基于主成分-聚類分析的南水北調(diào)中線干渠水質(zhì)時(shí)空分異規(guī)律

陳 浩，靖 爭，倪智偉，羅慧萍，羅平安，李青云

(1.長江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程是緩解中國北方地區(qū)水資源短缺、實(shí)現(xiàn)水資源合理配置、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。自2014年通水以來，輸水水質(zhì)良好，絕大部分指標(biāo)能夠穩(wěn)定達(dá)到地表水I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有研究基于實(shí)測資料，分析了主要水質(zhì)指標(biāo)濃度變化趨勢，采用單因子評價(jià)法、綜合污染指數(shù)法等方法評價(jià)了中線干渠水質(zhì)狀況，取得了一定成果[1-3]。然而，中線總干渠輸水距離長，涉及區(qū)域廣，周邊水質(zhì)影響因素復(fù)雜，水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)眾多，數(shù)據(jù)量巨大，存在識(shí)別和監(jiān)管困難等問題。而現(xiàn)有的研究不能很好地解決管理監(jiān)控中存在的這些問題。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)干渠水質(zhì)問題或潛在風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行針對性的風(fēng)險(xiǎn)管理，本文采用主成分-聚類分析的方法，對中線工程總干渠進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀分析。采用主成分分析法[4-7]將各水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，通過線性變化，將多項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)組合成互相獨(dú)立的綜合指標(biāo)(即主成分)，再以這些主成分來對監(jiān)測斷面采用聚類分析法進(jìn)行分類。聚類分析是將研究對象按某些相似性進(jìn)行分類，并進(jìn)行系統(tǒng)研究的一種方法[8-9]，已成為河湖水質(zhì)特征分析和水質(zhì)分區(qū)的有效工具[10-13]。將主成分分析與聚類分析相結(jié)合，能有效提高聚類分析結(jié)果的可靠性，對于中線總干渠這種大尺度、多指標(biāo)、高頻次的高維數(shù)據(jù)聚類過程，能解決水質(zhì)指標(biāo)眾多且相互關(guān)聯(lián)復(fù)雜、樣本的選取具有一定的主觀性的問題。目前，已有學(xué)者將主成分分析與聚類分析相結(jié)合的方法應(yīng)用于巢湖、向家壩等大型湖庫的水質(zhì)分析，取得了較好的效果[14-15]。將主成分分析和聚類分析相結(jié)合應(yīng)用于中線工程水質(zhì)分析，可對復(fù)雜的多元數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和解釋，為管理者關(guān)注的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)提供更清晰的理解，進(jìn)而更明確地認(rèn)知水質(zhì)時(shí)空分異特征。

本文在分析南水北調(diào)中線干渠水質(zhì)指標(biāo)變化情況的基礎(chǔ)上，采用主成分分析對原始水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行簡化并提取主成分，識(shí)別影響中線水質(zhì)的首要指標(biāo)，并通過主成分進(jìn)行聚類分析，對中線監(jiān)測斷面進(jìn)行分類，甄別各斷面水質(zhì)變化相似性特征，合理進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)與分區(qū)，為中線水質(zhì)保護(hù)和管理提供決策參考和優(yōu)化建議。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域概況

南水北調(diào)中線工程(32.67°N—39.98°N、111.71°E—116.27°E)自丹江口水庫陶岔渠首開始，跨越長江、黃河、海河、淮河四大流域，最終到達(dá)北京和天津。作為京、津、冀、豫4省市生活飲用水源，其水質(zhì)安全決定調(diào)水成敗。北京段輸水線路全長為1 276 km。中線總干渠沿途穿越亞熱帶氣候區(qū)和暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域年均降水量為542.7～1 173.4 mm，年均氣溫為14.6～21.2 ℃。這種長距離輸水工程沿程存在明顯的水溫、氣候和環(huán)境差異，使沿程水質(zhì)也呈現(xiàn)出區(qū)域性差異，所以整個(gè)工程的管理方案不能一以貫之。至2020年6月3日，中線工程已安全運(yùn)行2 000 d，累計(jì)向北調(diào)水300億m3，惠及沿線6 000萬人口。中線工程沿線具有復(fù)雜的輸水工程設(shè)置。著名的南水北調(diào)穿黃隧洞是工程規(guī)模大、技術(shù)含量最高的交叉建筑物，設(shè)計(jì)流量為265 m3/s，加大流量可達(dá)320 m3/s。湍河渡槽和沙河渡槽等內(nèi)徑9 m，單跨跨度40 m，最大流量達(dá)420 m3/s。這種流量和建筑物沿程的變化，給中線工程沿程管理帶來一定的挑戰(zhàn)。

