邸琰茗1 白文榮1 郭逍宇2345

(1.北京市北運(yùn)河管理處，北京 101100;2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；3.三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；4.資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；5.北京市城市環(huán)境過(guò)程與數(shù)字模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

分析水源地水質(zhì)的時(shí)間變化特征、周期規(guī)律及影響因素，對(duì)了解水資源特性、開(kāi)發(fā)利用水資源具有重要意義[1]。密云水庫(kù)是北京市重要的地表飲用水水源地，上游入庫(kù)來(lái)水變化對(duì)其水質(zhì)水量有重要影響，長(zhǎng)期以來(lái)已有學(xué)者相繼對(duì)密云水庫(kù)流域水體開(kāi)展時(shí)空變異等相關(guān)研究：張微微等[2]對(duì)密云水庫(kù)流域內(nèi)地表水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明潮河流域總氮、總磷污染物質(zhì)對(duì)庫(kù)區(qū)的貢獻(xiàn)率大于白河流域；李東青等[3]通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)方法分析密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)的水質(zhì)時(shí)空變異，表明庫(kù)區(qū)21年間非汛期地下水補(bǔ)給過(guò)程中碳酸鹽巖的溶解作用影響水體化學(xué)特性，汛期降水徑流攜帶的污染物直接影響水質(zhì)狀況；于一雷[4]通過(guò)密云水庫(kù)上游河流水質(zhì)時(shí)空分布特征研究得出，水庫(kù)總氮和總磷的入庫(kù)負(fù)荷主要是來(lái)自潮河和白河，COD入庫(kù)負(fù)荷主要來(lái)自潮河和白河，且白河要高于潮河。前期研究主要基于多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)密云庫(kù)區(qū)流域水質(zhì)進(jìn)行水質(zhì)時(shí)空特征及污染源分析，有關(guān)密云庫(kù)區(qū)上游控制點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)序水質(zhì)時(shí)空變化的研究較少，特別是上游控制點(diǎn)在時(shí)間聚類基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行水質(zhì)空間變異規(guī)律的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本文主要針對(duì)密云水庫(kù)上游控制點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)序的水質(zhì)變化特征，進(jìn)一步研究在時(shí)間聚類基礎(chǔ)上的空間變異規(guī)律及污染源解析，為后期科學(xué)管理提供數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

多元統(tǒng)計(jì)分析中聚類分析(Cluster Analysis，CA)、判別分析(Discriminate Analysis，DA)和主成分/因子分析(Principal Component Analysis，PCA/Factor Analysis，F(xiàn)A)已廣泛應(yīng)用于近海海水、地下水及內(nèi)陸河湖的水質(zhì)時(shí)空變異研究。Hakan Arslan[5]利用多元統(tǒng)計(jì)方法，從時(shí)間和空間尺度上解析了土耳其Bafra平原近海區(qū)域影響水質(zhì)變化的污染源；K.P.Singh 等[6]在分析印度Gomti河流的水質(zhì)時(shí)空變異中綜合運(yùn)用了多元統(tǒng)計(jì)分析中的CA、DA和PCA方法，并發(fā)現(xiàn)這些分析方法能夠有利地分析水質(zhì)的時(shí)空變異性；F.Zhou等[7]在研究香港東部近海水質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，CA、DA和GIS技術(shù)結(jié)合具有研究海水水質(zhì)時(shí)空分布特征的能力。因此，本文選取密云水庫(kù)上游5個(gè)控制點(diǎn)為水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基于1990—2010年長(zhǎng)時(shí)序水質(zhì)數(shù)據(jù)評(píng)估水質(zhì)的總體特征，運(yùn)用聚類分析對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行年際聚類和年際基礎(chǔ)上的空間聚類，運(yùn)用判別分析剖析水質(zhì)在時(shí)間聚類基礎(chǔ)上的空間顯著指標(biāo)變異規(guī)律，最后運(yùn)用主成分分析重點(diǎn)解析不同年際尺度的空間水質(zhì)污染來(lái)源，可為密云水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究概況

1.1 確定研究指標(biāo)

