耿向永，葉建橋， 黃 梅

(1.達(dá)州市生態(tài)環(huán)境污染防治中心，四川 達(dá)州 635000;2.四川省達(dá)州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,四川 達(dá)州 635000)

前 言

水是生命之源，水源水質(zhì)直接關(guān)乎群眾飲水安全，關(guān)乎社會(huì)穩(wěn)定。黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視飲用水安全保障工作，明確要求，把切實(shí)保護(hù)好飲用水水源，讓群眾喝上放心水作為首要任務(wù)[1]。生態(tài)環(huán)境部門(mén)2017年以來(lái)持續(xù)開(kāi)展了水源地“劃、立、治”專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)，全面整治了各級(jí)水源地環(huán)境問(wèn)題，水源地水質(zhì)得到有效改善。

羅江庫(kù)區(qū)水源地作為達(dá)州市主城區(qū)唯一的飲用水水源地，位于長(zhǎng)江三級(jí)支流州河上，是主城區(qū)近百萬(wàn)居民生活飲用水、工業(yè)用水、公共用水的主要水源。羅江庫(kù)區(qū)水源水質(zhì)直接影響到達(dá)州市主城區(qū)居民的飲水安全和身心健康，以及達(dá)州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。但多年來(lái)羅江庫(kù)區(qū)水源地水質(zhì)未進(jìn)行過(guò)全面分析，因此從保障飲水安全考慮，對(duì)該水源地進(jìn)行水質(zhì)趨勢(shì)分析至關(guān)重要。鑒于此，本研究采用主成分分析法對(duì)羅江庫(kù)區(qū)水源地近10年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出該水源地10年間的水質(zhì)變化趨勢(shì)和主要影響因子，進(jìn)而分析主要影響因子年際變化趨勢(shì)，最后提出有效對(duì)策建議，以期為保障達(dá)州市飲水安全提供科學(xué)依據(jù)，也為分析水源地水質(zhì)變化趨勢(shì)提供方法思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

羅江庫(kù)區(qū)水源地于2011年投入使用，是達(dá)州市主城區(qū)的飲用水水源地，屬河流型水源地，服務(wù)人口近百萬(wàn)，年均取水量約6 000萬(wàn)m3，2012年劃定為水源地保護(hù)區(qū)。該水源位于州河上，州河系長(zhǎng)江三級(jí)支流，屬嘉陵江水系，河長(zhǎng)310km，流域面積11 165km2。上源分前、中、后河三支，均發(fā)源于大巴山南麓，前河為州河主流，發(fā)源于重慶市城口縣燕麥鄉(xiāng)，海拔2 685.7m(見(jiàn)圖1) 。

圖1 研究區(qū)域圖Fig.1 Map of study area

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源

達(dá)州市主城區(qū)飲用水水源主要來(lái)自州河，水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于水源地取水點(diǎn)上游300m處。根據(jù)2011～2020年水源地水質(zhì)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中要求的基本項(xiàng)目、補(bǔ)充項(xiàng)目和優(yōu)選特定項(xiàng)目，剔除常年監(jiān)測(cè)結(jié)果低于方法檢出限的項(xiàng)目[2]，少數(shù)低于檢出限數(shù)據(jù)值采用最低檢出限值的一半進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[3]，選取了9個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，即溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷、糞大腸菌群、硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽。

1.3 研究方法

水質(zhì)系統(tǒng)是由一個(gè)多維因子(多種污染物含量、指標(biāo)變量)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，因子間具有不同程度的相關(guān)性，每一因子在某個(gè)方面反映了水質(zhì)質(zhì)量[4]。目前，水質(zhì)分析方法主要分為單因子評(píng)價(jià)法和多因子評(píng)價(jià)法兩類(lèi)[5]。根據(jù)胡香芳[6]、趙朋飛[7]、陳佳[8]等的研究表明，主成分分析法是一種切實(shí)可行的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。主成分分析法是將多個(gè)變量通過(guò)線(xiàn)性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的多元統(tǒng)計(jì)分析方法。較少個(gè)數(shù)重要變量即為主成分。主成分包含的主要污染物信息既彼此獨(dú)立，又能夠反映主要問(wèn)題，還能有效排除不相關(guān)指標(biāo)的影響，具有較好的客觀(guān)性[9]。因此本研究通過(guò)主成分分析法獲得影響羅江庫(kù)區(qū)水源地水質(zhì)的主要因子，進(jìn)一步分析水源地10年水質(zhì)變化趨勢(shì)，進(jìn)而分析主要影響因子年際變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 因子相關(guān)性分析

