楊 玖，張 利，林 武，陳美芳，王小將

(1.四川省攀枝花生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 攀枝花 617000；2攀枝花市仁和區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，四川 攀枝花 617000)

前 言

一直以來富營養(yǎng)化是造成內(nèi)陸水庫水體污染最主要的方式。水體富營養(yǎng)化指水體中氮磷等營養(yǎng)性物質(zhì)含量過多而藻類及其他耗氧性水生生物過度繁殖，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。氮磷元素是水體富營養(yǎng)化的主要控制因子[1]，而人類生產(chǎn)活動向水體中排放過量的氮磷元素，農(nóng)田化肥，漁業(yè)養(yǎng)殖以及人畜糞便是氮磷元素的主要來源。富營養(yǎng)化破壞了水體的生態(tài)環(huán)境，導致水生生物多樣性降低。處于缺氧狀態(tài)，植物的營養(yǎng)素氨氮，在缺氧條件下會轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，這是合成亞硝胺的前體[2]。其次，水體感官性狀惡化，在富營養(yǎng)化的水體中，透明度降低，并散發(fā)出腥臭味，大大降低其應有的美學價值；再次加劇水資源危機[3]，減短水體壽命。

勝利水庫位于四川省攀枝花市金沙江南岸一級支流大河干流與支流片那立溝匯口處下游，以灌溉和灌區(qū)人畜用水為主，兼有防洪、水產(chǎn)、旅游等綜合利用任務(wù)，是當?shù)刂匾娘嬘盟吹?。近年來，當?shù)赝度氪罅抠Y金開展了飲用水水源地規(guī)范化建設(shè)并取得良好成效，但隨著區(qū)域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，包括重點發(fā)展特色有機農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)以及觀光休閑農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來的農(nóng)田徑流污染將進一步加大對勝利水庫水源地水質(zhì)的影響。流域集水區(qū)域內(nèi)的面源等污染形勢日趨嚴峻，本文利用近五年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在綜合營養(yǎng)指數(shù)變化趨勢評價為基礎(chǔ)，采用主成分分析方法PCA分析了勝利水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化的主要影響因子、演變趨勢和富營養(yǎng)化狀態(tài)，分析勝利水庫營養(yǎng)化程度的關(guān)鍵因素，為當?shù)乜茖W應對水生態(tài)環(huán)境問題和降低飲用水水源地生態(tài)環(huán)境風險提供數(shù)據(jù)支持和科學依據(jù)，同時，相關(guān)分析方法和結(jié)論為我國湖庫型飲用水水源地水質(zhì)評價及污染成因分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于攀枝花市環(huán)境監(jiān)測站《攀枝花市縣級飲用水源水地水質(zhì)監(jiān)測報告》(2014年-2019)及攀枝花市仁和區(qū)環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測。監(jiān)測點位為取水點(庫頭)和庫尾，監(jiān)測時間為每個季度一次，監(jiān)測方法采用GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》的推薦方法。監(jiān)測報告最終數(shù)據(jù)為兩個點位的算術(shù)平均值。

1.2 評價方法

單因子評價法是各評價項目檢測值與相應的水質(zhì)標準值進行比較，確定單項項目的水質(zhì)類別，是目前使用最多的水質(zhì)評價法，可直接了解水質(zhì)狀況與評價標準之間的關(guān)系。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》(環(huán)辦[2011]22號)的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，本文主要選取總氮(TN)、 總磷(TP)、 高錳酸鹽指數(shù) (CODMn)、氨氮(NH3-N)、 五日生化需氧量(BOD5)、 葉綠素(Chla)、水溫、pH溶解氧(DO)等9項指標進行評價。

主成分分析(PCA)是利用降維的思想，將多個相互關(guān)聯(lián)的數(shù)值變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個互不相關(guān)的綜合指標，通常用來尋找判斷某種事物或現(xiàn)象的綜合指標，并且給綜合指標所包含的信息以適當?shù)慕忉專瑥亩玫亟沂臼挛飪?nèi)在的規(guī)律，因此被廣泛應用于水質(zhì)評價中，這種方法在引用多個變量的同時將復雜因素歸結(jié)為較少的因素，使問題簡單化，得到的結(jié)果更加科學有效，可在眾多影響因素中篩選出主要污染指標，進而判斷主要污染來源。Spearman相關(guān)性分析是一種不依賴于總體分布的非參數(shù)檢驗，可以準確描述兩者之間的關(guān)系。

本文水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，評價指標有葉綠素a(Chla)、總氮(TN)、總磷(TP)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)[4]。加權(quán)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為:

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為：

式中：TLI(∑)—綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；

Wj—第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

TLI(j)—代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

水庫營養(yǎng)狀態(tài)分級包括:貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、富營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)、中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)，與污染程度關(guān)系如表1。

表1 水庫水質(zhì)類別與評分值對應表Tab.1 Water quality categories and corresponding rating values