南水北調(diào)中線工程通水以后，干線管理部門(南水北調(diào)中線建設(shè)管理局)在總干渠沿線布設(shè)了三十多個(gè)水質(zhì)固定監(jiān)測斷面(圖1)，并逐月對26項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)和藻密度進(jìn)行監(jiān)測和分析。本文選取中線工程總干渠河南和河北段25個(gè)水質(zhì)固定監(jiān)測斷面的 2017—2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)開展水質(zhì)特征分析。24項(xiàng)常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)中，檢出13項(xiàng)，砷、汞、鎘、鉻(六價(jià))、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、糞大腸桿菌等11項(xiàng)指標(biāo)均未檢出。大部分?jǐn)嗝娴幕瘜W(xué)需氧量、硫化物低于檢出限，部分?jǐn)嗝娌糠謺r(shí)段生化需氧量、銅、鋅等4項(xiàng)指標(biāo)低于檢出限。根據(jù)常規(guī)水質(zhì)規(guī)范要求，本文選擇各監(jiān)測斷面檢出且有明顯變化的水溫(X1)、溶解氧(X2)、pH值(X3)、高錳酸鹽指數(shù)(X4)、氨氮(X5)、總氮(X6)、總磷(X7)、氟化物(X8)、硫酸鹽(X9)等9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。

圖1 南水北調(diào)中線工程干渠各監(jiān)測斷面位置Fig.1 Locations of monitored sections in the main canal of the middle route of SNWDP

2.2 主成分-聚類分析

主成分分析法是一種將多指標(biāo)變量轉(zhuǎn)換成綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，指標(biāo)數(shù)量得以減少，使問題得到降維處理[10]。通過運(yùn)用SPSS等大型統(tǒng)計(jì)軟件，能準(zhǔn)確快捷得到結(jié)果。本文使用SPSS22進(jìn)行主成分分析，利用Origin2021進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及制圖。

主成分分析法主要步驟有[16-17]：

設(shè)取得研究對象的m個(gè)樣本，每個(gè)樣本含有n個(gè)因子，由此建立變量矩陣X，即

(1)

式中Xij(i=1，2，…，m，j=1，2，…，n)為第i個(gè)樣本的第j個(gè)因子的數(shù)值。

為了消除樣本因子間的數(shù)值差異，保證量綱統(tǒng)一，簡化數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[18]。利用標(biāo)準(zhǔn)化常用方法Z-Score變換得到標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)Zij，其計(jì)算公式為

(2)

(3)

(4)

標(biāo)準(zhǔn)化后計(jì)算數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣，并計(jì)算出特征根。然后用雅可比法解特征方程計(jì)算特征值λi，公式為

|λi-X|=0 。

(5)

所得特征根λ1≥λ2≥…≥λm≥0。

為確定主成分個(gè)數(shù)，一般由累積貢獻(xiàn)率進(jìn)行判斷，一般主成分累積貢獻(xiàn)率需達(dá)到80%，判斷公式為

(6)

對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析后，利用確定的主成分對南水北調(diào)中線工程各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行聚類分析，可將干渠劃分成幾個(gè)水質(zhì)管理區(qū)段，能直觀地顯現(xiàn)出每個(gè)區(qū)段的主要污染物及污染程度的差異，以便針對性地對各區(qū)段進(jìn)行水質(zhì)分析和管理規(guī)劃。