考慮到水質(zhì)指標(biāo)數(shù)量級(jí)和量綱上的差異，先將羅江庫(kù)區(qū)水源地2011～2020年的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中溶解氧為逆指標(biāo)，先將其倒數(shù)變換，然后標(biāo)準(zhǔn)化[10]。標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行分析，相關(guān)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性矩陣Tab.1 Correlation matrix of the water quality indicators

表2 KMO 和巴特利特檢驗(yàn)Tab.2 KMO and Bartlett tests

由表1、表2可知，根據(jù)相關(guān)性矩陣和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11]，各參數(shù)間的相關(guān)性較好，而且KMO值為0.583>0.5，因子分析符合要求。同時(shí)巴特利特球形度檢驗(yàn)的顯著性概率P值為0.000，小于0.05。KMO、巴特利特球形度檢驗(yàn)和各變量間相關(guān)性結(jié)果表明，因子之間存在相關(guān)關(guān)系，適合因子分析法提取綜合因子。

2.2 主成分提取

將標(biāo)準(zhǔn)化后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)因子分析，利用主成分分析提取成分的因子特征值、方差百分比和累計(jì)方差百分比見(jiàn)表3。

表3 主成分總方差解釋Tab.3 Total variance interpretation of principal component

根據(jù)因子分析中主成分抽取原則，特征值大于1時(shí)，對(duì)應(yīng)的主成分才有意義。本研究提取了4個(gè)主成分V1、V2、V3、V4。4個(gè)主成分累計(jì)的方差百分比為73.989%，它們所對(duì)應(yīng)的主成分已經(jīng)能夠反映原始指標(biāo)的絕大部分信息。各因子通過(guò)凱撒正態(tài)化最大方差法旋轉(zhuǎn)后，在各主成分上的因子載荷值見(jiàn)表4。

表4 主成分載荷矩陣Tab.4 Principal component load matrix

研究將與主成分相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值較大的指標(biāo)認(rèn)定為是與該主成分顯著相關(guān)的指標(biāo)[12]。根據(jù)表3和表4分析結(jié)果，第一主成分V1的方差百分比為28.307%，為第一類(lèi)主要污染源，V1與硫酸鹽、氯化物呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明在V1中硫酸鹽、氯化物是影響水質(zhì)的主要載荷因子，主要反映無(wú)機(jī)鹽類(lèi)對(duì)水質(zhì)的綜合影響。第二主成分V2的方差百分比為21.008%，為第二類(lèi)主要污染源，V2與高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明在V2中高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量是影響水質(zhì)的主要載荷因子，主要反映有機(jī)污染物尤其是好氧有機(jī)污染物對(duì)水質(zhì)的綜合影響。第三主成分V3的方差百分比為12.84%，為第三類(lèi)污染源，V3與糞大腸菌群呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明在V3中糞大腸菌群是影響水質(zhì)的主要載荷因子，主要反映細(xì)菌總數(shù)對(duì)水質(zhì)的綜合影響。

2.3 主成分綜合得分

四個(gè)主成分V1、V2、V3、V4經(jīng)“Fi=Vi/SQRT(特征值)”(i=1、2、3、4)變量計(jì)算得到特征向量見(jiàn)表5。

表5 特征向量Tab.5 Feature vectors

根據(jù)特征向量計(jì)算得到各主成分的線(xiàn)性方程表達(dá)式如下：

F1=- 0.091 *x1- 0.013 *x2+ 0.06 *x3

+ 0.198 *x4+ 0.014 *x5+ 0.067 *x6

+ 0.244 *x7+ 0.238 *x8+ 0.029 *x9

F2=0.039 *x1+0.34 *x2+ 0.406 *x3+ 0.05 *x4+ 0.073 *x5+ 0.061 *x6+ 0.001 *x7+ 0.017 *x8- 0.115 *x9

F3=0.399 *x1-0.017 *x2+ 0.176 *x3

- 0.06 *x4- 0.166 *x5+ 0.644 *x6

+ 0.132 *x7+ 0.041 *x8+0.217 *x9

F4=-0.067*x1+0.048 *x2- 0.146 *x3

+ 0.204 *x4+ 0.607 *x5+ 0.041 *x6

- 0.051 *x7- 0.078 *x8+0.625 *x9

F=(λ1/λ) *F1+ (λ2/λ) *F2+ (λ3/λ) *F3+ (λ4/λ) *F4；λ為累計(jì)方差百分比。

表達(dá)式中，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別代表四個(gè)主成分的得分，x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9分別表示溶解氧倒數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷、糞大腸菌群、硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。將每月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)代入上述方程表達(dá)式得到各主成分的得分，各主成分的得分乘以各主成分的方差百分比與累計(jì)方差百分比的比值，相加得到主成分每月綜合得分。主成分每月綜合得分按年均值計(jì)算得到主成分年度、綜合得分及排序，以及年度綜合得分線(xiàn)形圖見(jiàn)表6和圖1。