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)變化趨勢分析

各指標近5年變化見圖1。勝利水庫水溫各年份均呈季節(jié)性變化，pH隨著溫度的變化而變化，且變化趨勢與水溫一致，水庫pH值均符合地表水環(huán)境質(zhì)量標準。高錳酸鹽指數(shù) (CODMn)在每年夏季最高，其他季節(jié)較低，整體趨勢隨著年份增加而降低(2019年7月除外)；溶解氧(DO)是水體與大氣交換平衡以及經(jīng)化學和生物化學反應后，溶解在水中的氧氣。潔凈水體中的DO一般接近飽和，如果水體受到有機物質(zhì)和還原性物質(zhì)污染[5-6]時，DO會低于飽和值。溶氧量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律，在春冬季溶氧量較高，夏秋季較低，大概是因此時處于豐水期，降雨多，陰天多，水溫高，排污量大，藻類光合作用受阻所致。溶解氧在4月、7月較高，其他時間較低，且隨著年份增加而增加的趨勢；透明度隨著年份的增加呈下降的趨勢；作為浮游植物現(xiàn)存量的重要指標，Chla在時間上的變化趨勢在一定程度上反映了水域環(huán)境因子對浮游植物生長的影響，也反映了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展狀況。Chla隨著時間的增加呈上升的趨勢，在2017年10月達到最大值，且每年7月、10月份均高于其他月份?？偟?015年后突然增大，隨后下降。總磷整體隨著年份的增加呈下降趨勢；氨氮隨著年份的增加呈上升趨勢，且在每年7月份濃度較大。總氮中硝酸鹽氮的比例較高，且變化趨勢一致。

圖1 各指標2014～2019年變化趨勢Fig.1 Changes of eutrophication evaluation indicators in Shengli reservoir from 2014 to 2019

根據(jù)季節(jié)變化，對每個監(jiān)測指標進行單因素方差分析，從表2中可以看出，CODMn在夏秋季節(jié)較高，顯著高于冬、春兩季；BOD5隨著季節(jié)變化呈顯著性變化，且在秋季最高；氨氮在春秋兩季高于冬夏兩季；透明度隨著季節(jié)變化呈下降趨勢，在冬天顯著上升?？偟诟骷竟?jié)中無顯著性變化；TP、Chla兩項指標在春季最低，隨后上升，隨季節(jié)呈倒V字形。

表2 各監(jiān)測項目不同季節(jié)的變化Tab.2 Seasonal variation of monitoring projects in Shengli Reservoir

2.2 各指標之間相關(guān)性分析

水庫主要污染指標的Spearman相關(guān)性見表3。CODMn分別與pH、BOD5呈顯著正相關(guān)，pH、CODMn、BOD5、NH3-N、Chla與水溫呈顯著正相關(guān)，SD與TN呈顯著負相關(guān)。部分項目均受水溫影響，可能與水中植物及生物生理活動有關(guān)。DO與Chla含量變化趨勢相反，存在一定的負相關(guān)性。NH3-N與水溫存在著顯著的正相關(guān)，Chla與TN、TP呈無明顯相關(guān)性。

表3 各監(jiān)測指標相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of water quality monitoring indicators in Shengli Reservoir

續(xù)表3

2.3 主要影響因子分析

2.3.1 近6年水庫水質(zhì)主要影響因子分析

根據(jù)特征值的大小提取主成分，特征值分析見表4。根據(jù)主成分選取原則，特征值大于1，對應第1、第2、第3主成分，其方差貢獻率分別為32.083%、54.357%和15.853%， 累積方差貢獻率為70.21%，其中成分2解釋方差所占比例最大。為了更好地解釋各項指標的意義，需對因子載荷圖進行旋轉(zhuǎn)，得到表5?？芍珺OD5、CODMn、DO在成分1上有較大的載荷，可推斷為該水庫以生活污染源和水生植物的生理作用；SD和TN在成分2上有較大的載荷；TP和Chla在成分3上有較大載荷。由此表明，水庫中營養(yǎng)狀態(tài)變化的主要驅(qū)動因子(特征值大于0.8)為BOD5、TN、TP，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，水庫周邊農(nóng)村生活污染源、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)田徑流污染等隨降雨、地表徑流進入庫區(qū)，因此應在相應污染源污染防治上采取措施。

表4 水庫營養(yǎng)狀態(tài)主成分特征值Tab.4 Principal component eigenvalues of reservoir nutrition status (%)

