寧東能源化工基地湖庫(kù)水質(zhì)參數(shù)時(shí)空分布特征及污染評(píng)價(jià)

王 梅

（寧夏華正檢測(cè)技術(shù)有限公司，寧夏 銀川 750001）

引言

寧夏回族自治區(qū)寧東能源化工基地是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)，規(guī)劃區(qū)總面積3 500 平方公里(核心區(qū)面積800 平方公里)。自2003 年開(kāi)發(fā)建設(shè)以來(lái)，先后被確定為國(guó)家重要的大型煤炭生產(chǎn)基地、“西電東送”火電基地、煤化工產(chǎn)業(yè)基地、國(guó)家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)示范區(qū)、現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)、綠色園區(qū)、新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地、外貿(mào)轉(zhuǎn)型升級(jí)基地，但隨著寧東基地經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的不斷推進(jìn)與發(fā)展，作為第二產(chǎn)業(yè)的水資源，其利用和保護(hù)備受關(guān)注，因此研究水資源時(shí)空分布和變化特征對(duì)寧東基地長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展至關(guān)重要[1]。目前，河流和湖庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法包括單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、貝葉斯數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法等方法[2-4]。每種評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，單因子評(píng)價(jià)法是水質(zhì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣泛的評(píng)價(jià)方法，通過(guò)評(píng)價(jià)參數(shù)實(shí)際監(jiān)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，從而判斷水質(zhì)類型[5-6]，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，但無(wú)法判斷水質(zhì)的總體污染情況[7]。主成分分析法采用降維技術(shù)將多指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，對(duì)高維變量進(jìn)行綜合和簡(jiǎn)化，減少原始數(shù)據(jù)信息損失，提高分析結(jié)果的可靠性，目前已廣泛應(yīng)用于水[8]、大氣[9]、土壤[10]以及區(qū)域綜合評(píng)價(jià)。寧夏基地地表水主要有邊溝、西天河(大河子溝)、鴨子蕩水庫(kù)、圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖。目前作為大量涌入礦井水的人工湖圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖利用效率極低，僅有30%，與國(guó)家對(duì)礦井疏干水利用要求相去甚遠(yuǎn)[11]。本文選取寧東基地供水工程的核心引水型水庫(kù)鴨子蕩水庫(kù)和大量礦井水形成的人工湖(圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖)為研究對(duì)象，采用單因子評(píng)價(jià)法、Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法分析寧東地表水水質(zhì)整體達(dá)標(biāo)情況和變化規(guī)律，利用綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法和主成分分析法確定主要污染因子及各影響指標(biāo)權(quán)重對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，歸納水質(zhì)控制的主要因素。為寧東基地供水工程水環(huán)境管理以及提高礦井水利用效率等難題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與評(píng)價(jià)因子選擇

2019 年10 月至2020 年10 月我公司受寧東基地環(huán)境監(jiān)測(cè)站委托，對(duì)寧東基地供水工程的核心引水型水庫(kù)鴨子蕩水庫(kù)、圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖按照《地表水和廢水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 91—2002）[12]進(jìn)行每月一次的樣品采集（共計(jì)11 次），參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[13]進(jìn)行了水溫、pH 值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)指數(shù)等24 項(xiàng)基本水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，因24 項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)中水溫和pH 值不參與水質(zhì)評(píng)價(jià)，且除高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日化學(xué)需氧量（BOD5）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和氟化物（FL）外，其余水質(zhì)參數(shù)含量極低，故為了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性和代表性，本項(xiàng)目選擇主要污染物高錳酸鹽指數(shù)、五日化學(xué)需氧量、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷和氟化物等6 項(xiàng)有效指標(biāo)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和評(píng)價(jià)。

1.2 數(shù)據(jù)處理及分析方法

本文不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)參數(shù)顯著性分析均使用SPSS Statistics 軟件進(jìn)行，水質(zhì)參數(shù)年度比較采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)分析，水質(zhì)參數(shù)季節(jié)性分析及不同斷面間比較，所有樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢驗(yàn)前均進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)；P＜0.05，表明代表性顯著。

