武 俐, 王祖恒, 王 亮, 趙同謙, 金新苗

(1.河南理工大學 資源環(huán)境學院， 河南 焦作 454150； 2.河南省濟源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 河南 濟源 459000)

小浪底水庫位于黃河中游最后一段峽谷的出口處，是以調控黃河水沙為主要功能的大型水庫[1]。水庫自運行以來，平均入庫年沙量為2.92×108t，排沙比為20.2%[2]。每年7月，水庫進行調水調沙，將黃河下游河床淤積的泥沙送入大海，同時減少水庫的泥沙淤積[3]。水庫蓄水攔沙期可改變黃河下游河道的水沙條件，使含沙量降低，中水流量持續(xù)時間增加[4]。下游河道受持續(xù)沖刷影響，游蕩型河道主槽形態(tài)變化較大，平攤河寬與水深增加，橫斷面形態(tài)向窄深發(fā)展[5]，部分河段崩岸明顯[6]。小浪底水庫水質的好壞直接影響著庫區(qū)和黃河下游的水質以及下游地區(qū)的工、農業(yè)生產與居民健康。目前，對小浪底水庫的研究多集中于水庫蓄水攔沙對黃河下游泥沙量、過流能力和河床演變影響等方面[5,7]，而對水庫水質的評價與分析略顯不足。

水庫水質分析評價常用的方法有單因子水質標識指數(shù)法、綜合水質標識指數(shù)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)法、模糊評價法、主成分分析法和BP神經網(wǎng)絡法等，但各方法均有其局限性。例如單因子水質標識指數(shù)法無法綜合反映水體狀況；綜合水質標識指數(shù)法評價指標的選取具有主觀性；綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價指標單一，無法體現(xiàn)不同水體間的差異性；BP神經網(wǎng)絡評價指標選擇具有主觀性，定性評價結果不直觀且計算較為復雜。而主成分分析法[8]可以在原始水質評價因子丟失最少的基礎上，運用數(shù)學方法，從多個具有相關性的評價因子中篩選出主要評價因子；模糊評價法[9]可以體現(xiàn)水質從優(yōu)到差變化的模糊特性。本研究采用主成分分析與模糊評價法相結合的方法，對小浪底水庫水質狀況進行監(jiān)測和評價，分析水庫水質現(xiàn)狀與潛在污染源，以期為其環(huán)境改善提供幫助。

1 對象與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河小浪底水庫位于三門峽水庫下游130 km，洛陽市以北40 km的黃河干流上，是黃河中下游庫容量較大的峽谷型水庫。水庫面積達272.3 km2，控制流域面積為6.94×105km2，占黃河流域面積的92.3 %，涉及河南和山西倆省的8縣(市)33個鄉(xiāng)鎮(zhèn)[10-11]。水庫正常水位275 m，庫容1.27×1010m3，淤沙庫容7.55×109m3，調水調沙庫容1.05×109m3[2]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析 于2018年1月至12月對水庫南山、大橫嶺和桐樹嶺3個監(jiān)測斷面進行為期一年的水質監(jiān)測。采樣時間為每月初，水樣的采集與監(jiān)測采用《水庫采樣技術指導(HJ495-2009)》和《地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)》進行，13項監(jiān)測指標分別為總氮(TN)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、氟化物(F)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)和鎘(Cd)。

1.2.2 水質評價指標體系建立 主成分分析可避免評價因子選擇的隨意性，使評價結果更客觀[12]。通過線性組合，將多個原始變量轉換為幾個主要影響變量，確定影響水質的主要成分，只保留特征值大于1的主成分進行分析[8, 13]。選取斷面13項水質檢測指標作為初選評價因子，利用R語言對初選評價因子進行分析。主成分貢獻率及因子載荷見表1。

表1 主成分貢獻率及因子載荷

由表1可知，有4個主成分特征值大于1，累計貢獻率為69.6%。其中，第2主成分的貢獻率最大，累計貢獻率為19.6%；第3主成分貢獻率最小，為15.3%。從各因子載荷值可以看出，第1主成分與Pb，CODMn和DO密切相關；第2主成分中As，TN，TP和NH3-N的載荷值較大；第3主成分與F和BOD5密切相關；第4主成分與Zn和Cd密切相關。綜上選擇TN，TP，BOD5，NH3-N，CODMn和DO 6個指標作為評價因子，進行綜合水質分析。

1.2.3 模糊綜合評判法 模糊綜合評判法是基于模糊數(shù)學的水質評價方法，綜合考慮了各水質因子之間的相關性，較為客觀的反映水質因子對于水質的貢獻程度[14-15]。在模糊綜合評判中，數(shù)據(jù)與評價標準的處理方法、指標權重的確定方法和模糊模式的識別方法的選擇尤為重要。分別采用歸一化處理與線性內插法對實測數(shù)據(jù)與評價標準進行標準化，采用超標倍數(shù)法確定權重，加權海明距離法進行模糊模式的識別，計算評價對象隸屬于評價標準等級的最小值來確定其質量等級[14, 16]。