密云水庫(kù)位于北京市密云區(qū)北部，潮河和白河是其最主要的入庫(kù)河流。其中潮河流域面積6296km2，平均人口密度147人/km2，白河流域面積8575km2，平均人口密度68人/km2，流域以山地、丘陵地貌為主。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫10.5℃，冷暖交替顯著，四季分明[5-6]。研究區(qū)的巖土體主要由巖漿巖類、變質(zhì)巖類、碎屑巖類、碳酸巖類以及第四紀(jì)系的卵礫石類土組成[7-8]。

1.2 研究方法

應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)方法中的系統(tǒng)聚類分析、判別分析和主成分分析對(duì)密云水庫(kù)上游控制點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各類統(tǒng)計(jì)方法由Excel 2007和SPSS19.0實(shí)現(xiàn)。

聚類分析方法是根據(jù)變量之間的親疏程度將性質(zhì)相似的對(duì)象結(jié)合在一起，本文對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行年際聚類和年際基礎(chǔ)上的空間聚類，用以分析水質(zhì)的時(shí)空變化的相似性和差異性[12]。判別分析常用于識(shí)別已知類別間具有顯著差異的變量，本文采取逐步判別方法，以年際聚類基礎(chǔ)上空間聚類結(jié)果為分組變量，各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)作為變量，進(jìn)入判別模型的最小F值是3.84，剔除模型的最大F值2.71用以識(shí)別影響水質(zhì)時(shí)空變異的顯著指標(biāo)。主成分分析法是一種既可以降低變量維數(shù)，又可以對(duì)變量進(jìn)行分類的方法，實(shí)質(zhì)是從多個(gè)實(shí)測(cè)的原變量中提取出少數(shù)互不相關(guān)的指標(biāo)因子，每個(gè)原變量可用這些提取出的公因子的線性組合表示，本文用該方法從復(fù)雜的原始數(shù)據(jù)矩陣中提取能夠解釋大部分方差貢獻(xiàn)的少數(shù)旋轉(zhuǎn)因子，用于提取不同年際尺度的空間水質(zhì)污染因子和識(shí)別污染源[13-15]。

2 研究結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)特征

表1 水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征及水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

2.2 流域水質(zhì)時(shí)空聚類判別污染源分析

2.2.1 水質(zhì)年際聚類

運(yùn)用聚類方法(CA)得出的密云庫(kù)區(qū)上游控制點(diǎn)水質(zhì)的年際聚類結(jié)果見(jiàn)圖1，在(Dlink/Dmax)×100<20處分為兩組，分別為年際聚類組Ⅰ(InterannualⅠ，IAⅠ)：1990—1995年，1997—1998年；年際聚類組Ⅱ(InterannualⅡ，IAⅡ)：1996年，1999—2004年，2006—2010年(由于2005年單獨(dú)聚為一類，故舍去)。聚類結(jié)果顯示：除1996年、2009年出現(xiàn)微小波動(dòng)外，上游入庫(kù)控制點(diǎn)水質(zhì)按照時(shí)間推移表現(xiàn)出有規(guī)律的年際變異特征。

圖1 水質(zhì)的年際聚類分析樹(shù)狀圖

2.2.2 不同年際尺度上空間聚類和判別

運(yùn)用聚類分析方法(CA)在不同年際尺度上做空間聚類，結(jié)果見(jiàn)圖2。在IAⅠ時(shí)期(1991—1995年，1997—1998年)尺度上空間聚類結(jié)果顯示：(Dlink/Dmax)×100<20處分為兩組，分別為空間聚類組Ⅰ，包括大關(guān)橋、辛莊橋、石佛橋、葡萄園橋；空間聚類組Ⅱ，包括水堡橋。表征水質(zhì)在IAⅠ時(shí)期具有空間差異性。在IAⅡ時(shí)期(1996年，1999—2004年，2006—2010年)尺度上空間聚類結(jié)果顯示：(Dlink/Dmax)×100<20處分為兩組，分別為空間聚類組Ⅰ，包括大關(guān)橋、辛莊橋、石佛橋；空間聚類組Ⅱ，包括葡萄園橋、水堡橋。橫向比較年際尺度上空間監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，葡萄園橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期水質(zhì)狀況不同，可能是由于在IAⅡ時(shí)期發(fā)生斷流現(xiàn)象和嚴(yán)重的河枯現(xiàn)象引起的。