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子評(píng)價(jià)法

單因子評(píng)價(jià)法可清晰表示研究水體是否滿足水質(zhì)要求，通過(guò)選取某一個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的多次監(jiān)測(cè)極值或均值，與該因子的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以最高類類別為斷面綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)。

1.3.2 Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法（Daniel 趨勢(shì)檢驗(yàn)分析）

Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法（Daniel 趨勢(shì)檢驗(yàn)分析），即利用檢測(cè)指標(biāo)均值數(shù)據(jù)求出各污染物年均濃度進(jìn)行趨勢(shì)變化分析。計(jì)算公式如式（1）和式（2）。

式中：Xi為周期i 到周期N 按濃度值從小到大排列序號(hào)；Yi為按時(shí)間排列序號(hào)；di為變量Xi和Yi的差值。

將秩相關(guān)系數(shù)法gs 絕對(duì)值同Spearman 秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表中的臨界值Wp進(jìn)行比較。，則表示變化趨勢(shì)有顯著意義；如果γs是負(fù)值，表明在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)計(jì)量指標(biāo)呈下降或好轉(zhuǎn)趨勢(shì)；如果γs是正值，表明在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)計(jì)量指標(biāo)呈上升或加重趨勢(shì)。當(dāng)，則表明變化趨勢(shì)沒(méi)有顯著意義，說(shuō)明在評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)檢測(cè)指標(biāo)變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。

1.3.3 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法

將水質(zhì)單因子指標(biāo)數(shù)據(jù)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）各湖庫(kù)水質(zhì)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值相比，得出各指標(biāo)的污染分指數(shù)，并通過(guò)各指標(biāo)污染分指數(shù)的算術(shù)平均值計(jì)算出水體綜合污染指數(shù)，以說(shuō)明水體污染程度[14]。綜合污染指數(shù)等級(jí)水質(zhì)分級(jí)表見(jiàn)表1[15]。

表1 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)表

污染指數(shù)計(jì)算公式，見(jiàn)式（3）。

式中：P 為水體綜合污染指數(shù)；n 為選取的污染指標(biāo)項(xiàng)目指數(shù)；Pi為第i 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的污染分指數(shù)；Ci為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度值；C0為第i 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；PDO為溶解氧的污染指數(shù)。

1.3.4 主成分分析法

主成分分析法是一種統(tǒng)計(jì)方法，采用正交法將一組可能相關(guān)的變量（實(shí)體，每個(gè)實(shí)體具有不同的數(shù)值）的觀察值轉(zhuǎn)換為一組稱為主成分的線性不相關(guān)變量值。PCA 是最簡(jiǎn)單的基于特征向量的多元分析，通過(guò)降維技術(shù)，客觀處理各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀。其主成分分析的模型見(jiàn)式（4）和式（5）。

綜合評(píng)價(jià)函數(shù)：

式中：a1m、a2m、…、anm為原始變量矩陣協(xié)方差矩陣的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；ZX1、ZX2、…，ZXn為原始變量矩陣經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理值；λ1、λ2、…，λp為主成分個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 單因子及Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)2019 年和2020 年《寧東能源化工基地環(huán)境質(zhì)量報(bào)告》標(biāo)準(zhǔn)限值要求和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）標(biāo)準(zhǔn)，本文利用單因子及Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對(duì)2019 年10 月至2020 年9 月鴨子蕩水庫(kù)、圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，查秩相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，Wp11，0.05=0.618。

結(jié)果表明，鴨子蕩水庫(kù)能夠達(dá)到地表水Ⅲ類限值要求，圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖均為劣V 類，且Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法結(jié)果表明，南湖的氟化物存在顯著上升趨勢(shì)，其他各檢測(cè)因子雖有上升或下降，但均不呈現(xiàn)顯著性變化。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2019 年—2020 年均值及變化規(guī)律表

