罗江库区水源地水质趋势分析及对策研究

耿向永，叶建桥， 黄 梅

(1.达州市生态环境污染防治中心，四川 达州 635000;2.四川省达州生态环境监测中心站,四川 达州 635000)

前 言

水是生命之源，水源水质直接关乎群众饮水安全，关乎社会稳定。党中央、国务院高度重视饮用水安全保障工作，明确要求，把切实保护好饮用水水源，让群众喝上放心水作为首要任务[1]。生态环境部门2017年以来持续开展了水源地“划、立、治”专项行动，全面整治了各级水源地环境问题，水源地水质得到有效改善。

罗江库区水源地作为达州市主城区唯一的饮用水水源地，位于长江三级支流州河上，是主城区近百万居民生活饮用水、工业用水、公共用水的主要水源。罗江库区水源水质直接影响到达州市主城区居民的饮水安全和身心健康，以及达州市经济社会的可持续发展。但多年来罗江库区水源地水质未进行过全面分析，因此从保障饮水安全考虑，对该水源地进行水质趋势分析至关重要。鉴于此，本研究采用主成分分析法对罗江库区水源地近10年的水质监测数据进行分析，得出该水源地10年间的水质变化趋势和主要影响因子，进而分析主要影响因子年际变化趋势，最后提出有效对策建议，以期为保障达州市饮水安全提供科学依据，也为分析水源地水质变化趋势提供方法思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

罗江库区水源地于2011年投入使用，是达州市主城区的饮用水水源地，属河流型水源地，服务人口近百万，年均取水量约6 000万m3，2012年划定为水源地保护区。该水源位于州河上，州河系长江三级支流，属嘉陵江水系，河长310km，流域面积11 165km2。上源分前、中、后河三支，均发源于大巴山南麓，前河为州河主流，发源于重庆市城口县燕麦乡，海拔2 685.7m(见图1) 。

图1 研究区域图Fig.1 Map of study area

1.2 监测数据来源

达州市主城区饮用水水源主要来自州河，水质监测点位于水源地取水点上游300m处。根据2011～2020年水源地水质月监测数据，监测项目包括《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中要求的基本项目、补充项目和优选特定项目，剔除常年监测结果低于方法检出限的项目[2]，少数低于检出限数据值采用最低检出限值的一半进行统计[3]，选取了9个水质指标，即溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、粪大肠菌群、硫酸盐、氯化物和硝酸盐。

1.3 研究方法

水质系统是由一个多维因子(多种污染物含量、指标变量)组成的复杂系统，因子间具有不同程度的相关性，每一因子在某个方面反映了水质质量[4]。目前，水质分析方法主要分为单因子评价法和多因子评价法两类[5]。根据胡香芳[6]、赵朋飞[7]、陈佳[8]等的研究表明，主成分分析法是一种切实可行的水质评价方法。主成分分析法是将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的多元统计分析方法。较少个数重要变量即为主成分。主成分包含的主要污染物信息既彼此独立，又能够反映主要问题，还能有效排除不相关指标的影响，具有较好的客观性[9]。因此本研究通过主成分分析法获得影响罗江库区水源地水质的主要因子，进一步分析水源地10年水质变化趋势，进而分析主要影响因子年际变化。

2 结果与讨论

2.1 因子相关性分析

考虑到水质指标数量级和量纲上的差异，先将罗江库区水源地2011～2020年的月监测数据进行标准化处理，其中溶解氧为逆指标，先将其倒数变换，然后标准化[10]。标准化处理后进行分析，相关结果见表1和表2。

表1 水质指标相关性矩阵Tab.1 Correlation matrix of the water quality indicators

表2 KMO 和巴特利特检验Tab.2 KMO and Bartlett tests

由表1、表2可知，根据相关性矩阵和相关标准[11]，各参数间的相关性较好，而且KMO值为0.583>0.5，因子分析符合要求。同时巴特利特球形度检验的显著性概率P值为0.000，小于0.05。KMO、巴特利特球形度检验和各变量间相关性结果表明，因子之间存在相关关系，适合因子分析法提取综合因子。

2.2 主成分提取

将标准化后的监测数据通过因子分析，利用主成分分析提取成分的因子特征值、方差百分比和累计方差百分比见表3。

表3 主成分总方差解释Tab.3 Total variance interpretation of principal component

根据因子分析中主成分抽取原则，特征值大于1时，对应的主成分才有意义。本研究提取了4个主成分V1、V2、V3、V4。4个主成分累计的方差百分比为73.989%，它们所对应的主成分已经能够反映原始指标的绝大部分信息。各因子通过凯撒正态化最大方差法旋转后，在各主成分上的因子载荷值见表4。

表4 主成分载荷矩阵Tab.4 Principal component load matrix

研究将与主成分相关系数的绝对值较大的指标认定为是与该主成分显著相关的指标[12]。根据表3和表4分析结果，第一主成分V1的方差百分比为28.307%，为第一类主要污染源，V1与硫酸盐、氯化物呈显著正相关，说明在V1中硫酸盐、氯化物是影响水质的主要载荷因子，主要反映无机盐类对水质的综合影响。第二主成分V2的方差百分比为21.008%，为第二类主要污染源，V2与高锰酸盐指数、五日生化需氧量呈显著正相关，说明在V2中高锰酸盐指数、五日生化需氧量是影响水质的主要载荷因子，主要反映有机污染物尤其是好氧有机污染物对水质的综合影响。第三主成分V3的方差百分比为12.84%，为第三类污染源，V3与粪大肠菌群呈显著正相关，说明在V3中粪大肠菌群是影响水质的主要载荷因子，主要反映细菌总数对水质的综合影响。

