曾慶慧，秦麗歡，程 鵬，李敘勇，賈東民，潘軻旻

（1：中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京100085）（2：中國科學院大學，北京100049）（3：北京市密云水庫管理處，北京101512）

1990年以來北京密云水庫主要水環(huán)境因子時空分布特征?

曾慶慧1，2，秦麗歡1，2，程 鵬1，2，李敘勇1??，賈東民3，潘軻旻3

（1：中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京100085）（2：中國科學院大學，北京100049）（3：北京市密云水庫管理處，北京101512）

根據1990-2011年密云水庫共12個監(jiān)測點的月監(jiān)測資料，采用聚類分析研究各監(jiān)測點水環(huán)境相似性及空間分布特征，采用因子分析識別影響水質的主要因子并評價各采樣點的綜合水質.通過絕對主成分多元回歸分析，獲得汛期和非汛期各因子對各水質指標的貢獻率.利用季節(jié)性Kendall檢驗及流量調節(jié)檢驗對密云水庫庫區(qū)水化學特征和水質狀況時空分布特征進行了研究.結果表明：汛期水質主要受到農業(yè)營養(yǎng)物質的影響，其次為生物化學因素和有機物的影響.非汛期水質主要受到農牧業(yè)排放因素的影響，其次為人類活動和生物化學因素的影響.因子得分綜合評價顯示，汛期辛莊橋、內湖和大關橋綜合水質較差，潮河、庫西和白河綜合水質較好.非汛期辛莊橋、石佛橋和大關橋綜合水質較差，庫東、套里和恒河綜合水質較好.主要水質指標的年際變化規(guī)律不同，但最終都趨于平穩(wěn).與潮河、白河入庫水質變化相比，庫區(qū)水質變化趨勢較小，上游入庫水質和庫區(qū)水質都整體趨好.除白河入庫的總氮和總磷外，其他監(jiān)測指標的變化趨勢經流量調節(jié)前后基本一致，表明流量并不是引起水質趨勢變化的主要因素，水質的變化主要是由于污染源變化而引起.

密云水庫；聚類分析；因子分析；絕對主成分多元回歸分析；季節(jié)性Kendall分析

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?國家水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07203010-1）資助.2015-11-06收稿；2016-03-16收修改稿.曾慶慧（1990～），女，博士研究生；E-mail：qhzeng1990＠126.com.

??通信作者；E-mail：xyli＠rcees.ac.cn.

密云水庫（40°30′N，116°56′E）是北京市城市生活用水的主要地表水源，位于北京市中心東北約100 km的密云縣，是一個山谷型的半封閉型的水庫，它是潮白河水系上最大的水庫，全庫最大蓄水量43.75×108m3，相應水面面積188 km2，最大水深43.5 m［1-3］.近年密云水庫開展了多項水華防治工作，但由于水庫蓄水量的大幅減少，水質已面臨富營養(yǎng)化的威脅，水庫部分區(qū)域已出現(xiàn)富營養(yǎng)化的征兆［4-5］.充足的營養(yǎng)物質是發(fā)生富營養(yǎng)化的必要條件，因此，對密云水庫的水質狀況進行評價分析，對于控制水體富營養(yǎng)化、為庫區(qū)水資源保護提供科學依據有十分重要的意義.

目前，我國已開展了大量的水質監(jiān)測工作，然而由于水體中的物理化學過程復雜，使水環(huán)境問題診斷和識別非常困難［6］.將主成分分析、因子分析等多元統(tǒng)計方法應用于河流、湖泊、地下水等環(huán)境領域，可以更好地說明水質的時空變化規(guī)律，在國內外的水質評價與分析中已得到廣泛的應用［7-8］.密云水庫水環(huán)境質量已經引起國內外學者的廣泛關注，相繼開展了密云水庫水體的地球化學特征［9］、密云水庫東西庫區(qū)的水質與浮游藻類分析［10］、密云水庫總磷的富營養(yǎng)化分析與預測［11］、密云水庫中氮分布及遷移影響因素研究［12］等研究.但是利用多元統(tǒng)計方法，對密云水庫近22年的水質變化進行系統(tǒng)、詳細的評價研究還不多見.

