王 梅

（寧夏華正檢測技術(shù)有限公司，寧夏 銀川 750001）

引言

寧夏回族自治區(qū)寧東能源化工基地是國務院批準的國家重點開發(fā)區(qū)，規(guī)劃區(qū)總面積3 500 平方公里(核心區(qū)面積800 平方公里)。自2003 年開發(fā)建設(shè)以來，先后被確定為國家重要的大型煤炭生產(chǎn)基地、“西電東送”火電基地、煤化工產(chǎn)業(yè)基地、國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級示范區(qū)、現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)、綠色園區(qū)、新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地、外貿(mào)轉(zhuǎn)型升級基地，但隨著寧東基地經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的不斷推進與發(fā)展，作為第二產(chǎn)業(yè)的水資源，其利用和保護備受關(guān)注，因此研究水資源時空分布和變化特征對寧東基地長遠發(fā)展至關(guān)重要[1]。目前，河流和湖庫水質(zhì)評價方法包括單因子評價法、綜合污染指數(shù)評價法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、主成分分析法、灰色系統(tǒng)評價法、模糊綜合評價法、貝葉斯數(shù)學統(tǒng)計法等方法[2-4]。每種評價方法各有優(yōu)缺點。其中，單因子評價法是水質(zhì)評價中應用最廣泛的評價方法，通過評價參數(shù)實際監(jiān)測值與標準值比較，從而判斷水質(zhì)類型[5-6]，其優(yōu)點是簡單直觀，但無法判斷水質(zhì)的總體污染情況[7]。主成分分析法采用降維技術(shù)將多指標標準化為少數(shù)幾個綜合指標，對高維變量進行綜合和簡化，減少原始數(shù)據(jù)信息損失，提高分析結(jié)果的可靠性，目前已廣泛應用于水[8]、大氣[9]、土壤[10]以及區(qū)域綜合評價。寧夏基地地表水主要有邊溝、西天河(大河子溝)、鴨子蕩水庫、圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖。目前作為大量涌入礦井水的人工湖圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖利用效率極低，僅有30%，與國家對礦井疏干水利用要求相去甚遠[11]。本文選取寧東基地供水工程的核心引水型水庫鴨子蕩水庫和大量礦井水形成的人工湖(圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖)為研究對象，采用單因子評價法、Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法分析寧東地表水水質(zhì)整體達標情況和變化規(guī)律，利用綜合污染指數(shù)評價法和主成分分析法確定主要污染因子及各影響指標權(quán)重對水質(zhì)進行綜合評價，歸納水質(zhì)控制的主要因素。為寧東基地供水工程水環(huán)境管理以及提高礦井水利用效率等難題提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與評價因子選擇

2019 年10 月至2020 年10 月我公司受寧東基地環(huán)境監(jiān)測站委托，對寧東基地供水工程的核心引水型水庫鴨子蕩水庫、圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖按照《地表水和廢水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 91—2002）[12]進行每月一次的樣品采集（共計11 次），參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）[13]進行了水溫、pH 值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)指數(shù)等24 項基本水質(zhì)指標監(jiān)測，因24 項水質(zhì)參數(shù)中水溫和pH 值不參與水質(zhì)評價，且除高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日化學需氧量（BOD5）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和氟化物（FL）外，其余水質(zhì)參數(shù)含量極低，故為了監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性和代表性，本項目選擇主要污染物高錳酸鹽指數(shù)、五日化學需氧量、化學需氧量、氨氮、總磷和氟化物等6 項有效指標的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和評價。

1.2 數(shù)據(jù)處理及分析方法

本文不同監(jiān)測點位水質(zhì)參數(shù)顯著性分析均使用SPSS Statistics 軟件進行，水質(zhì)參數(shù)年度比較采用獨立樣本t 檢驗分析，水質(zhì)參數(shù)季節(jié)性分析及不同斷面間比較，所有樣本數(shù)據(jù)進行分析檢驗前均進行了正態(tài)分布檢驗；P＜0.05，表明代表性顯著。

