梁明奇，王敏，朱江龍

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化率的不斷提高，且前期不重視對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，我國(guó)許多水庫(kù)的水質(zhì)狀況較差，近50%超出Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)[1].五排水庫(kù)流域內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植、生活污水等污水排放逐年增加，且因水資源和旅游資源開(kāi)發(fā)利用不當(dāng)，致使點(diǎn)源污染與面源污染共存，生活污染和生產(chǎn)污染疊加，水質(zhì)污染與生態(tài)退化交織，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅.

如何客觀、合理、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水體環(huán)境質(zhì)量以反映水質(zhì)狀況一直是生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的重點(diǎn).目前在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中應(yīng)用的比較多的方法主要有單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法等[2-3].這些方法各具優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)因?yàn)樗|(zhì)諸多因素的干擾而顯得相對(duì)局限.主成分分析法能從眾多變量中篩識(shí)別并篩選出主要污染因子，減少工作復(fù)雜度，在保留原始主要信息的同時(shí)能有效減少主觀誤差[4-5].分析結(jié)果能較好地反映污染物排對(duì)水質(zhì)的影響，已被多次應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)[6-12].

本文中對(duì)2018年11月五排水庫(kù)19個(gè)點(diǎn)位的水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，以其檢測(cè)結(jié)果為對(duì)象，應(yīng)用主成分分析法，通過(guò)主成分綜合評(píng)分排序，研究五排水庫(kù)各點(diǎn)位的污染狀況，分析造成水污染的主要影響因素，以期為五排水庫(kù)的水域環(huán)境保護(hù)和治理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 水樣采集庫(kù)區(qū)的流向由北向南，主流狹長(zhǎng)曲折，存在些許小支流.本文中根據(jù)水庫(kù)地形、水面面積、入庫(kù)河流布設(shè)采樣點(diǎn)，選點(diǎn)方法依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(HJ-T91—2002)》[13].采樣范圍為30°26′ N ～ 30°29′ N，106°22′ E ～ 106°23′ E，各點(diǎn)具體坐標(biāo)見(jiàn)表1，各點(diǎn)分布狀況見(jiàn)圖1.

表1 水樣采集點(diǎn)坐標(biāo)

圖1 水樣采集點(diǎn)分布圖

1.2 樣品檢測(cè)檢測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)為總磷(TP)[14]、氨氮(NH3-N)[15]、總氮(TN)[16]、化學(xué)需氧量(COD)[17]和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)[18]，檢測(cè)方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)實(shí)行.各檢測(cè)指標(biāo)與其檢測(cè)方法(儀器)見(jiàn)表2.

表2 水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)與其檢測(cè)方法

1.3 主成分分析步驟

1)將水質(zhì)TP、NH3-N、TN、COD和CODMn的原始數(shù)據(jù)和各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入SPSS 21.0，采用Z-score的方法對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除不同指標(biāo)間的量綱和數(shù)量級(jí)影響.Z分?jǐn)?shù)能較真實(shí)地反應(yīng)一個(gè)數(shù)值距離數(shù)組平均數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)距離[19].計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

(1)

2)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維分析，系統(tǒng)自動(dòng)求出協(xié)相關(guān)矩陣.對(duì)變量進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)是能否進(jìn)行主成分分析的前提，通過(guò)KOM和Bartlett檢驗(yàn)，判斷變量的相關(guān)性程度，當(dāng)KMO>0.6且Sig.<0.05才可進(jìn)行主成分分析.

3)原始變量方差中能被共同因子解釋的部分稱為共同度，變量能被因子說(shuō)明的程度與共同度的值成正比，共同度大于0.5才適合解釋原始數(shù)據(jù)[20].

4)計(jì)算特征值及方差貢獻(xiàn)率，將特征值均大于1且累積貢獻(xiàn)率大于80%的幾個(gè)成分確定為主成分.