本文運用多元統(tǒng)計方法中的聚類分析對1990-2011年密云水庫庫區(qū)內共12個監(jiān)測點（圖1，1大關橋、2辛莊橋、3內湖、4石佛橋、5白河、6庫西、7庫東、8套里、9恒河、10潮河、11水源九廠、12金溝）進行聚類研究，分析密云水庫庫區(qū)監(jiān)測點的水質現(xiàn)狀、各監(jiān)測點水環(huán)境相似性及空間分布特征.運用因子分析和絕對主成分多元回歸分析法識別影響水質的主要因子及各因子對水質指標的貢獻率.此外，由于水質檢測指標的濃度受水量多少的直接影響，而不同季節(jié)的河流徑流量存在著季節(jié)性周期變化，因此不同季節(jié)的水質資料缺乏直接可比性［13］，本文選取屬非參數檢驗方法的季節(jié)性Kendall檢驗及流量調節(jié)檢驗法分析歷年相同月份的水質資料，研究了各水質指標的時間分布特征.旨在客觀評估密云水庫庫區(qū)水質現(xiàn)狀，為日后有效的進行水資源管理和改善治理提供科學依據.

圖1 密云水庫監(jiān)測點位示意Fig.1 Water quality monitoring sites in Miyun Reservoir

1 數據來源與分析方法

1.1 數據來源

本研究所用數據集合為1990-2011年密云水庫庫區(qū)內共12個監(jiān)測點的月監(jiān)測數據，每個監(jiān)測點監(jiān)測9個水質參數，包括：pH、電導率、濁度、氯化物、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、硝酸鹽氮、總氮.所有監(jiān)測點所采用的水質數據均來源于密云水庫管理處，采樣和測試均符合國家水文水質監(jiān)測標準.采用SPSS 19軟件及美國地質調查局（USGS）開發(fā)的季節(jié)性Kendall檢驗程序進行分析.

1.2 數據分析與處理

1.2.1 聚類分析 考慮到不同水質指標之間存在數量級和單位的差異，首先對數據進行標準化.利用SPSS 19軟件對1990-2011年庫區(qū)內12個監(jiān)測點（圖1）進行聚類分析.方法為系統(tǒng)聚類法，選擇組間聯(lián)接的聚類方法，親疏程度的計算選用平方Euclidean距離作為度量標準，使水質特征相似的監(jiān)測點聚成一類.

1.2.2 因子分析 本文將水質數據按汛期和非汛期分類后進行因子分析，因子載荷矩陣采用主成分分析法提取特征值，采用特征值是否大于1作為判別依據，提取主成分.為了使因子的含義更加清晰使之更具有命名解釋性，采用方差最大法對因子載荷矩陣實行正交旋轉［14］，按第一因子降序的順序輸出旋轉后的因子載荷，分別提取出汛期和非汛期對水質有主要影響的因子.根據因子得分系數矩陣可以分別得出每個因子的得分函數，并由因子得分函數計算出每個監(jiān)測點各因子得分.再根據每個因子的方差貢獻率和各監(jiān)測點的因子得分可計算出監(jiān)測點的因子綜合得分，詳細計算方法參見文獻［15-16］.

1.2.3 絕對主成分多元回歸分析（APCS-MLR） APCS-MLR是一種基于因子得分，評價各個因子對各個變量貢獻的統(tǒng)計方法［17］.其原理是以絕對因子得分為自變量，污染物濃度為因變量進行多元線性回歸.回歸方程的系數可以將因子得分換算為各個污染源的污染物質量貢獻濃度［18-20］.APCS-MLR可用于量化河流水體的污染源貢獻率，進而推導每個識別的主因子的來源及貢獻率［21-24］，具體公式參見已有研究［21，25］.本文采用絕對主成分多元線性回歸分析法確定各影響因子對各水質指標的貢獻率，量化分析污染源對不同水質指標的影響程度.

1.2.4 季節(jié)性Kendall檢驗及流量調節(jié)檢驗 季節(jié)性Kendall檢驗將歷年相同月份的水質資料進行比較，只考慮數據相對排列而不考慮其大小，其主要優(yōu)點是避免了季節(jié)性的影響，同時不受水質資料的非正態(tài)性、季節(jié)性變化、流量相關、出現(xiàn)漏測值或小于檢測限值等的影響［26-27］.檢驗原理及具體模型詳見文獻［26，28］.根據模型要求，水質序列過短無法準確判斷是否存在趨勢，而水質序列過長會導致趨勢被掩蓋或抵消，檢驗年數一般不小于5年，不大于12年［29］.因此，本文選取2004-2011年共8年的逐月監(jiān)測數據進行水質趨勢分析，分析參數包括總氮、總磷、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量.