1.3 水質(zhì)評價方法

1.3.1 單因子評價法

單因子評價法可清晰表示研究水體是否滿足水質(zhì)要求，通過選取某一個評價參數(shù)的多次監(jiān)測極值或均值，與該因子的標準值進行比較，以最高類類別為斷面綜合水質(zhì)評價。

1.3.2 Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法（Daniel 趨勢檢驗分析）

Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法（Daniel 趨勢檢驗分析），即利用檢測指標均值數(shù)據(jù)求出各污染物年均濃度進行趨勢變化分析。計算公式如式（1）和式（2）。

式中：Xi為周期i 到周期N 按濃度值從小到大排列序號；Yi為按時間排列序號；di為變量Xi和Yi的差值。

將秩相關(guān)系數(shù)法gs 絕對值同Spearman 秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp進行比較。，則表示變化趨勢有顯著意義；如果γs是負值，表明在統(tǒng)計時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計計量指標呈下降或好轉(zhuǎn)趨勢；如果γs是正值，表明在統(tǒng)計時段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計計量指標呈上升或加重趨勢。當，則表明變化趨勢沒有顯著意義，說明在評價時段內(nèi)檢測指標變化穩(wěn)定或平穩(wěn)。

1.3.3 綜合污染指數(shù)評價法

將水質(zhì)單因子指標數(shù)據(jù)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838—2002）各湖庫水質(zhì)目標標準限值相比，得出各指標的污染分指數(shù)，并通過各指標污染分指數(shù)的算術(shù)平均值計算出水體綜合污染指數(shù)，以說明水體污染程度[14]。綜合污染指數(shù)等級水質(zhì)分級表見表1[15]。

表1 綜合污染指數(shù)評價分級表

污染指數(shù)計算公式，見式（3）。

式中：P 為水體綜合污染指數(shù)；n 為選取的污染指標項目指數(shù)；Pi為第i 項水質(zhì)指標的污染分指數(shù)；Ci為第i項水質(zhì)指標的實測濃度值；C0為第i 項水質(zhì)指標的評價標準值；PDO為溶解氧的污染指數(shù)。

1.3.4 主成分分析法

主成分分析法是一種統(tǒng)計方法，采用正交法將一組可能相關(guān)的變量（實體，每個實體具有不同的數(shù)值）的觀察值轉(zhuǎn)換為一組稱為主成分的線性不相關(guān)變量值。PCA 是最簡單的基于特征向量的多元分析，通過降維技術(shù)，客觀處理各個指標的權(quán)重，使評價結(jié)果更加客觀。其主成分分析的模型見式（4）和式（5）。

綜合評價函數(shù)：

式中：a1m、a2m、…、anm為原始變量矩陣協(xié)方差矩陣的特征值對應的特征向量；ZX1、ZX2、…，ZXn為原始變量矩陣經(jīng)過標準化處理值；λ1、λ2、…，λp為主成分個數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 單因子及Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法評價結(jié)果

根據(jù)2019 年和2020 年《寧東能源化工基地環(huán)境質(zhì)量報告》標準限值要求和《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）標準，本文利用單因子及Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對2019 年10 月至2020 年9 月鴨子蕩水庫、圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖逐月實測數(shù)據(jù)進行分析比較，查秩相關(guān)系數(shù)檢驗表，Wp11，0.05=0.618。

結(jié)果表明，鴨子蕩水庫能夠達到地表水Ⅲ類限值要求，圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖均為劣V 類，且Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法結(jié)果表明，南湖的氟化物存在顯著上升趨勢，其他各檢測因子雖有上升或下降，但均不呈現(xiàn)顯著性變化。結(jié)果見表2。