5)根據(jù)自動(dòng)計(jì)算得出主成分的載荷矩陣，結(jié)合轉(zhuǎn)化公式計(jì)算出特征值所對(duì)應(yīng)的得分系數(shù)矩陣，轉(zhuǎn)化公式見(jiàn)式(2)：

(2)

其中，Bij是得分系數(shù)矩陣中第i個(gè)主成分的第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值，Aij是載荷矩陣第i個(gè)主成分的第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值，λi是第i個(gè)主成分的特征值.

6)以Ni的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，計(jì)算主成分綜合得分，分值越高，污染越嚴(yán)重.先求出各主成分得分表達(dá)式，計(jì)算公式見(jiàn)式(3)，再求出主成分綜合得分表達(dá)式，計(jì)算公式見(jiàn)式(4)：

(3)

(4)

式(3)中，F(xiàn)i指第i個(gè)主成分的得分，Bij指得分系數(shù)矩陣中第i個(gè)主成分的第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值，Xij指第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值；式(4)中，F(xiàn)指主成分的綜合得分.

2 結(jié)果與討論

2.1 主成分分析結(jié)果

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)化處理 對(duì)19個(gè)點(diǎn)位和各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果做標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

2.1.2 變量相關(guān)性檢驗(yàn) 由表4可知，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的各變量KMO=0.624 >0.5，Bartlett球形度檢驗(yàn)顯著性Sig.=0.000 <0.05，說(shuō)明變量間存在相關(guān)性，適合做主成分分析.

表4 KMO和Bartlett檢驗(yàn)

2.1.3 共同度檢驗(yàn) 表5所示各指標(biāo)的共同度提取值均大于0.8，TP可達(dá)到0.935，TN可達(dá)到0.938，故本文中提取的公因子能較大程度上代表原始數(shù)據(jù)的信息.

表5 公因子方差共同度

2.1.4 主成分確定 通過(guò)協(xié)方差矩陣計(jì)算出主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率及累積方差貢獻(xiàn)率，并依據(jù)主成分分析的原則，選取特征值均大于1且方差貢獻(xiàn)率累積大于80%的前i個(gè)成分作為主成分.由表6可知，成份1和成份2的特征值分別為2.505和1.991，方差貢獻(xiàn)率分別為50.109 %和39.817 %，累積貢獻(xiàn)率分別為50.109 %和89.926 %，故選擇成份1和成份2作為主成分.

表6 主成分特征值及方差貢獻(xiàn)率

2.1.5 主成分得分矩陣 計(jì)算得出主成分載荷矩陣與得分系數(shù)矩陣，見(jiàn)表7.

表7 主成分的載荷矩陣和得分系數(shù)矩陣

2.1.6 主成分綜合得分排序及水質(zhì)分類 對(duì)主成分綜合得分進(jìn)行排序，根據(jù)各水體類別的排行劃分各點(diǎn)位的水體類別(比如，水樣的主成分綜合得分介于Ⅲ類和Ⅳ類的主成分綜合得分之間，其水體類別視為Ⅳ類，排序數(shù)值越大說(shuō)明水質(zhì)越差、污染越嚴(yán)重)，結(jié)果見(jiàn)表8，各水質(zhì)類別的占比見(jiàn)圖2.

表8 各點(diǎn)位水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 各類水質(zhì)占比

2.2 討論

1)從表8和圖2可知，全部點(diǎn)位的水體類別均在Ⅳ類及其以上，Ⅳ類水和Ⅴ類水的占比分別為89%和11%，五排水庫(kù)水體環(huán)境質(zhì)量最好的點(diǎn)位是10，為Ⅳ類水，最差的點(diǎn)位是3，為Ⅴ類水.水體中的NH3-N、TN、TP和COD均嚴(yán)重超標(biāo)，已經(jīng)不滿足五排水庫(kù)水體水質(zhì)管理目標(biāo)的Ⅲ類水要求.