聚類的方法主要有系統(tǒng)聚類法和K-均值法兩種。本文采用系統(tǒng)聚類法，根據(jù)樣本的親疏程度，將親疏程度最高的兩類樣品合并成新的類，然后繼續(xù)分析新分類間的親疏程度，再合并，重復(fù)合并類，直至合并為一類[8]。對于已經(jīng)主成分分析的指標(biāo)，無需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，直接進(jìn)行指標(biāo)間距離計(jì)算。本文采用歐式距離計(jì)算，公式為

(7)

式中Xik、Xjk分別表示兩主成分指標(biāo)。

3 結(jié)果分析

3.1 中線工程水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空變化

依據(jù)南水北調(diào)中線工程25個(gè)斷面2017—2018年水質(zhì)指標(biāo)含量，對各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 2017—2018年南水北調(diào)中線工程干渠斷面水質(zhì)指標(biāo)沿程變化Fig.2 Changes of water quality indexes along flow direction in major sections of the main canal of the middle route of SNWDP from 2017 to 2018

3.1.1 基礎(chǔ)理化指標(biāo)(水溫、溶解氧、pH值)

2017—2018年水溫總體呈現(xiàn)沿程下降的趨勢，表現(xiàn)出南高北低的規(guī)律，穿黃前后斷面水溫升降較明顯。2017、2018年年平均水溫分別為17.38、17.56 ℃，兩年水溫變化不大(圖2(a))。

2017—2018年中線工程各監(jiān)測點(diǎn)的pH值平均值為8.07～8.44，整體呈現(xiàn)弱堿性，沿程呈先上升再下降的趨勢，在漳河北站點(diǎn)pH值下降明顯，之后站點(diǎn)變化不明顯，河南段與河北段pH值存在一定的差異。2017、2018年年平均pH值分別為8.14、8.25，2018年pH值較2017年略有上升，兩年河南段(漳河北前)差距不大，河北段pH值差異較大，這可能反映了該地區(qū)大氣降水輸入的影響[19](圖2(b))。

2017—2018年各監(jiān)測點(diǎn)溶解氧(DO)從渠首開始先有所上升，隨后趨于穩(wěn)定，在北盤石監(jiān)測點(diǎn)后溶解氧濃度略有下降，至西黑山監(jiān)測點(diǎn)突然上升。部分站點(diǎn)溶解氧濃度高于10 mg/L。有關(guān)研究表明溶解氧的升高與水溫和藻類增殖有關(guān)[20]。干渠年平均濃度為9.03～10.53 mg/L，2017年與2018年溶解氧濃度整體差異不大，均低于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅰ類(7.5 mg/L)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(圖2(c))。

3.1.2 有機(jī)物和營養(yǎng)鹽指標(biāo)(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷)

如圖2(d)所示，2017—2018年中線工程各水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)平均濃度為1.61～2.70 mg/L，各年呈現(xiàn)出明顯的沿程升高趨勢，至漳河北后，各站點(diǎn)平均濃度趨于穩(wěn)定，河南段與河北段之間存在差異。2017、2018年年平均高錳酸鹽指數(shù)濃度分別為1.81、1.94 mg/L，2018年年平均濃度高于2017年平均濃度，2018年部分監(jiān)測斷面超過了國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類(2 mg/L)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。

2017—2018年氨氮(NH3-N)年平均濃度為0.029～0.092 mg/L，所有監(jiān)測斷面均符合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) Ⅰ 類(0.15 mg/L)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2017、2018年年平均濃度分別為0.035、0.042 mg/L，氨氮平均濃度略有升高，北盤石至西黑山監(jiān)測站濃度上升明顯(圖2(e))。

2017—2018年各監(jiān)測點(diǎn)總氮(TN)平均濃度介于0.77～1.30 mg/L，各年總氮濃度呈沿程下降趨勢，北盤石至西黑山監(jiān)測點(diǎn)下降明顯，氨氮濃度的上升和總氮濃度的下降表明該段可能有較強(qiáng)的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行。2018年TN平均濃度(1.22 mg/L)高于2017年TN平均濃度(0.91 mg/L)，TN濃度有逐年升高的趨勢，與水源地的初始TN濃度關(guān)系密切(圖2(f))。