一般情況下，水質變化還受到降雨、徑流、人類活動等多種因素的影響，為了判斷水質變化是由流量因素造成的還是由污染源變化造成的，還需進行季節(jié)性Kendall流量調節(jié)檢驗［30］.由于庫東的流量數據不完整，本文只對白河入庫和潮河入庫2個監(jiān)測點的監(jiān)測指標進行季節(jié)性Kendall流量調節(jié)檢驗.本文季節(jié)性Kendall檢驗及流量調節(jié)檢驗采用美國地質調查局（USGS）開發(fā)的季節(jié)性Kendall檢驗程序.

2 結果與討論

2.1 水質總體特征

密云水庫12個監(jiān)測點1990-2011年間水質參數的相關關系矩陣及水質監(jiān)測總體特征可以看出，密云水庫庫區(qū)水質基本滿足生活飲用水衛(wèi)生要求（表1）.除濁度外，其他監(jiān)測指標的變異系數均小于100%，說明監(jiān)測指標都沒有很強時空差異性.其中pH、電導率、氯化物、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量的變異系數小于20%，說明其時空變異性小，濃度相對穩(wěn)定.氨氮、硝酸鹽氮和總氮的變異系數介于40%～100%之間，顯示出中等變異性，說明濃度具有一定的離散性.濁度的變異系數大于100%，說明濁度受人為影響很大，具有強變異性.除了總氮以外，其他指標均符合GB 3838-2002水質評價標準Ⅱ類標準.

2.2 水質空間分布特征

聚類分析的結果見圖2，以距離10為基準，可將全部監(jiān)測點分為3類，第一類包括：1大關橋、3內湖、5白河、6庫西、7庫東、8套里、9恒河、10潮河、11水源九廠、12金溝，第一類水體主要分布于密云水庫庫區(qū)內部，水質狀況相對較好.第二類水體為4石佛橋，是密云水庫上游白河入庫監(jiān)測點之一.第三類水體為2辛莊橋，辛莊橋是密云水庫上游潮河入庫監(jiān)測點.第二類和第三類監(jiān)測點分別位于白河和潮河入庫上游處，水質較第一類差.已有研究表明，密云水庫河流入庫處沉積物的總氮、總磷濃度較高，這可能是由于河流攜帶的營養(yǎng)物質在入庫處發(fā)生沉積［31］，因此水質較庫區(qū)內差.其中，大關橋是白河入庫口，與庫區(qū)監(jiān)測點分為一類，這是由于白河流域人類活動和農業(yè)集約化程度遠低于潮河流域，潛在非點源污染較潮河流域少［32］.白河流域水質明顯優(yōu)于潮河流域，大關橋的各項水質指標更接近庫區(qū)內部因而分在第一類中.

表1 1990-2011年密云水庫水質參數相關系數矩陣及統(tǒng)計描述_Tab.1 Correlations and statistic description of water quality parameters in Miyun Reservoir during 1990-2011_

2.3 水環(huán)境因子空間綜合評價

根據檢驗結果，汛期和非汛期的巴特利特球度檢驗（Bartlett test of sphericity）統(tǒng)計量的相應概率都為0.000＜0.05，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）值都介于0.5～0.7之間，表明數據具有一定的相關性，比較適合做因子分析［20］.汛期和非汛期因子載荷矩陣和因子得分系數矩陣分別見表2和表3.

由旋轉后因子載荷可知，汛期主成分分析中共提取了3個特征值大于1的公因子，累計貢獻率達到93.93%（表2）.因子1與氯化物、電導率、氨氮、總氮、硝酸鹽氮、濁度呈正相關，主要反映了農業(yè)營養(yǎng)物質對水體的影響，這部分因素的方差貢獻率占44.61%.因子2與pH呈負相關，與五日生化需氧量呈正相關，方差貢獻率占32.75%，主要是水體內生物化學因素的影響［33］.因子3與高錳酸鹽指數呈高度正相關，主要與化學需氧量有關，此類主要反映了與有機物相關的因素對水質的影響，方差貢獻率占16.57%.3個因子共解釋了93.93%的水質變異，剩余因子的貢獻率僅為6.07%.