2)上游排污及庫(kù)區(qū)周邊的農(nóng)村生活污水、農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖廢水、農(nóng)家樂(lè)餐飲尾水和農(nóng)業(yè)面源污染是造成水體NH3-N、TN、TP和COD超標(biāo)的主要原因.結(jié)合表8和圖1來(lái)看，1號(hào)點(diǎn)作為入庫(kù)斷面，其水質(zhì)污染狀況已較為惡劣，有機(jī)物污染和氮磷污染嚴(yán)重，與上游岳池縣的生活生產(chǎn)排污有關(guān)；2、4、6、8、11號(hào)點(diǎn)位水域狹窄，水流較急，不利于污染物停留聚集，水流經(jīng)2號(hào)點(diǎn)到3號(hào)點(diǎn)后，水面變寬、水流減緩，復(fù)氧量低，不利于水中微生物對(duì)氨氮的硝化和有機(jī)物的氧化，同時(shí)在水與底泥交界處，因溶氧量低而形成的厭氧環(huán)境有利于底泥中磷的釋放，因而3號(hào)點(diǎn)的水污染嚴(yán)重；3、5、12、15、17號(hào)點(diǎn)在歷史上存在水產(chǎn)養(yǎng)殖，且存在農(nóng)村面源污染、農(nóng)村養(yǎng)殖廢水和農(nóng)村生活污水的涉入(12、17號(hào)點(diǎn)附近有支流匯入)，部分點(diǎn)位(5、15號(hào)點(diǎn))因周邊地形呈環(huán)抱狀，水流在此回旋易于污染物匯集造成污染；14、16號(hào)點(diǎn)位于干流，兩側(cè)有大片農(nóng)田和規(guī)模較大的村落，農(nóng)田中化肥過(guò)剩的營(yíng)養(yǎng)成分N、P的流失、農(nóng)村養(yǎng)殖廢水和農(nóng)村生活污水的匯入導(dǎo)致其污染嚴(yán)重；19號(hào)點(diǎn)為水庫(kù)大壩斷面，各種污染物未能經(jīng)過(guò)水體自凈去除在此聚集.由此可見(jiàn)，分析結(jié)果與實(shí)際相符.

3)2014年發(fā)布的《廣安市人民政府辦公室關(guān)于印發(fā)五排水庫(kù)及長(zhǎng)灘寺河流域水污染綜合治理實(shí)施方案的通知》要求，五排水庫(kù)需全面取締庫(kù)區(qū)內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)和攔河養(yǎng)魚(yú)，庫(kù)區(qū)周邊設(shè)置禁養(yǎng)區(qū)和限養(yǎng)區(qū)，加強(qiáng)流域沿岸場(chǎng)鎮(zhèn)污水處理監(jiān)管，強(qiáng)化農(nóng)村面源污染治理，推動(dòng)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整.目前，庫(kù)區(qū)內(nèi)已取締水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，關(guān)閉或搬遷庫(kù)區(qū)禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)的養(yǎng)殖場(chǎng)，限制發(fā)展庫(kù)區(qū)限養(yǎng)區(qū)內(nèi)的大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng).雖然通知僅要求強(qiáng)化監(jiān)管場(chǎng)鎮(zhèn)污水的處理，但庫(kù)區(qū)周邊坐落眾多的村莊，且大多數(shù)村莊無(wú)排水管網(wǎng)及污水處理設(shè)施，因此，對(duì)農(nóng)村生活污水排放的處理與監(jiān)管同樣重要；此外，庫(kù)區(qū)周邊農(nóng)田分布廣泛，遏制并削減農(nóng)田中污染物的排入仍值得重視.