2017—2018年總磷(TP)年平均濃度差異不大，2017年總磷年平均濃度為0.011 mg/L，大多數(shù)監(jiān)測站濃度都低于總磷檢出值，而2018年總磷年平均濃度為0.012 mg/L，大部分監(jiān)測斷面總磷濃度上升，超出檢出值，說明總磷有逐年升高的趨勢，但整體濃度偏低(圖2(g))。

3.1.3 其他指標(biāo)(硫酸鹽、氟化物)

兩年硫酸鹽濃度年平均值為26.74～34.03 mg/L，沿程呈上升的趨勢，河南段濃度略高于河北段濃度，河南段的變化趨勢與大氣沉降有關(guān)，河北段的變化與大氣沉降和干渠流量有關(guān)。2017年與2018年硫酸鹽平均濃度分別為29.09、27.30 mg/L，有下降趨勢(圖2(h))。硫酸鹽濃度反映水體酸堿度變化，2017年與2018年硫酸鹽濃度的差異與pH值的變化趨勢一致。由圖2(i)可知，2017—2018年氟化物濃度沿程波動(dòng)較大，年平均濃度為0.188～0.218 mg/L，對比各年平均濃度，氟化物年平均濃度有逐年降低的趨勢。

3.2 中線工程渠道主干斷面環(huán)境因子主成分分析

對南水北調(diào)中線工程主干斷面水質(zhì)指標(biāo)年平均值進(jìn)行主成分分析，分析結(jié)果相近。利用SPSS對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行 KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和 Bartlett 檢驗(yàn)，得到2017年和2018年KMO 值分別為0.583、0.582；Bartlett 球形檢驗(yàn)結(jié)果分別為 92.794(P<0.05)、93.754(P<0.05)，說明參數(shù)指標(biāo)之間具有較好的相關(guān)性，適合主成分分析。兩年主成分分析結(jié)果相近，故本文以2018年南水北調(diào)中線工程主干斷面水質(zhì)指標(biāo)年平均值為基礎(chǔ)，驗(yàn)證主成分分析方法的適用性。

為了消除各個(gè)指標(biāo)量綱不同的影響，需對原始數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后所得矩陣各行標(biāo)準(zhǔn)差為1，平均值為0。由于溶解氧為逆指標(biāo)，即其數(shù)值越大，表征其水質(zhì)越好，故對其取倒數(shù)后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化?；跇?biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，利用SPSS22運(yùn)算得出各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)矩陣，如表1所示。

對表1進(jìn)行運(yùn)算，可得到特征值，從而對主成分進(jìn)行確定，并得主成分貢獻(xiàn)率的大小，如表2所示。

表1 2018年南水北調(diào)中線工程主干斷面水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)矩陣Table 1 Correlation matrix of important water quality objectives in major sections of the main canal of the middle route SNWDP in 2018

表2 2018年南水北調(diào)中線工程干渠斷面水質(zhì)指標(biāo)特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率Table 2 Eigenvalues，contribution rates and accumulated contribution rates of principal components of water quality indexes in major sections of the main canal of the middle route SNWDP in 2018

由表2所知，第一主成分的特征值為3.505，第二主成分的特征值為1.552，第三主成分的特征值為1.142，第四主成分的特征值為1.022，均>1，而從第五主成分開始，特征值均<1，這說明前4個(gè)主成分對解釋原有變量的貢獻(xiàn)最大，符合主成分挑選條件，第五主成分己經(jīng)不滿足要求。由于第一至第四主成分己經(jīng)包含了9個(gè)指標(biāo)的全部信息，且這兩者的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)80.23%，其對水質(zhì)變化的影響最大。因此，本文確定前4個(gè)主成分開展進(jìn)一步的分析。

為確定各主成分所包含的水質(zhì)指標(biāo)信息，需計(jì)算各主成分在單個(gè)指標(biāo)上的載荷。表3為2018年南水北調(diào)中線工程各斷面水質(zhì)指標(biāo)旋轉(zhuǎn)成分矩陣，由表3得出，第一主成分在pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽上有較大載荷，其載荷分別為 0.737、-0.797、0.891、0.745；第二主成分主要在水溫上有較大載荷，其載荷為0.913；第三主成分主要在總氮上有較大荷載，其荷載為0.716；第四主成分主要在總磷上有較大的荷載，其荷載為0.886。