表2 2019 年—2020 年均值及變化規(guī)律表

2.2 綜合污染指數(shù)評價結(jié)果

將檢測點位各指標實測數(shù)據(jù)代入公式（3）進行計算，為得到具有可比性綜合評價指標，本文在綜合污染指數(shù)評價計算中Co 統(tǒng)一選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2002）表1Ⅲ類，得到各點位檢測指標綜合指數(shù)見表3，結(jié)合表1 綜合污染指數(shù)評價級別可以看出，鴨子蕩水庫高錳酸鹽指數(shù)、總磷、氟化物和氨氮污染指數(shù)范圍在0.19～0.40 之間，污染狀況均較低，但五日化學需氧量、化學需氧量和溶解氧屬于中度污染，因此該點位整體屬于輕度污染；圓疙瘩湖和南湖五日化學需氧量和化學需氧量屬于嚴重污染，以上兩個點位整體屬于重度污染；鴛鴦湖五日化學需氧量、化學需氧量和氟化物屬于嚴重污染，整體屬于重度污染。

表3 寧東地表水各項指標污染分指數(shù)Pi 及綜合污染指數(shù)P

由此表明，無論是作為寧東基地核心飲水工程的鴨子水庫還是大量礦井水形成的人工湖，影響水質(zhì)狀況的主要污染指標為五日化學需氧量、化學需氧量和溶解氧，表明水中存在還原性質(zhì)有機污染物，另外，鴛鴦湖水體污染還受高鹽影響。

2.3 主成分分析結(jié)果

本文選擇對水體達標情況影響較大的5 個指標高錳酸鹽指數(shù)、五日化學需氧量、化學需氧量、溶解氧、氨氮和氟化物進行主成分分析。首先，將原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，將標準化處理后的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。根據(jù)主成分選取原則，特征值大于1，對應第1、第2 和第3 主成分，其方差貢獻率和累計方差貢獻率結(jié)果見表4。

表4 特征值及貢獻率

為進一步更好地解釋各檢測指標的意義，計算初始因子載荷矩陣，每個載荷量表示主成分與對應變量的相關(guān)系數(shù)，正值表示正相關(guān)，負值表示負相關(guān)，絕對值越接近1，表示相關(guān)性越高。根據(jù)初始因子荷載量，計算主成分荷載值，從而確定因子指標權(quán)重，并進行歸一化處理，計算結(jié)果見表5。由主成分賦權(quán)結(jié)果可以看出，作為寧東基地大型供水工程鴨子蕩水庫，化學需氧量和五日化學需氧量占據(jù)相對較大的權(quán)重；而礦井水形成的人工湖（圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖）化學需氧量、五日化學需氧量、溶解氧和氟化物占據(jù)權(quán)重較大，這與前面單因子評價法和綜合污染指數(shù)評價法分析的時空分布結(jié)果相符，表明寧東基地地表水水質(zhì)水體中還原性物質(zhì)是導致富營養(yǎng)化的主要因素，且人工湖受鹽困擾。

表5 主成分因子荷載及賦權(quán)計算結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用單因子評價法、Spearman 秩相關(guān)系數(shù)法、綜合污染指數(shù)評價法和主成分分析法4 種方法研究結(jié)果一致表明影響寧東基地鴨子蕩水庫、人工湖(圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖)水質(zhì)狀況主要檢測指標為五日化學需氧量、化學需氧量和溶解氧，另外，人工湖還受到氟化物的影響。總之，無論是作為寧夏化工基地的核心引水型水庫鴨子蕩水庫，還是大量礦井水形成的人工湖（圓疙瘩湖、鴛鴦湖和南湖），均不同程度地受水體中還原性有機污染物污染，且人工湖還存在高鹽污染。原因可能為：

1）寧東地區(qū)因地域特性為干旱少雨，蒸發(fā)量大；

2）作為引水型工程的鴨子蕩水庫對黃河水的依賴過高；

3）大量礦井水形成的人工湖因水資源管理制度的問題，導致礦井水回用率不高，且處理不到位；

綜上，寧東化工基地地表水綜合利用與改善亟需解決，需要節(jié)約用水、節(jié)流和治污并舉，保護水源，優(yōu)化配置，提高工業(yè)結(jié)構(gòu)的要求，才能降低水體的污染。