4)針對(duì)上述存在的問(wèn)題，結(jié)合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)五排水庫(kù)的后續(xù)治理有以下建議：第一，1號(hào)點(diǎn)作為入庫(kù)斷面，水污染嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)庫(kù)區(qū)上游岳池縣的水質(zhì)治理與保護(hù)，城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)廢水的處理出水指標(biāo)要達(dá)到五排水庫(kù)的水環(huán)境功能區(qū)類別的限值要求；第二，對(duì)于水流較緩及水流回旋等利于污染物沉降聚集的3、5、15、19號(hào)點(diǎn)，應(yīng)對(duì)其水體分層充分曝氣，改善好氧微生物的生存條件，加快水體中氮磷及有機(jī)物的去除；第三，對(duì)12、17號(hào)附近的匯入支渠，應(yīng)在匯入口處沿支渠走向向外截取一段渠道，沿線種植適合生長(zhǎng)、去污能力強(qiáng)的水生植物，打造生態(tài)凈化走廊，并在匯入口設(shè)置生態(tài)浮島進(jìn)一步去除水中的污染物；第四，對(duì)于庫(kù)區(qū)周邊限養(yǎng)區(qū)的養(yǎng)殖場(chǎng)，應(yīng)盡快促成化糞池的普及，以消納生產(chǎn)廢水，并通過(guò)吸糞車(chē)清運(yùn)生產(chǎn)廢水，避免生產(chǎn)污水排入庫(kù)區(qū)，減輕3、5、12、14、15、16、17號(hào)點(diǎn)的污染；第五，對(duì)3、5、12、14、15、16、17號(hào)點(diǎn)周邊有污水排入庫(kù)區(qū)水體的村莊進(jìn)行整治，村莊應(yīng)通過(guò)鋪設(shè)排水管網(wǎng)或者利用現(xiàn)有溝渠的方式收集生活污水及餐飲旅游業(yè)污水，并設(shè)置污水處理終端(如：人工濕地、氧化塘等)，水質(zhì)達(dá)標(biāo)后可排入庫(kù)區(qū)水體；第六，對(duì)于3、5、12、14、15、16、17號(hào)點(diǎn)周邊的農(nóng)田，可在庫(kù)區(qū)沿岸設(shè)置階梯式凈化植草溝，層層攔截并去除農(nóng)田灌溉水中的污染物和被雨水裹挾的農(nóng)田污染物，并控制化肥及農(nóng)藥的使用，通過(guò)調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)以提升化肥的利用率，避免養(yǎng)分流失.

3 結(jié)論

1)運(yùn)用主成分分析法，對(duì)2018年11月的五排水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合各類水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并分類排序.結(jié)果表明，五排水庫(kù)19個(gè)點(diǎn)位水樣的水體類別，Ⅳ類水和Ⅴ類水占比分別為89%和11%.

2)五排水庫(kù)各點(diǎn)位水質(zhì)污染的主要影響因子為氮磷和有機(jī)物，外源污染主要來(lái)自上游村鎮(zhèn)的生產(chǎn)生活排污、周邊農(nóng)村養(yǎng)殖污水及生活污水排入、兩岸農(nóng)田化肥和農(nóng)藥中過(guò)剩營(yíng)養(yǎng)及有機(jī)物的匯入，內(nèi)源污染來(lái)源于歷史上受到庫(kù)區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的殘余肥料餌料、各種添加劑與藥劑、水生動(dòng)物糞便污染的底泥反釋放到水環(huán)境中的污染物.

3)庫(kù)區(qū)各點(diǎn)位的水質(zhì)污染程度有明顯的區(qū)域差異，在水面較寬、水流緩慢、水深較淺的水域和臨近農(nóng)田和村落的水域，水污染嚴(yán)重.在水面狹窄、水流較急、水深較深的水域和遠(yuǎn)離農(nóng)田和村落的水域，水污染較輕；由于庫(kù)區(qū)歷史上水污染嚴(yán)重，超出了水體的自凈能力，總體看水庫(kù)水質(zhì)惡劣.

4)保護(hù)和提升水庫(kù)水質(zhì)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)上游岳池縣排水的集中治理和沿線除污，對(duì)庫(kù)區(qū)周邊農(nóng)村的生產(chǎn)生活污水進(jìn)行收集處理達(dá)標(biāo)后排放，對(duì)庫(kù)區(qū)周邊養(yǎng)殖場(chǎng)的養(yǎng)殖廢水進(jìn)行收集并清運(yùn)，避免其匯入水庫(kù)造成水體污染，對(duì)庫(kù)區(qū)周邊農(nóng)田面源污染應(yīng)在其匯入庫(kù)前攔截凈化、減少化肥及農(nóng)藥的使用并調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)以提高化肥利用率.