圖2 年際尺度的空間點(diǎn)聚類結(jié)果

表2 年際尺度基礎(chǔ)的空間判別函數(shù)系數(shù)

不同年際尺度上表征水質(zhì)空間變異的箱圖見(jiàn)圖3。在IAⅠ時(shí)期，DⅠ(大關(guān)橋、辛莊橋、石佛橋)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的NO3-N指標(biāo)偏高主要是非點(diǎn)源影響；在IAⅡ時(shí)期，DⅡ(葡萄園橋)的EC、Ca2+、T-Alk、NO3-N指標(biāo)略偏高，主要是由于碳酸鹽的溶解沉淀，DⅢ(水堡橋)監(jiān)測(cè)點(diǎn)識(shí)別出的NO2-N濃度和TN偏高顯著，表明主要是亞硝酸鹽造成的氮源污染，Cl-的識(shí)別，表征降水是控制密云庫(kù)區(qū)上游水質(zhì)水化學(xué)特征的主要因素。

2.2.3 不同年際尺度上的空間污染源分析

為了識(shí)別密云水庫(kù)上游流域水質(zhì)IAⅠ、IAⅡ年際尺度上的空間變化規(guī)律，運(yùn)用主成分分析法(PCA)對(duì)年際基礎(chǔ)上的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 基于年際尺度上顯著指標(biāo)的空間變異性

表3 年際基礎(chǔ)的空間旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣及方差貢獻(xiàn)率

注依據(jù)因子載荷值∈ [0.75，1]，∈[0.5，0.75]，∈[0.3，0.5]判斷其作用為強(qiáng)烈，中等或弱。下劃線表示強(qiáng)烈，加粗表示中等。

2.3 密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)與上游來(lái)水水質(zhì)污染源對(duì)比

相關(guān)研究顯示[23]，密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)1990—2010年20年間TP均值(0.03mg/L)、TN均值(0.98mg/L)，較上游入庫(kù)控制點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)分別消減76%、58%，表明密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)比上游控制點(diǎn)來(lái)水水質(zhì)要好，主要與近年來(lái)水庫(kù)庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染的控制(水土保持、化肥使用量減少、生活污水減少)和網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)取消等相關(guān)水源地保護(hù)政策有關(guān)[20]。且密云上游入庫(kù)控制點(diǎn)大關(guān)橋、辛莊橋、石佛橋3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染源由復(fù)合污染轉(zhuǎn)化為離子污染，從側(cè)面說(shuō)明上游控制點(diǎn)主要水質(zhì)指標(biāo)在進(jìn)入水庫(kù)庫(kù)區(qū)后有所好轉(zhuǎn)。

3 研究結(jié)論

a.密云庫(kù)區(qū)上游控制點(diǎn)水質(zhì)總體特征是20年間TN均值(2.34mg/L)、TP均值(0.13mg/L)和DO均值(9.69mg/L)分別超過(guò)國(guó)家地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)4.68倍、1.30倍和1.29倍，水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況顯著，氮、磷是應(yīng)重點(diǎn)加以控制的因子，NO2-N是TN均值超標(biāo)的主要原因。

b.不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)在時(shí)空交叉統(tǒng)計(jì)分析中顯示，由IAⅠ(1991—1995年，1997—1998年)過(guò)渡到IAⅡ時(shí)期(1996年，1999—2004年，2006—2010年)，大關(guān)橋、辛莊橋、石佛橋3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染成分由點(diǎn)源污染、非點(diǎn)源污染中的氮源污染和內(nèi)源污染共同作用下的復(fù)合污染轉(zhuǎn)為以離子污染為主，對(duì)入庫(kù)水質(zhì)污染指標(biāo)濃度的貢獻(xiàn)逐漸減小，水質(zhì)情況好轉(zhuǎn)，葡萄園橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)由降水引起的內(nèi)源污染過(guò)渡到降水引起的非點(diǎn)源污染，受到汛期的濕沉降影響較大，水堡橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)以復(fù)合污染為主，污染情況最為復(fù)雜。

c.密云水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)比上游控制點(diǎn)來(lái)水水質(zhì)要好，主要與庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染的控制(水土保持、化肥使用量減少、生活污水減少)和取消網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)等保護(hù)水源地政策有關(guān)。