表3 2018年南水北調(diào)中線工程干渠斷面水質(zhì)指標(biāo)旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 3 Rotated component matrix of water quality indexes in major sections of the main canal of the middle route SNWDP in 2018

3.3 中線工程渠道主干斷面聚類分析

在主成分分析的基礎(chǔ)上，對各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析。以2018年南水北調(diào)中線工程干流斷面主成分分析中各斷面主成分為基礎(chǔ)，聚類方法采用組間聯(lián)接法，對等間隔測度的變量使用歐式距離平方作為類間距離，得到2018年南水北調(diào)中線工程主干渠斷面聚類分析結(jié)果樹狀圖，如圖3所示。

圖3 2018年南水北調(diào)中線工程采樣點(diǎn)聚類樹狀圖Fig.3 Dendrogram of sampling points in the middle route of SNWDP in 2018

在對主成分進(jìn)行聚類分析后，將南水北調(diào)中線工程總干渠劃分成4類區(qū)段，如圖4所示。第一渠段為位于渠首的陶岔、姚營、程溝和方城4個(gè)斷面；第二渠段包括庫區(qū)大部分?jǐn)嗝?，為中線總干渠中間，有沙河南、蘭河北、新峰、穿黃后、紙坊河北、趙莊東南、西寺門東北、侯小屯西、漳河北、南營村、侯莊、北盤石、東瀆、大安舍、北大岳、蒲王莊和柳家佐17個(gè)斷面；第三渠段為蘇張、鄭灣和穿黃前3個(gè)斷面；第四渠段為西黑山斷面。

圖4 南水北調(diào)中線工程聚類分析分區(qū)渠段示意圖Fig.4 Schematic diagram of divided four segments of the main canal of the middle route SNWDP

為了驗(yàn)證上述聚類分析的結(jié)果，應(yīng)用判別分析(Discriminant Analysis，DA)方法進(jìn)行聚類分析正確率檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，聚類分析正確率結(jié)果為80.65%，選擇分成4類能合理反映各渠段差異。

4 分析與討論

4.1 總干渠關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)識(shí)別與分析

第一主成分結(jié)果包含高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、pH值、硫酸鹽指標(biāo)、氨氮，貢獻(xiàn)率達(dá)38.94%，反映水體中耗氧程度和酸堿平衡狀態(tài)。根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空變化趨勢可知，總干渠水體中的高錳酸鹽指數(shù)沿程呈上升趨勢，且存在部分?jǐn)嗝娉^國家Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，與文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)果一致，是總干渠耗氧程度關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)之一。pH值逐年呈下降趨勢，且沿程波動(dòng)較大，趨勢與硫酸鹽濃度變化趨勢一致，是反映總干渠酸化趨勢水質(zhì)指標(biāo)之一。上述表明總干渠最主要的水質(zhì)變化趨勢為水體耗氧及酸化趨勢。

第二主成分為水溫，反映水體熱力學(xué)狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測分析，水溫南北差異較大，且沿程波動(dòng)明顯，對沿程各站點(diǎn)的影響較大，水溫對水體中的營養(yǎng)物質(zhì)有著重要影響，影響整個(gè)水體的營養(yǎng)鹽時(shí)空分布，因此，中線工程的水溫對水質(zhì)有一定影響。

第三、第四主成分分別為總氮、總磷，反映水體營養(yǎng)狀態(tài)?？偟獫舛妊爻套兓淮?，但有較明顯年際差異，這與文獻(xiàn)[3]的總氮分析結(jié)果一致。年際差異與水源地丹江口水庫總氮濃度變化有關(guān)?？偟獫舛鹊拇笮∮绊懼芯€總干渠富營養(yǎng)化狀態(tài)，是總干渠富營養(yǎng)化關(guān)注的主要因素之一[22]?？偭自谥芯€工程濃度較低，2017年大多數(shù)斷面都低于檢出值，但在2018年較2017年有上升趨勢，因此總磷也是中線工程營養(yǎng)狀態(tài)的影響因素之一。

