shù)值，將其代入多元回歸方程可計(jì)算出每個(gè)庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的主成份信息，結(jié)果如圖3所示。圖中各水庫水質(zhì)的成分值大小不一，表明其含量存在顯著差異。其中邱莊水庫f(PCA1)>f(PCA3)和f(PCA2)，表明該水庫水體中金屬離子、總硬度對水質(zhì)的影響高于COD含量；結(jié)合區(qū)域事情來看，邱莊水庫位于河流上游地段。鄰近地區(qū)耕作、工礦業(yè)等生存等強(qiáng)度小，水體質(zhì)量主要受區(qū)域地質(zhì)環(huán)境影響。桃林口水庫也呈相似特征，近年來桃林口庫區(qū)被開辟成濕地公園，對區(qū)域水環(huán)境進(jìn)行良好保護(hù)，有效減少了外來有機(jī)物質(zhì)如COD、高錳酸鹽等污染。石河、陡河水庫中f(PCA2)值最大，表明水庫水質(zhì)受生化含氧量影響較大，該庫區(qū)地處農(nóng)灌渠和工礦業(yè)聚集地，工業(yè)污水的排放是本區(qū)水質(zhì)的重要而直接影響因素。洋河水庫水質(zhì)的f(PCA2)> f(PCA1)> f(PCA3)，表明第二主成份中高錳酸鉀指數(shù)是該水庫水質(zhì)的重要指示性指標(biāo)。

3 結(jié)語

通過對河北省燕山南麓若干水庫斷面水質(zhì)取樣分析，得知區(qū)域水體質(zhì)量存在差異，并且水質(zhì)污染因素也略有不同。其中，邱莊富含鈣鎂等礦化物質(zhì)、硬度大，化學(xué)需氧量是水污染重要影響因子；影響石河的污染物是高錳酸鉀指數(shù)，桃林口、洋河等水庫水質(zhì)相對較好，主要是防控化學(xué)需氧量等污染。當(dāng)前城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的深入發(fā)展勢必對本區(qū)不可多得的水資源產(chǎn)生一定的影響，加之本區(qū)資源性缺水加劇了水資源供需矛盾，因而采取科學(xué)的水污染質(zhì)量、水環(huán)境保護(hù)措施是極有必要的。