圖2 1990-2011年密云水庫監(jiān)測點聚類分析結果Fig.2 Cluster analysis result of water quality monitoring sites in Miyun Reservoir during 1990-2011

由旋轉后因子載荷可知，非汛期主成分分析中共提取了3個特征值大于1的公因子，累計貢獻率達到92.52%（表3）.因子1主要與電導率、硝酸鹽氮、總氮呈正相關，與高錳酸鹽指數呈負相關，該主成分主要反映了農牧業(yè)排放引起的污染，這部分因素的方差貢獻率占37.70%.因子2方差貢獻率占29.57%，其中氨氮和濁度占有較高的因子載荷，主要反映了人類活動所產生的污染.因子3與五日生化需氧量呈正相關，與pH呈負相關，方差貢獻率占25.24%，主要是水體內生物化學因素的影響［33］.3個因子共解釋了92.52%的水質變異，剩余因子的貢獻率僅為7.48%.

本文通過APCS-MLR進一步計算了汛期和非汛期不同影響因子對各水質指標的貢獻率，結果表明汛期密云水庫庫區(qū)水質主要受到農業(yè)營養(yǎng)物質的影響，其次為水體內生物化學因素和有機物的影響.農業(yè)營養(yǎng)物質主要影響氯化物、電導率、氨氮、總氮和硝酸鹽氮，其貢獻率分別為91.3%、85.2%、84.9%、71.2%和66.7%.生物化學因素主要影響五日生化需氧量、硝酸鹽氮、總氮和濁度，其貢獻率分別為76.3%、64.1%、60.3%和57.2%.有機物影響因素對高錳酸鹽指數的貢獻率達到了93.4%，對五日生化需氧量的貢獻率為

56.3%（表2）.非汛期密云水庫庫區(qū)水質主要受到農牧業(yè)排放因素的影響，其次為人類活動因素和水體生物化學因素的影響.農牧業(yè)排放因素主要影響電導率、硝酸鹽氮和總氮，貢獻率分別為87.7%、75.4%和70.6%.人類活動主要影響氨氮和濁度，貢獻率分別為91.8%和84.4%.生物化學因素主要影響五日生化需氧量、總氮和硝酸鹽氮，貢獻率分別為88.4%、52.7%和48.6%（表3）.

表2 1990-2011年汛期旋轉后因子載荷、因子得分系數矩陣及污染源貢獻率Tab.2 Rotated component matrix，component score matrix and contribution of pollutant sources in flood season during 1990-2011

表3 1990-2011年非汛期旋轉后因子載荷、因子得分系數矩陣及污染源貢獻率Tab.3 Rotated component matrix，component score matrix and contribution of pollutant sources in non-flood season during 1990-2011

每個監(jiān)測點的因子得分及綜合得分結果見表4.經過標準化處理的數據，因子得分的均值為0，標準差為1，正值表示高于平均水平，負值表示低于平均水平.汛期辛莊橋、石佛橋和金溝在因子1上的得分較高，分別為2.50、1.16和0.56（表4），說明這幾個監(jiān)測點的水質在汛期受到農業(yè)營養(yǎng)物質的影響較大.因子2得分較高的監(jiān)測點依次為大關橋、內湖和恒河，其得分分別為1.47、0.71和0.70，表明這幾個監(jiān)測點主要受水體內生物化學因素的影響.因子3得分較高的監(jiān)測點依次為金溝、水源九廠和內湖，其得分分別為1.87、1.79和0.49，表明這幾個監(jiān)測點的有機物污染相對嚴重.綜合得分最高的前三名依次是辛莊橋、內湖和大關橋.

辛莊橋是密云水庫上游潮河入庫監(jiān)測點，大關橋是密云水庫上游白河入庫監(jiān)測點，汛期由于徑流沖刷，使得上游污染物進入水體，因而這2類監(jiān)測點的綜合因子得分較庫區(qū)高.內湖水體與主庫區(qū)水體有一窄壩相隔，當水位低于150 m時，通過側滲、擴散等途徑與主庫區(qū)水發(fā)生物質交換，內湖水體由于流動性差，水質總體較主庫區(qū)水質差，達到富營養(yǎng)化水平［34］.在汛期，庫區(qū)內的潮河、庫西和白河監(jiān)測點綜合水質較好.