綜上，9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)通過主成分分析降維到4項(xiàng)，前4個(gè)主成分能夠充分代表中線水質(zhì)狀況。中線工程總干渠的首要水質(zhì)指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、pH值、硫酸鹽，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中線工程耗氧程度和酸化趨勢；其次是水溫、總氮、氨氮、總磷，應(yīng)關(guān)注水溫季節(jié)性變化和南北空間差異及總磷等營養(yǎng)物的逐年上升趨勢。

4.2 中線干渠各區(qū)段主要指標(biāo)的時(shí)空分異特性

聚類分析將25個(gè)監(jiān)測斷面聚成4類，計(jì)算出各區(qū)段的各水質(zhì)指標(biāo)的年平均值，并對4類渠段各水質(zhì)指標(biāo)之間的差異進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 2018年南水北調(diào)中線工程各分渠段水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)比較Fig.5 Comparison of water quality indexes among monitoring site segments of the main canal of middle route SNWDP in 2018

由圖5可知，第一渠段比較突出的水質(zhì)指標(biāo)為總氮和總磷兩項(xiàng)指標(biāo)，對整個(gè)總干渠而言，總氮濃度差異不大。該渠段位于河南境內(nèi)，連接丹江口水庫。有研究表明，丹江口水庫總氮濃度平均值為1.5 mg/L，總磷濃度大部分<0.04 mg/L，是南水北調(diào)總干渠總氮、總磷營養(yǎng)鹽的主要輸入源[23]。因?yàn)樘幱谡麄€(gè)工程的渠首段，其他水質(zhì)指標(biāo)整體較好。第二渠段主要包括中線工程大部分站點(diǎn)，這些站點(diǎn)水質(zhì)較第一區(qū)段有變差趨勢，應(yīng)加強(qiáng)管理檢測，及時(shí)防治，其中高錳酸鹽指數(shù)有所升高，這與文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)果相一致，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該段高錳酸鹽指數(shù)的升高原因。第三渠段位于第二渠段中間，主要包括穿黃前3個(gè)斷面，與其他渠段相比，這3個(gè)站點(diǎn)的水溫較其他渠段高，且pH值略高于其他渠段。第四渠段只有西黑山一個(gè)站點(diǎn)，水質(zhì)問題最為嚴(yán)重，西黑山大多數(shù)水質(zhì)指標(biāo)都明顯高于其他站點(diǎn)，作為送往北京和天津前最后一級，高錳酸鹽指數(shù)超過國家水質(zhì)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，硫酸鹽濃度也高于其他渠段，其水質(zhì)的變化應(yīng)引起重視。

綜上所述，第一渠段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注總氮、總磷濃度變化，對第一渠段總氮、總磷濃度的控制有助于中線整個(gè)總干渠總氮、總磷濃度的管理。對于第二渠段和第三渠段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注沿程高錳酸鹽指數(shù)變化情況，增加高錳酸鹽指數(shù)的監(jiān)測手段，加強(qiáng)高錳酸鹽指數(shù)沿程升高因素識(shí)別及主要因子加密監(jiān)測。對于第四渠段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高錳酸鹽指數(shù)及硫酸鹽濃度的變化，識(shí)別變化影響因素。

4.3 典型區(qū)段關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)影響因素識(shí)別

第四渠段(西黑山)水質(zhì)變化較為顯著，以第四渠段為分析對象，結(jié)合同期水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，對主要水質(zhì)指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)和硫酸鹽的影響因素進(jìn)行探討。