水質監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化計算公式為：

(1)

式中：fij代表第j個水質指標的第i個評價對象的標準化值；Xij代表第j個水質指標的第i個評價對象的實測值；C1j與Ctj分別代表第j個水質指標的1級與t級水質標準值。

水質標準數(shù)據(jù)歸一化計算公式為：

(2)

式中：eih代表第i個水質指標的第h級標準的歸一化值；Chi，C1i，Cti分別代表第i個水質指標的第h，1，t級標準值。

評價指標權重的超標倍數(shù)法計算公式為：

(3)

式中：wi代表水質指標i的權重值；Si代表第i種水質指標5個類別標準的平均值；xi代表水質指標i的實際測量值。

模糊模式的識別方法加權海明距離法計算公式為：

(4)

式中：Dw(A,B)代表A對B的加權海明距離；wi代表各水質指標的權重；μA(xi)代表水質監(jiān)測數(shù)據(jù)的隸屬度；μB(xi)代表水質標準的隸屬度。

2 結果與討論

2.1 水質評價參數(shù)的分析

根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)，6項水質指標的質量標準見表2。小浪底水庫水體各水質因子質量濃度動態(tài)變化情況如圖1所示。7月，小浪底水庫調水調沙后水位變低，南山采樣點位于山坡，距離水面較遠，8月未能采到水樣。

表2 國家地表水環(huán)境質量標準

從圖1可以看出，6項水質指標除TN低于Ⅲ類水標準，其余指標均高于Ⅲ類水標準。DO的質量濃度在3.8～12.8 mg/L之間，除7月低于Ⅲ類水標準外，其余月份均滿足Ⅲ類水標準。3個斷面在1—9月的DO質量濃度差異性不大，10—12月大橫嶺的DO質量濃度遠低于桐樹嶺和南山斷面。BOD5的質量濃度在0.9～1.7 mg/L之間，滿足Ⅰ類水標準，3個斷面的BOD5質量濃度差異較小。NH3-N的質量濃度在0.03～0.72 mg/L之間，總體介于Ⅰ類水和Ⅱ類水之間，不同斷面的NH3-N質量濃度差異較大。TN的質量濃度在2～4.88 mg/L之間，屬于劣Ⅴ類水，表明TN污染十分嚴重。除3月南山斷面的TN質量濃度偏高外，3個斷面在其余月份中TN的質量濃度差異較小。TP的質量濃度在0.02～0.05 mg/L之間，基本介于Ⅱ與Ⅲ類水之間，不同斷面的TP質量濃度差異性較小。CODMn的質量濃度在1.8～2.7 mg/L之間，滿足Ⅱ類水標準，不同斷面的CODMn質量濃度差異較小?？傮w來看，除NH3-N質量濃度外，小浪底水庫3個斷面水質指標質量濃度變化差異性較小，空間變化特征不明顯。

分析水庫水質指標月均濃度變化發(fā)現(xiàn)，DO月均質量濃度波動較大，3月份最高(12.6 mg/L)，7月最低(4.1 mg/L)，3—7月呈下降趨勢，7—12月呈上升趨勢，其變化可能與自然環(huán)境水溫影響有關[17]。BOD5月均質量濃度較穩(wěn)定，4月最高(1.63 mg/L)，8月最低(1 mg/L)。NH3-N月均質量濃度有一定波動，7月最高(0.33 mg/L)，10月最低(0.1 mg/L)，7—9月濃度變化不明顯。TN月均質量濃度變化不大，5月最高(4.1 mg/L)，11月最低(2.2 mg/L)，變化趨勢可能與降雨量和農業(yè)活動有關[17]。TP月均質量濃度較穩(wěn)定，2月最高(0.05 mg/L)，11月最低(0.02 mg/L)，其中8—11月質量濃度呈下降趨勢可能與浮游植物生長吸收有關[18]。CODMn月均質量濃度變化不明顯，3月最高(2.7 mg/L)，6月最低(1.9 mg/L)?？傮w來看，6項水質指標的平均質量濃度在6—8月處于較高水平，10—12月份較低，其余月份處于中等水平。

注：DO為溶解氧； BOD5為5 d生化需氧量； HN3-N為氨態(tài)氮； TN為總氮； TP為總磷； CODMn為高錳酸鹽指數(shù)。

2.2 水質評價參數(shù)的權重計算結果

根據(jù)上述公式(3)計算各評價參數(shù)的權重結果見表3—5。

從各監(jiān)測斷面評價因子的權重計算結果(表3—5)可以看出，TN的權重結果最高，其次為DO和TP。DO代表水體自凈能力，其值越高說明水體水質越好[15]；TN和TP是表征水體富營養(yǎng)化的指標，其值越高表明水體水質越差[19]，說明小浪底水庫的主要污染因子為TN和TP，屬于富營養(yǎng)化污染。