2.2 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

將檢測(cè)點(diǎn)位各指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入公式（3）進(jìn)行計(jì)算，為得到具有可比性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文在綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)計(jì)算中Co 統(tǒng)一選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）表1Ⅲ類，得到各點(diǎn)位檢測(cè)指標(biāo)綜合指數(shù)見(jiàn)表3，結(jié)合表1 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)級(jí)別可以看出，鴨子蕩水庫(kù)高錳酸鹽指數(shù)、總磷、氟化物和氨氮污染指數(shù)范圍在0.19～0.40 之間，污染狀況均較低，但五日化學(xué)需氧量、化學(xué)需氧量和溶解氧屬于中度污染，因此該點(diǎn)位整體屬于輕度污染；圓疙瘩湖和南湖五日化學(xué)需氧量和化學(xué)需氧量屬于嚴(yán)重污染，以上兩個(gè)點(diǎn)位整體屬于重度污染；鴛鴦湖五日化學(xué)需氧量、化學(xué)需氧量和氟化物屬于嚴(yán)重污染，整體屬于重度污染。

表3 寧東地表水各項(xiàng)指標(biāo)污染分指數(shù)Pi 及綜合污染指數(shù)P

由此表明，無(wú)論是作為寧東基地核心飲水工程的鴨子水庫(kù)還是大量礦井水形成的人工湖，影響水質(zhì)狀況的主要污染指標(biāo)為五日化學(xué)需氧量、化學(xué)需氧量和溶解氧，表明水中存在還原性質(zhì)有機(jī)污染物，另外，鴛鴦湖水體污染還受高鹽影響。

2.3 主成分分析結(jié)果

本文選擇對(duì)水體達(dá)標(biāo)情況影響較大的5 個(gè)指標(biāo)高錳酸鹽指數(shù)、五日化學(xué)需氧量、化學(xué)需氧量、溶解氧、氨氮和氟化物進(jìn)行主成分分析。首先，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。根據(jù)主成分選取原則，特征值大于1，對(duì)應(yīng)第1、第2 和第3 主成分，其方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 特征值及貢獻(xiàn)率

為進(jìn)一步更好地解釋各檢測(cè)指標(biāo)的意義，計(jì)算初始因子載荷矩陣，每個(gè)載荷量表示主成分與對(duì)應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù)，正值表示正相關(guān)，負(fù)值表示負(fù)相關(guān)，絕對(duì)值越接近1，表示相關(guān)性越高。根據(jù)初始因子荷載量，計(jì)算主成分荷載值，從而確定因子指標(biāo)權(quán)重，并進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由主成分賦權(quán)結(jié)果可以看出，作為寧東基地大型供水工程鴨子蕩水庫(kù)，化學(xué)需氧量和五日化學(xué)需氧量占據(jù)相對(duì)較大的權(quán)重；而礦井水形成的人工湖（圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖）化學(xué)需氧量、五日化學(xué)需氧量、溶解氧和氟化物占據(jù)權(quán)重較大，這與前面單因子評(píng)價(jià)法和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法分析的時(shí)空分布結(jié)果相符，表明寧東基地地表水水質(zhì)水體中還原性物質(zhì)是導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素，且人工湖受鹽困擾。

表5 主成分因子荷載及賦權(quán)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用單因子評(píng)價(jià)法、Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法、綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法和主成分分析法4 種方法研究結(jié)果一致表明影響寧東基地鴨子蕩水庫(kù)、人工湖(圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖)水質(zhì)狀況主要檢測(cè)指標(biāo)為五日化學(xué)需氧量、化學(xué)需氧量和溶解氧，另外，人工湖還受到氟化物的影響?？傊?，無(wú)論是作為寧夏化工基地的核心引水型水庫(kù)鴨子蕩水庫(kù)，還是大量礦井水形成的人工湖（圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖），均不同程度地受水體中還原性有機(jī)污染物污染，且人工湖還存在高鹽污染。原因可能為：

1）寧東地區(qū)因地域特性為干旱少雨，蒸發(fā)量大；

2）作為引水型工程的鴨子蕩水庫(kù)對(duì)黃河水的依賴過(guò)高；

3）大量礦井水形成的人工湖因水資源管理制度的問(wèn)題，導(dǎo)致礦井水回用率不高，且處理不到位；

綜上，寧東化工基地地表水綜合利用與改善亟需解決，需要節(jié)約用水、節(jié)流和治污并舉，保護(hù)水源，優(yōu)化配置，提高工業(yè)結(jié)構(gòu)的要求，才能降低水體的污染。