分析高錳酸鹽指數(shù)與水動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系，如圖6(a)所示，高錳酸鹽指數(shù)與流量呈一定的相關(guān)關(guān)系，70%的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在95%置信區(qū)間內(nèi)，表明流量對高錳酸鹽指數(shù)有影響。高錳酸鹽指數(shù)作為反映水體耗氧污染程度的重要指標(biāo)，代表了水體中可被高錳酸鹽氧化的有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)濃度[24]。范傲翔等[21]研究結(jié)果表明，總干渠藻密度突變點(diǎn)與高錳酸鹽指數(shù)的突變點(diǎn)高度吻合，表明水體自身藻類及微生物活動(dòng)等自生源過程中向水體釋放的蛋白質(zhì)和微生物殘?bào)w增加了高錳酸鹽指數(shù)。中線渠道沿程環(huán)境復(fù)雜，水動(dòng)力特征會(huì)發(fā)生顯著變化，物質(zhì)在水體中的各種相態(tài)、遷移轉(zhuǎn)化過程都會(huì)發(fā)生改變，影響藻類生長速度及分布特征，從而可能影響高錳酸鹽指數(shù)。流量增加，引水渠中的流速會(huì)增大，更容易破壞渠道內(nèi)的藻類生長環(huán)境，導(dǎo)致大量的藻類死亡和藻細(xì)胞破碎，增加水體中有機(jī)物質(zhì)濃度。因此，解決該站點(diǎn)高錳酸鹽指數(shù)升高的問題應(yīng)考慮控制流量。

分析硫酸鹽與水動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系，如圖6(b)所示，隨著流量的增加，硫酸鹽濃度具有下降趨勢，75%的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在95%置信區(qū)間內(nèi)，表明流量對該渠段硫酸鹽濃度有影響，其濃度的降低主要受到來水的稀釋作用。硫酸鹽濃度表征干渠的酸化趨勢，來源主要包括大氣沉降(酸雨、降塵)及其他人類活動(dòng)的輸入(農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)、礦業(yè)等)[25]。對于相對封閉的中線總干渠而言，其主要來源為大氣沉降，并與渠段周圍的重工業(yè)發(fā)達(dá)程度有著密切的關(guān)系。因此，在密切關(guān)注大氣沉降對總干渠的影響的同時(shí)，流量調(diào)節(jié)對硫酸鹽的控制有積極作用。

圖6 高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽與流量的關(guān)系Fig.6 Relations of permanganate index and sulfate content versus flow rate

綜上所述，對于第四渠段，流量與關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)和硫酸鹽有相關(guān)性，在渠段管理過程中可以通過調(diào)節(jié)該段流量控制相關(guān)指標(biāo)。由于數(shù)據(jù)收集有限，本文未對大氣沉降、氣溫、降水等因素進(jìn)行討論。

5 結(jié) 論

(1)數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，總干渠水溫、總磷呈下降趨勢，其中水溫、pH值在河北段下降更為顯著，生化需氧量則在河南段下降更為顯著；溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、氟化物等指標(biāo)呈上升趨勢，其中高錳酸鹽指數(shù)和氟化物在河南段上升更為顯著，氟化物僅在河南沿線顯著上升。除總氮、總磷外，其余指標(biāo)2017年與2018年差距不大。

(2)以主成分分析方法提取的4個(gè)主成分，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到 80%以上，4個(gè)主成分幾乎包含了原始數(shù)據(jù)所有的信息量。4個(gè)主成分載荷的分析結(jié)果表明中線工程應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注總干渠耗氧污染程度和酸堿平衡狀態(tài)，其次考慮水溫等水熱狀態(tài)，再次關(guān)注氮磷等水體營養(yǎng)狀態(tài)。

(3)以4個(gè)主成分對監(jiān)測斷面進(jìn)行分類，較好地識(shí)別出總干渠各段水質(zhì)指標(biāo)特征，將中線總干渠分為4類渠段。第一渠段重點(diǎn)關(guān)注總氮、總磷濃度變化，有助于中線整個(gè)總干渠總氮、總磷濃度的管理。對于第二渠段，可以適當(dāng)減少測站數(shù)量，方便管理。對于第四渠段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高錳酸鹽指數(shù)及硫酸鹽濃度的變化，識(shí)別變化影響因素。

(4)重點(diǎn)分析討論了第四渠段西黑山斷面的變化，流量與該渠段的高錳酸鹽指數(shù)呈正相關(guān)，與硫酸鹽呈負(fù)相關(guān)。水動(dòng)力變化對第四渠段的主要水質(zhì)指標(biāo)影響明顯，可通過水動(dòng)力調(diào)控對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控。