當水體中TN和TP質量濃度分別高于0.20 mg/L和0.02 mg/L時，存在發(fā)生富營養(yǎng)化的風險[18]。從表3—5可以看出，不同時間不同采樣斷面的TN和TP質量濃度均遠超限值，說明在一定的條件下水體有爆發(fā)富營養(yǎng)化的風險。當N/P<7時，TN是水體富營養(yǎng)化的限制因子；當N/P>30時，TP是水體富營養(yǎng)化的限制因子[20]。本研究TN/TP介于46～122之間，遠高于30，因此，TP是水庫水體富營養(yǎng)化的限制因子。另外，水體中浮游生物群落的分布易受到水體理化條件的影響，其中藍藻、硅藻、綠藻浮游植物群落對水體變化敏感，TN/TP變化直接影響著水體浮游植物群落的結構組成[21-22]。有研究表明，當TN/TP<25時，適合藍藻生長，當TN/TP>25時，綠藻和硅藻生長較快[23-24]，這一現(xiàn)象與小浪底水庫主要藻類是綠藻和硅藻相符[10, 22]。

表3 大橫嶺斷面各水質指標權重

表4 桐樹嶺斷面各水質指標權重

表5 南山斷面各水質指標權重

通過控制水庫中TN和TP含量，可降低水庫發(fā)生富營養(yǎng)化的風險。在庫區(qū)周邊一定范圍內限制化肥的施用量，倡導發(fā)展無公害農業(yè)，適當控制旅游業(yè)；重點加強TN排放消減力度；發(fā)展水生生態(tài)養(yǎng)殖，選擇與調整魚類品種與比例，減少水體藻類生物量。

2.3 模糊綜合評判法計算結果

根據(jù)上述公式(1)—(4)，將各水質監(jiān)測數(shù)值代入相應公式計算，得各斷面水環(huán)境質量綜合評價結果，見表6—8。

小浪底水庫屬于集中飲用水地表水源地二級保護區(qū)，因此以《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類要求作為標準。根據(jù)表6—8可知，不同時間不同采樣斷面所有的水質級別達到Ⅲ類水質要求的比例為82.9%，基本滿足Ⅲ類水質要求。而2011—2015年，黃河小浪底水庫為劣Ⅴ類水，處于污染狀態(tài)[11]，近年來，水體質量明顯提升，與當?shù)卣畬λ畮焖w的保護與治理有關。整體來看，水庫不同斷面水質級別變化不大，空間變化特征不明顯。

表6 大橫嶺斷面各月水質評價結果

采用同一時間不同斷面的隸屬度均值做水質類別評價分析，發(fā)現(xiàn)水庫水質在5月份為Ⅴ類水，7月份為Ⅳ類水，11和12月份達到Ⅰ類水標準，其余月份為Ⅲ類水。5月水庫水質較差可能是因為受黃河上游農業(yè)耕作影響。有研究表明，農業(yè)活動和人類活動對黃河水質有影響[25]，農藥化肥的過度施用導致黃河中上游渭河流域4月水質TN超標嚴重[26]，黃河水質從上游至下游逐漸變差[27]，農業(yè)活動高峰期會使小浪底水庫水體污染加重[17]。4月和5月農業(yè)活動高峰期使小浪底水庫上游來水TN質量濃度增高，水質變差。由于受水體自凈作用影響， TN質量濃度自水庫上游向下游逐漸減少，南山斷面水質為Ⅴ類水，而水庫下游的桐樹嶺斷面水質為Ⅲ類水。7月水庫水質為Ⅳ類水劣于Ⅲ類水的原因與水庫調水調沙活動有關，調水調沙期間，水庫水量大量減少，嚴重影響水體質量[28]，其中DO的質量濃度遠低于其他月份，南山斷面為Ⅴ類水，大橫嶺和桐樹嶺斷面為Ⅳ類水。而調水調沙活動結束后，3個斷面的水質逐漸達到水質要求，其中11月水質達到Ⅰ類水標準。

表7 桐樹嶺斷面各月水質評價結果

表8 南山斷面各月水質評價結果

3 結 論

(1) 黃河小浪底水庫TN，TP，BOD5，NH3-N，CODMn和DO這6項指標中，除TN低于Ⅲ類水標準外，其余指標均高于Ⅲ類水標準。整體上，南山、大橫嶺和桐樹嶺斷面水質指標質量濃度空間變化差異不明顯。

(2) 主成分分析與模糊綜合評價表明，水庫水體的主要污染因子為TN和TP，屬于富營養(yǎng)化污染。TN/TP范圍為46～122，TP是水庫富營養(yǎng)化限制因子，應引起重視?？赏ㄟ^控制水庫中TN和TP含量，降低水庫發(fā)生富營養(yǎng)化的風險。

(3) 水庫水質狀況基本滿足Ⅲ類水質要求。水庫水質級別空間變化特征不明顯。受黃河上游農業(yè)活動影響，5月水庫水質較差，7月水質劣于Ⅲ類水與水庫調水調沙活動有關。