非汛期石佛橋、辛莊橋和水源九廠在因子1上得分較高，分別為2.08、1.45和0.44，說明這幾個監(jiān)測點的水質在非汛期主要受農牧業(yè)排放因素的影響.因子2得分較高的監(jiān)測點依次為金溝、辛莊橋和內湖，其得分分別為1.97、1.78和0.67，表明這幾個監(jiān)測點的水質主要受人類活動產生的影響.因子3得分較高的監(jiān)測點依次為大關橋、辛莊橋和內湖，其得分分別為1.49、1.28和1.14，其中，大關橋和內湖在汛期和非汛期都受到水體內生物化學因素的影響.綜合得分最高的前三名依次是辛莊橋、石佛橋和大關橋，這3個監(jiān)測點分別位于密云水庫上游潮河入庫和白河入庫，綜合水質相對較差.在非汛期，庫區(qū)內庫東、套里和恒河監(jiān)的綜合水質較好.

表4 監(jiān)測點污染情況綜合評分Tab.4 Comprehensive score of monitoring sites contamination

2.4 水質時間分布特征

根據密云水庫管理處的水質監(jiān)測數據和聚類分析結果，選取白河入庫（大關橋）、潮河入庫（辛莊橋）作為入庫水質監(jiān)測點，庫西、庫東和內湖作為庫區(qū)水質的代表性監(jiān)測點，水源九廠為出庫水質監(jiān)測點，對密云水庫1990-2011年共22年的水質年際變化進行分析.

除內湖以外，其余5個監(jiān)測點高錳酸鹽指數的變化趨勢基本一致（圖3a）.1991-1995年呈上升趨勢，后緩慢下降，趨于平緩，2000-2004年間內湖水體中的高錳酸鹽指數出現(xiàn)大幅上升，明顯高于其他監(jiān)測點.劉曉端等于2001年對密云水庫的營養(yǎng)狀況進行調研，發(fā)現(xiàn)密云水庫主庫區(qū)水體呈中營養(yǎng)化，而內湖水體呈富營養(yǎng)化［34］，這可能是由于早期在內湖進行網箱養(yǎng)魚投餌和魚類糞便的積累所導致的水質惡化引起的［35］.

1990-2002年間，各監(jiān)測點五日生化需氧量的變化趨勢不同且年際波動較大（圖3b）.2003年以后，6個監(jiān)測點五日生化需氧量的變化趨勢一致：在2005年同時出現(xiàn)一個高峰，之后迅速回落，2006年以后一直保持平穩(wěn).這可能是由于2006年以后，北京市和河北在潮白河流域實施“稻改旱”工程［32］，有效減少了上游五日生化需氧量，同時有效減少了庫區(qū)濃度.此外，內湖監(jiān)測點近年來有略微上升的趨勢，有污染的潛在風險，還需進一步加強管理.

1996年以前，各監(jiān)測點總磷濃度呈現(xiàn)波動上漲，1996-2000年各監(jiān)測點總磷濃度迅速回落（圖3c）.根據水文頻率分析（皮爾遜3型曲線法）判斷，2002年為相對枯水年［36］，上游來水量較低，潮白河入庫總磷濃度也相對較低.2004年為相對豐水年［37］，隨著上游徑流量的增加，潮白河入庫的總磷濃度同時出現(xiàn)一個小高峰.這主要是由于密云水庫中94%的總磷是通過上游河流來水帶入水庫中，并且主要為顆粒態(tài)磷在降水

驅動下隨上游徑流攜帶的泥沙進入水體，因此上游河流輸入對庫區(qū)總磷滯留占最主要的貢獻［38］.2000年以后，潮河入庫、白河入庫和內湖的總磷濃度出現(xiàn)小幅波動但最終濃度降低到和庫區(qū)內一致，庫區(qū)內總磷濃度基本保持平穩(wěn).這可能是由于該流域加強管理措施和治理力度，使得入庫徑流中總磷濃度減少，因而庫區(qū)水質得以好轉［39］.此外，2006年開始的“稻改旱”工程和2008年開始的水華防治工程在控磷方面也顯示出顯著的效果.

潮河入庫的總氮濃度呈明顯增加的趨勢，總氮濃度均值約為4 mg／L（圖3d）.白河入庫總氮濃度一直小幅上漲，自1999年后大約為2 mg／L.庫區(qū)內監(jiān)測點的總氮濃度基本保持穩(wěn)定，近20年來基本維持在1 mg／L附近.研究發(fā)現(xiàn)，密云水庫主要入庫河段總氮濃度的變化規(guī)律與硝態(tài)氮濃度類似［40］，表明總氮的增加主要是受硝態(tài)氮增加的影響.密云水庫上游尤其是潮河流域地下水硝態(tài)氮污染嚴重［41］，硝態(tài)氮隨著降水和灌溉等淋溶作用進入地下水，再補給到河流，可能是潮河入庫總氮濃度偏高的主要原因［32］.