鑒于水源水質(zhì)指標(biāo)為低優(yōu)指標(biāo)，因此得分越高，說(shuō)明水源污染越嚴(yán)重，由此可以對(duì)羅江庫(kù)區(qū)水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行排序和分級(jí)。根據(jù)表6綜合得分排序，可以看出2012年水質(zhì)最好，2011年水質(zhì)最差。根據(jù)圖2水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，可以看出羅江庫(kù)區(qū)水源地水質(zhì)在“十二五”期間水質(zhì)逐年變差，“十三五”期間水質(zhì)較好。從線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)來(lái)看，羅江庫(kù)區(qū)水源地十年時(shí)間的水質(zhì)總體呈水質(zhì)改善、向好趨勢(shì)。

表6 主成分年度得分、年度綜合得分及排序Tab.6 Annual score, annual comprehensive score and ranking of principal components

圖2 年度綜合得分線(xiàn)形圖Fig.2 Annual comprehensive score line

2.4 主要載荷因子年度趨勢(shì)變化

為進(jìn)一步掌握水質(zhì)變化原因，選取主成分分析中對(duì)主成分影響顯著的主要載荷因子。一般認(rèn)為，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值>0.6的指標(biāo)和該主成分顯著相關(guān)[13]。研究選取BOD5、硫酸鹽、氯化物、高錳酸鹽指數(shù)和糞大腸菌群的年均濃度進(jìn)行線(xiàn)性分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖3～圖7。

圖3 BOD5年均濃度趨勢(shì)變化Fig.3 Annual trend of BOD5 concentration

圖4 硫酸鹽年均濃度趨勢(shì)變化Fig.4 Annual trend of sulfate concentration

圖5 氯化物年均濃度趨勢(shì)變化Fig.5 Annual trend of chloride concentration

圖6 高錳酸鹽指數(shù)年均濃度趨勢(shì)變化Fig.6 Annual trend of permanganate

圖7 糞大腸菌群年均濃度趨勢(shì)變化Fig.7 Annual trend of fecal coliform concentration

根據(jù)《四川省飲用水水源保護(hù)管理?xiàng)l例》，從圖2～圖6可以看出，主要載荷因子五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)均達(dá)到地表水Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，糞大腸菌群達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，硫酸鹽、氯化物監(jiān)測(cè)值遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，符合地表水河流型水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)水質(zhì)要求，水源水質(zhì)較好。其中五日生化需氧量、氯化物年均濃度較為穩(wěn)定。糞大腸菌群年均濃度呈大幅下降趨勢(shì)，糞大腸菌群作為生活污水處理情況的指標(biāo)，根據(jù)住建部門(mén)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年以來(lái)，水源地上游的鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)施從25處增加到106處，日處理能力從2.85萬(wàn)t增加到10.94萬(wàn)t，說(shuō)明水源地上游流域的生活污水逐步得到有效處理。高錳酸鹽指數(shù)年均濃度呈逐年上升趨勢(shì)，高錳酸鹽指數(shù)作為有機(jī)污染物的重要指標(biāo)，說(shuō)明加強(qiáng)水源上游流域內(nèi)的有機(jī)污染物來(lái)源調(diào)查，是今后羅江庫(kù)區(qū)水源保護(hù)的重要工作。

3 結(jié) 論

3.1 依據(jù)羅江庫(kù)區(qū)水源地10年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用主成分分析法，提取到4個(gè)主成分，進(jìn)一步計(jì)算主成分綜合得分，得出羅江庫(kù)區(qū)水源地2012年水質(zhì)最好，2011年水質(zhì)最差，總體水質(zhì)呈改善、向好趨勢(shì)。

3.2 根據(jù)主成分分析結(jié)果，得出影響羅江庫(kù)區(qū)水源地水質(zhì)的主要因子是BOD5、硫酸鹽、氯化物、高錳酸鹽指數(shù)和糞大腸菌群，進(jìn)一步分析主要因子年均濃度趨勢(shì)，得出五日生化需氧量基本穩(wěn)定，糞大腸菌群、硫酸鹽、氯化物基本呈下降趨勢(shì)，高錳酸鹽指數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)。

3.3 高錳酸鹽指數(shù)是地表水有機(jī)污染的重要指標(biāo)，主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖。建議推廣測(cè)土配方技術(shù)，實(shí)施化肥、農(nóng)藥零增長(zhǎng)行動(dòng)，加強(qiáng)水源地上游養(yǎng)殖場(chǎng)管控，加大執(zhí)法力度，嚴(yán)肅查處影響水源的違法行為，持續(xù)改善水源地水質(zhì)。