2.3 主成分综合得分

四个主成分V1、V2、V3、V4经“Fi=Vi/SQRT(特征值)”(i=1、2、3、4)变量计算得到特征向量见表5。

表5 特征向量Tab.5 Feature vectors

根据特征向量计算得到各主成分的线性方程表达式如下：

F1=- 0.091 *x1- 0.013 *x2+ 0.06 *x3

+ 0.198 *x4+ 0.014 *x5+ 0.067 *x6

+ 0.244 *x7+ 0.238 *x8+ 0.029 *x9

F2=0.039 *x1+0.34 *x2+ 0.406 *x3+ 0.05 *x4+ 0.073 *x5+ 0.061 *x6+ 0.001 *x7+ 0.017 *x8- 0.115 *x9

F3=0.399 *x1-0.017 *x2+ 0.176 *x3

- 0.06 *x4- 0.166 *x5+ 0.644 *x6

+ 0.132 *x7+ 0.041 *x8+0.217 *x9

F4=-0.067*x1+0.048 *x2- 0.146 *x3

+ 0.204 *x4+ 0.607 *x5+ 0.041 *x6

- 0.051 *x7- 0.078 *x8+0.625 *x9

F=(λ1/λ) *F1+ (λ2/λ) *F2+ (λ3/λ) *F3+ (λ4/λ) *F4；λ为累计方差百分比。

表达式中，F1、F2、F3、F4分别代表四个主成分的得分，x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9分别表示溶解氧倒数、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、粪大肠菌群、硫酸盐、氯化物和硝酸盐的标准化数据。将每月监测数据的标准化数据代入上述方程表达式得到各主成分的得分，各主成分的得分乘以各主成分的方差百分比与累计方差百分比的比值，相加得到主成分每月综合得分。主成分每月综合得分按年均值计算得到主成分年度、综合得分及排序，以及年度综合得分线形图见表6和图1。

鉴于水源水质指标为低优指标，因此得分越高，说明水源污染越严重，由此可以对罗江库区水环境质量状况进行排序和分级。根据表6综合得分排序，可以看出2012年水质最好，2011年水质最差。根据图2水质综合评价结果，可以看出罗江库区水源地水质在“十二五”期间水质逐年变差，“十三五”期间水质较好。从线性趋势线来看，罗江库区水源地十年时间的水质总体呈水质改善、向好趋势。

表6 主成分年度得分、年度综合得分及排序Tab.6 Annual score, annual comprehensive score and ranking of principal components

图2 年度综合得分线形图Fig.2 Annual comprehensive score line

2.4 主要载荷因子年度趋势变化

为进一步掌握水质变化原因，选取主成分分析中对主成分影响显著的主要载荷因子。一般认为，相关系数的绝对值>0.6的指标和该主成分显著相关[13]。研究选取BOD5、硫酸盐、氯化物、高锰酸盐指数和粪大肠菌群的年均浓度进行线性分析。分析结果见图3～图7。

图3 BOD5年均浓度趋势变化Fig.3 Annual trend of BOD5 concentration

图4 硫酸盐年均浓度趋势变化Fig.4 Annual trend of sulfate concentration

图5 氯化物年均浓度趋势变化Fig.5 Annual trend of chloride concentration

图6 高锰酸盐指数年均浓度趋势变化Fig.6 Annual trend of permanganate

图7 粪大肠菌群年均浓度趋势变化Fig.7 Annual trend of fecal coliform concentration

根据《四川省饮用水水源保护管理条例》，从图2～图6可以看出，主要载荷因子五日生化需氧量、高锰酸盐指数均达到地表水Ⅱ类标准限值，粪大肠菌群达到地表水Ⅲ类标准限值，硫酸盐、氯化物监测值远低于标准限值，符合地表水河流型水源地一级保护区水质要求，水源水质较好。其中五日生化需氧量、氯化物年均浓度较为稳定。粪大肠菌群年均浓度呈大幅下降趋势，粪大肠菌群作为生活污水处理情况的指标，根据住建部门统计数据，2017年以来，水源地上游的乡镇污水处理设施从25处增加到106处，日处理能力从2.85万t增加到10.94万t，说明水源地上游流域的生活污水逐步得到有效处理。高锰酸盐指数年均浓度呈逐年上升趋势，高锰酸盐指数作为有机污染物的重要指标，说明加强水源上游流域内的有机污染物来源调查，是今后罗江库区水源保护的重要工作。

3 结 论

3.1 依据罗江库区水源地10年监测数据，采用主成分分析法，提取到4个主成分，进一步计算主成分综合得分，得出罗江库区水源地2012年水质最好，2011年水质最差，总体水质呈改善、向好趋势。

3.2 根据主成分分析结果，得出影响罗江库区水源地水质的主要因子是BOD5、硫酸盐、氯化物、高锰酸盐指数和粪大肠菌群，进一步分析主要因子年均浓度趋势，得出五日生化需氧量基本稳定，粪大肠菌群、硫酸盐、氯化物基本呈下降趋势，高锰酸盐指数呈逐年上升趋势。

3.3 高锰酸盐指数是地表水有机污染的重要指标，主要来源于农业面源、畜禽养殖。建议推广测土配方技术，实施化肥、农药零增长行动，加强水源地上游养殖场管控，加大执法力度，严肃查处影响水源的违法行为，持续改善水源地水质。