圖3 1990-2011年密云水庫主要水質指標年際變化Fig.3 Interannual variation of main water quality index in Miyun Reservoir during 1990-2011

2.5 季節(jié)性Kendall檢驗

季節(jié)性Kendall濃度檢驗結果見表5.檢驗統(tǒng)計量S為“一致對數”P（隨時間增長后面的值高于前面的值）與“不一致對數”M（隨時間的增長后面的值低于前面的值）的差值.Z為標準方差，通常取顯著性水平α為0.1和0.01，當α≤0.01時，｜Z｜＞2.567，說明檢驗具有高度顯著性水平；當0.01＜α≤0.1時，1.645＜｜Z｜＜2.567，說明檢驗效果顯著.τ為相關系數，若τ為正，則表明水質序列具有顯著或高度顯著上升趨勢；若τ為負，說明水質序列趨勢是下降的；當τ為零時，表明無趨勢［42-43］.白河入庫段總磷濃度和高錳酸鹽指數無明顯升降趨勢，總氮濃度顯著上升，五日生化需氧量高度顯著下降.潮河入庫段總氮濃度高度顯著上升，總磷濃度高度顯著下降，高錳酸鹽指數無明顯升降趨勢，五日生化需氧量顯著下降.庫東總氮濃度、總磷濃度和高錳酸鹽指數均無明顯升降趨勢，五日生化需氧量顯著下降.與潮白河入庫水質變化相比，庫區(qū)水質變化趨勢較小，這可能是因為庫區(qū)蓄水量大，對入庫水質指標起到了稀釋的作用，因而濃度變化不大.密云水庫的總氮主要來自潮河流域［44］，這是因為潮河流域人口密度大，農業(yè)集約化程度高，降雨徑流的沖刷使得大量化

肥和禽畜糞便流失匯入河道，最終進入水庫［45］.另一方面，總氮濃度在潮河入庫處呈上升趨勢，而在庫區(qū)內無明顯升降趨勢，除了稀釋的原因外還可能是因為庫區(qū)內水體具有一定的自凈作用，因而即便入庫處濃度呈上升趨勢庫區(qū)內的總氮濃度仍能維持穩(wěn)定.3個監(jiān)測點的高錳酸鹽指數都無明顯升降趨勢，這說明目前密云水庫水污染防治和水資源保護工作控制的較好，可繼續(xù)維持或進一步加強治理.白河入庫的五日生化需氧量呈高度顯著下降趨勢，潮河入庫和庫東的五日生化需氧量呈顯著下降趨勢，說明密云水庫水質無論是上游入庫還是庫區(qū)都整體趨好.

表5 季節(jié)性Kendall濃度檢驗結果Tab.5 Results of seasonal Kendall concentration analysis

雖然季節(jié)性Kendall檢驗的結果可以反映某個水質指標的升降結果及數據符合該升降趨勢的程度，但無法反映所判斷趨勢的大小，還需通過季節(jié)性Kendall斜率r進一步分析［30］.其中，潮河入庫總氮濃度的上升速率最快，平均每年上升0.3025 mg／L.其次是白河入庫和庫東，平均每年分別上升0.0583和0.0233 mg／L.潮河入庫的總磷濃度平均每年下降0.0051 mg／L，白河入庫和庫東的總磷濃度都無明顯升降.3個監(jiān)測點的高錳酸鹽指數都無明顯升降趨勢.由于季節(jié)性Kendall檢驗法最終得到的是一個多年的趨勢分析結果，而沒有反映中間的升降過程，如監(jiān)測指標在某一季節(jié)（或月份）表現(xiàn)為上升趨勢，而另一季節(jié)（或月份）表現(xiàn)為下降趨勢，則相互抵消后最終分析結果也有可能為無明顯升降趨勢［30］.白河入庫的五日生化需氧量下降速率最快，平均每年下降0.040 mg／L.其次是庫東和潮河入庫，平均每年分別下降0.025和0.020 mg／L.

