西北某市供水工程水环境质量变化分析

韩新盛，何康丽，王旭乾，宋 云，杨宏娟

（1.中铁水务集团有限公司,陕西 西安 710000；2.银川中铁水务集团有限公司,宁夏 银川 750021）

0 引言

地表水环境污染已成为全球关注的问题之一[1]。水环境质量评价是水资源可持续利用的基础,是制定生态管理、治理决策的依据,也是生态文明建设的重要抓手[1-2]。对水环境质量评价的方法比较多,常用的有：单因子评价法[3]、主成分分析法[4]、综合污染指数法[5]、模糊数学评价法[6]和水污染指数法[7]等,其中综合污染指数法应用较为广泛[8]。

2019 年底开始,西北某市居民生活用水以黄河水为水源,通过西线供水工程为西北某市三区供水。然而,根据实际监测情况表明黄河水中总氮、总磷等指标含量较高,容易引起水库富营养化,产生藻类、藻毒素、腐殖质及微量有机物等,严重影响了用水的水质。

本研究以西线供水工程水体为研究对象,结合实际情况设置两个采样点,在2021 年～2022 年每月采集一次水样,然后采用水环境质量指数法和因子分析法对水质数据进行分析。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

为了解决西北某市都市圈内水资源总量不足、地下水超采形成漏斗、城乡规划建设与水源地保护矛盾突出、城市单一水源存在供水安全风险、农村供水水源分散、部分水质不达标且供水保证率低等问题,建设以黄河为水源的西北某市供水工程。工程是集黄河取水泵站、远距离大口径输水管道、平原型水库、黄河水深度处理净水厂和上百公里的城市输水管道于一体的供水工程。一期工程总投资75 亿元,于2019年12 月底实现了为西北某市三区180 万人口供水,到2022年6 月已实现为西北某市三区两县265 万城乡居民提供生活用水。

1.2 采样点设置和水样采集

由于输水管道是埋于地下的管涵,水库属于保护单位,且没有动力船,故只在取水泵站前池和水库的取水口设置2个采样点（见图1）。按照《地表水和污水监测技术及规范》（HJ/T 91-2002）[9]中的要求,2021 年～2022 年每月采集一次水样。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）[10]中的方法,测定水样的高锰酸盐指数、总磷、氨氮、化学需氧量、溶解氧、五日生化需氧量、总氮和硝酸盐氮含量。

图1 研究区域及采样点分布图

1.3 评价方法

（1）水环境质量指数

水环境质量指数（Water environmental quality index,WEQI）是水环境质量评价中水环境质量优劣的数量尺度,能够反映研究区内水体的水质综合状况和综合营养状态[11]。WEQI 的计算见式（1）[1]。水环境质量状况越差,具体分级情况见表1。

表1 水环境质量分级表

式中：WQI 为水质综合状况指数；TLI 为水体综合营养状态指数。

WQI 的计算公式见文献[1],分级情况见表2。

表2 水环境质量分级表

TLI 的计算见公式（2）,其分级见文献[12]。

式中：Wj为第j项评价因子的营养状态指数的权重, 计算见式（3）[13]；TLIj为第j项评价因子的营养状态指数,计算见式（4）～式（6）。

式中：rlj为第j项评价因子的与叶绿素的相关系数,见文献[12]。

（2）因子分析法

因子分析（Factor Analysis, FA）通过研究众多变量之间的内部依赖关系,探求观测数据之间的基本结构,并用少数几个独立的不可观测变量 （因子）来表示其基本的数据结构。

计算基本步骤如下,详细计算公式见文献[14]。

①对数据样本进行标准化处理；

②计算样本的相关矩阵R；

③求相关矩阵R 的特征根和特征向量；

④根据系统要求的累积贡献率确定主因子的个数；

⑤计算因子载荷矩阵；

⑥确定因子模型；

⑦根据上述计算结果,对系统进行分析。

2 结果与分析

2.1 西线工程水环境质量变化

采样点的水质综合营养状态指数变化见图2。由图2 可知：①泵站和水库水体的TLI 值介于30 和50 之间,即处于中营养状态；②水库的水体分别有一次出现轻度营养状态和中度富营养状态,可能与水库水体流动性差有关。

图2 两个采样点不同时间的水质综合状况指数

（3）水体的水环境质量指数

由公式（1）计算出两个采样点的水环境质量指数见图3。由图3 可知：①大多数时间取水泵站和水库的水质属于中度污染；②取水泵站处出现重度污染的次数比水库多,说明泵站上游存在污染源,且对黄河水体的污染较大；③2021 年泵站处水质较差,基本上属于中度污染。而水库的水质则在2022 年较差,大部分时间处于中度污染状态；④泵站处水体大部分时间属于中度污染,而水库的水体属于轻度污染和中度污染的次数比较接近。可能因为泵站到水库的输水渠埋于地下,受外界影响较小,水流自身有一定的自净能力,因此水库的污染相对较轻。

图3 两个采样点不同时间的水环境质量指数

2.2 因子分析结果及分析

采用SPSS 25 软件对两个采样点的水样进行因子分析。计算的KMO 统计量大于最低标准0.5,巴特利特球形度检验的显著性小于0.05,结果表明这组数据适合进行因子分析。然后根据特征值大于1,进行主成分分析,两个采样点的结果分别如下：

（1）泵站处水体指标分析

2021 年～2022 年24 个水样因子分析的总方差解释见表3。根据特征值可判断,提取出3 个主因子。为了方便解释因子含义,需要进行因子旋转,旋转后的因子载荷值见表4。

表3 泵站处水质指标总方差解释表

表4 泵站处水质指标分析旋转后的成分矩阵

由表4 可知,第一个主因子包含总氮和硝酸盐氮；第二个主因子包含总磷和五日生化需氧量；第三个因子包含氨氮和高锰酸盐指数。

（2）水库水体指标分析

2021 年～2022 年24 个水样因子分析的总方差解释见表5,由特征值可知,提取出四个主因子。旋转后的因子载荷值见表6。

表5 水库水质指标总方差解释表

表6 水库水质指标分析旋转后的成分矩阵

由表6 可知,第一个主因子包含总氮和硝酸盐氮；第二个主因子包含总磷和溶解氧；第三个因子包含五日生化需氧量；第四个因子包含化学需氧量。

由因子分析可知,泵站和水库水质的主因子个数不同,主成分包含总氮、硝酸盐氮、总磷和五日生化需氧量,而泵站处主因子还包含氨氮和高锰酸盐指数,水库又包含了溶解氧和化学需氧量。这表明两处的水质有联系也有区别,而且由于水库水体的流动性较差,导致水库水体出现富营养化趋势,这与2.1 节中TLI 计算结果一致,即水库水体出现了中度和重度富营养化。

3 结论

本文以西北某市供水工程的水质为研究对象,在取水泵站和蓄水水库分别设置了采样点,于2021 和2022 年每月采集一次水样,并对水样进行了检测,测定了水样的高锰酸盐指数、总磷、氨氮、化学需氧量、溶解氧、五日生化需氧量、总氮和硝酸盐氮含量。采用水环境质量指数和因子分析方法对水质数据进行了分析。结果表明：①两个采样点水质基本处于中度污染状态；②由于受到上游污染源的影响,取水泵站处水质较水库差；③水库水体的流动性较差,导致水体出现富营养化趋势,一度出现了中度和重度富营养化。④由主因子分析结果看,取水泵站处和蓄水水库水体水质情况存在一定的关联性。但是,由于输水渠道较长且埋于地下,受外界影响较小,而且水库水体流动性差,因此两处的水质主因子存在差异。