表5 主成分矩陣Tab.5 Principal component system matrix

2.3.2 不同季節(jié)水庫水質(zhì)主要影響因子分析

各季節(jié)主成分特征值及成分得分系數(shù)矩陣見表6和表7，根據(jù)主成分選取原則，春季，特征值大于1的根對應第1、第2、第3主成分， 其方差貢獻率分別為53.163%、24.467%和15.601%， 累積方差貢獻率為93.437%，其中成分1解釋方差所占比例最大。根據(jù)成分得分系數(shù)可知表，TN、BOD5和DO在成分1上有較大的載荷，由此推斷，水庫主要受的影響，SD在成分2上有較大的載荷，TP在成分3上有較大的載荷。夏季，選取3個主成分，各主成分的貢獻率和累計貢獻率分別為38.542%、28.298%、17.632%和84.472%，成分1貢獻率較大，由表可知，TP、SD和Chla在成分1上有較大的載荷。秋季，提取2個主成分，各主成分的貢獻率和累計貢獻分別為55.258%、22.256%，成分1貢獻率較大，結(jié)合表，TN、DO和CODMn在成分1上有較大的載荷。冬季，提取2個主成分，各主成分的貢獻率和累計貢獻率分別為50.769%、79.433%，成分1貢獻率較大，結(jié)合表，TN、DO和SD在成分1上有較大的載荷?？梢钥闯?，每個季節(jié)水庫受主要污染物不同，TN是水庫水質(zhì)污染的重要污染指標。

表6 水庫營養(yǎng)狀態(tài)各季節(jié)主成分特征值Tab.6 Principal component eigenvalues of reservoir nutrition status

表7 主成分矩陣Tab.7 Principal component system matrix

2.4 主成分分析差異性分析

將矩陣中的系數(shù)與標準化后的監(jiān)測數(shù)據(jù)對應相乘再相加，得到主成分表達式F1、 F2、F3值及綜合評價表達式 F。主成分分析和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)如圖 2所示，兩種評價方法的得分變化規(guī)律大致相同。根據(jù)營養(yǎng)狀態(tài)分級標準，水庫近6年水質(zhì)均在中營養(yǎng)程度以上，且在每年夏季、秋季為輕度富營養(yǎng)程度。用于特性分析數(shù)據(jù)中，綜合營養(yǎng)狀態(tài)法評價得分范圍為33.7～52.8，得分最高為 2016 年10月，綜合營養(yǎng)狀態(tài)得分為52.8。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》營養(yǎng)程度判定等級為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，當月Chla為14.2 mg/m3、CODMn為3.3mg/L、BOD5為2.7 mg/L，TN為2.35 mg/L，并表現(xiàn)出輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，兩種方法結(jié)果表現(xiàn)一致；兩種方法的差異性最大表現(xiàn)在 2017年1月和4月，結(jié)合單因子濃度，1月份、4月份水體中Chla濃度分別為0.43mg/m3、4.0 mg/m3；CODMn濃度為2.0 mg/L、3.3 mg/L；BOD5濃度為2.6 mg/L、1.9 mg/L；TN濃度為2.19 mg/L、1.70 mg/L，表現(xiàn)出中度富營養(yǎng)狀態(tài)，即中度污染，但4月份Chla濃度較高，差別較大。綜上討論分析，主成分分析法相對于綜合營養(yǎng)狀態(tài)法相比可靠性會更高些，這與廖寧等研究相一致[7]。

圖2 主成分分析法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)法評價營養(yǎng)狀態(tài)得分情況Fig.2 Nutrition status evaluation score of Principal Component analysis and comprehensive nutrition status method

N、P 是水體發(fā)生富營養(yǎng)化的主導因素，氮磷的增加和適宜的溫度和光照再加上水庫水體流動緩慢更新較慢的水環(huán)境，會導致浮游植物的生長加快，主要表現(xiàn)在Chla的增加[8-9]。一般認為當?shù)妆刃∮?10∶ 1時為氮限制，大于 10∶ 1 時為磷限制，從圖3可以看出，氮磷比大部分大于10∶ 1，磷為限制因子，因此，必須嚴格控制磷元素的輸入，控制生活污水等的排放以防止藻類的大量繁殖引起水華。Chla的含量變化趨勢與 TN/TP 變化趨勢相反，即保持著良好的相關(guān)性。

圖3 葉綠素a和氮磷比隨時間的變化Fig.3 The changes of Chla and the N/P over time from 2014 to 2019

3 結(jié) 論

3.1 2014～2019年，勝利水庫總體水質(zhì)處于Ⅱ～Ⅲ類。相比常規(guī)的綜合營養(yǎng)狀態(tài)法，主成分分析法對富營養(yǎng)化指標的定量評價更加全面和準確，結(jié)論具有更強的針對性，因而具有更加現(xiàn)實的指導意義。通過主成分分析法，勝利水庫水質(zhì)主要污染因子為BOD5、TN、TP，且不同季節(jié)主要污染因子不同，且污染主要來自于庫區(qū)周邊農(nóng)村生活面源污染、農(nóng)田面源污染和畜禽養(yǎng)殖污染。

3.2 目前勝利水庫已進入中營養(yǎng)化狀態(tài)甚至輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。氮磷是水庫的限制因子，但磷因子測定結(jié)果均未超過Ⅲ類標準，總氮是造成水體富營養(yǎng)化的主要因子，減緩富營養(yǎng)化應重點關(guān)注氮元素的輸入和輸出。強化湖庫周邊農(nóng)村環(huán)境綜合整治，控制農(nóng)業(yè)面源污染，加快推進農(nóng)村生活污水治理，達到控制氮元素的輸入的目的，防止湖庫水質(zhì)進一步惡化，保障飲用水水源安全。