2004-2011年潮、白河入庫監(jiān)測點水環(huán)境因子濃度與流量的關系見圖4.一般而言，對于點源污染物，隨著流量的增加，由于稀釋作用濃度會降低.對于非點源污染物，在汛期當遇到普通降雨時，僅有部分非點源污染物進入河流，其濃度可能小于河道本身濃度，從而起到稀釋作用.當遇到大暴雨時，隨著流量的快速增加，大量非點源物質遷移到水體中，使得濃度增加［32］.其中，對于白河入庫監(jiān)測點，高錳酸鹽指數隨著流量的增加而增加，說明高錳酸鹽指數主要來自于非點源污染.隨著流量的增大，總氮、總磷和五日生化需氧量濃度都沒有明顯增高，說明白河流域這3個指標的潛在非點源污染較少.對于潮河而言，隨著流量的增加，總氮、總磷、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量的濃度都增大，其中總氮和高錳酸鹽指數對流量的變化最為敏感.由于潮河流域人類活動和農業(yè)集約化程度遠高于白河流域，使得水分利用、點源排放、農田面積和化肥使用都遠遠高于白河流域，因而潮河流域對流量的變化更加敏感，潮河流域的潛在非點源污染較白河流域多［32］.潮、白河入庫的其他監(jiān)測指標均不符合隨流量增加濃度降低的規(guī)律，因而可以判斷水環(huán)境指標濃度的變化主要是非點源作用的結果.

為了判斷造成水質變化的原因，對各監(jiān)測指標進一步進行了季節(jié)性Kendall流量調節(jié)檢驗，結果見表6.其中r2為反映流量和污染物濃度相關關系的參數.比較表5和表6可以發(fā)現(xiàn)，除白河入庫的總氮和總磷外，其他監(jiān)測指標的變化趨勢經流量調節(jié)前后基本一致，表明流量并不是引起水質趨勢變化的主要因素，水質的變化主要是由于污染源變化而引起.白河入庫和潮河入庫的總氮濃度均呈高度顯著上升趨勢，表明來源

有所增加.高錳酸鹽指數無明顯升降.總磷和五日生化需氧量呈顯著或高度顯著下降趨勢，表明來源有所減少.

圖4 2004-2011年潮、白河入庫監(jiān)測點水環(huán)境因子濃度與流量的關系Fig.4 The relationships between pollutant concentrations and the flow in water quality monitoring sites in Chaohe and Baihe rivers during 2004-2011

表6 季節(jié)性Kendall流量調節(jié)濃度檢驗結果Tab.6 Results of flow regulated seasonal Kendall concentration analysis

3 結論

1）汛期密云水庫庫區(qū)水質主要受到農業(yè)營養(yǎng)物質的影響，其次為水體內生物化學因素和有機物的影響.農業(yè)營養(yǎng)物質主要影響氯化物、電導率、氨氮、總氮和硝酸鹽氮.生物化學因素主要影響五日生化需氧量、硝酸鹽氮、總氮和濁度.有機物影響因素主要影響高錳酸鹽指數和五日生化需氧量.非汛期密云水庫庫

區(qū)水質主要受到農牧業(yè)排放因素的影響，其次為人類活動因素和水體生物化學因素的影響.農牧業(yè)排放因素主要影響電導率、硝酸鹽氮和總氮.人類活動主要影響氨氮和濁度，生物化學因素主要影響五日生化需氧量、總氮和硝酸鹽氮.因子得分綜合評價顯示汛期辛莊橋、內湖和大關橋綜合水質較差，潮河、庫西和白河綜合水質較好.非汛期辛莊橋、石佛橋和大關橋綜合水質較差，庫東、套里和恒河綜合水質較好.

2）1990-2011年密云水庫主要水質指標年際變化表明：高錳酸鹽指數（除內湖外）1991-1995年呈上升趨勢，后緩慢下降，趨于平緩.1990-2002年間，各監(jiān)測點五日生化需氧量變化趨勢不同且年際波動較大. 2003年以后，所有監(jiān)測點五日生化需氧量的變化趨勢逐漸一致，在2005年同時出現(xiàn)一個高峰，之后迅速回落，并保持平穩(wěn).1996年以前，各監(jiān)測點總磷濃度呈現(xiàn)波動上漲，1996年后迅速回落并逐漸趨向平穩(wěn).1990-2011年整個期間各監(jiān)測點總氮濃度基本保持穩(wěn)定，潮河入庫的總氮濃度明顯高于其他監(jiān)測點.總體上內湖水質污染較為嚴重，還需進一步加強管理.

3）季節(jié)性Kendall檢驗結果表明：白河入庫段的水質高錳酸鹽指數和總磷無明顯升降趨勢，總氮濃度顯著上升，五日生化需氧量高度顯著下降.潮河入庫段高錳酸鹽指數無明顯升降趨勢，總氮濃度高度顯著上升，總磷濃度高度顯著下降，五日生化需氧量顯著下降.庫東總氮、總磷和高錳酸鹽指數均無明顯升降趨勢，五日生化需氧量顯著下降.除白河入庫的總氮和總磷外，其他監(jiān)測指標的變化趨勢經流量調節(jié)前后基本一致，表明流量并不是引起水質趨勢變化的主要因素，水質的變化主要是由于污染源變化而引起.

4 建議

1）近年來密云水庫水位持續(xù)下降，蓄水量減少使得水庫的納污能力和自凈能力明顯降低.2015年“南水北調”中線工程順利通水，來水經由密云水庫調蓄工程輸入密云水庫，同時減少密云水庫出庫水量，能提高密云水庫水位，改善低水位運行現(xiàn)狀，加強自身恢復能力.

2）源解析結果可知，農業(yè)營養(yǎng)物質排放對水質影響最大.應發(fā)展與水源保護相適應的生態(tài)農業(yè)，調整農業(yè)結構，轉變農業(yè)生產方式，合理調整產業(yè)布局，減少化肥農藥的使用，控制面源污染.

3）建立水庫周邊污水及垃圾處理設施，避免生活污水直接排入河道，提高企業(yè)污水處理能力，加強村鎮(zhèn)垃圾收集和無害化處理.

4）綜合水質分析結果表明，無論汛期還是非汛期潮、白河入庫監(jiān)測點的綜合水質都較差.要加強潮、白河入庫口生態(tài)濕地建設和保護，充分發(fā)揮水生植物的水質凈化功能，減少上游污染輸入.

5）庫區(qū)實行封閉管理，減少生產建設和旅游等人類活動的影響.在河岸帶種植可有效截留降雨地表徑流的植被，減少徑流污染物進入河道.

6）建立智能水庫管理系統(tǒng).以已有監(jiān)測數據為基礎，充分利用信息化技術和數學模型，構建密云水庫流域水環(huán)境安全保障平臺，進行洪水預報、水質安全及富營養(yǎng)化預警和生物預警.增強決策的科學性和預見性，提高水庫的應急反應和處置能力.

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Spatial and temporal distribution of main aquatic environment factors in Miyun Reservoir，Beijing since 1990s

ZENG Qinghui1，2，QIN Lihuan1，2，CHENG Peng1，2，LI Xuyong1??，JIA Dongmin3&PAN Kemin3
（1：State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco?Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，P.R.China）（2：University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，P.R.China）（3：Miyun Reservoir Administration of Beijing，Beijing 101512，P.R.China）

Monthly monitoring data of totally 12 monitoring sites in Miyun Reservoir from 1990 to 2011 were collected.Cluster analysis was used to analyze the spatial distribution of hydrogeochemical characteristics of these sites.Factor analysis was used to identify the main factors affecting water quality and evaluate the comprehensive water quality of each monitoring site.The multivariate linear regression of the absolute principal component scores（APCS-MLR）was employed to quantify the contribution rate of each factor on water quality indicators in both flood and non-flood seasons.The results indicated that：water quality was mainly affected by agricultural nutrients，biochemical factor and organics in flood season.While in non-flood season it was mainly affected by farming and husbandry emissions，human activities and biochemical factors.Factor score evaluation showed that the comprehensive water quality of Xinzhuangqiao，Neihu and Kudong were worse and that of Chaohe，Kuxi and Baihe were better in flood season.In nonflood season，the comprehensive water quality of Xinzhuangqiao，Shifoqiao and Daguanqiao were worse and that of Kudong，Taoli and Henghe were better.The interannual trends of main water quality pollutants were different，but all leveled off eventually.Water quality changed less in the reservoir compared with water quality coming from Chaohe and Baihe.Water quality of both reservoir and watershed was getting better.Changing trend of water quality indicators were basically the same before and after flow control test except for TN and TP in Baihe.It indicated that the main factor causing water quality changes was not flow but pollution source

Miyun Reservoir；cluster analysis；factor analysis；APCS-MLR；seasonal Kendall analysis

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?2016 by Journal of Lake Sciences