武儀辰，徐征和，馬吉剛，張立民，叢 鑫

(1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心，山東 濟(jì)南 250100；3.山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心昌邑管理站，山東 濰坊 261300)

我國水資源人均占有量少，并且時空分布不均，供需矛盾極為突出。跨流域調(diào)水是緩解水資源地區(qū)分布不均和供需矛盾的有效措施，是促進(jìn)缺水地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源開發(fā)利用的重要途徑之一[1]。山東省引黃濟(jì)青調(diào)水工程是一項大型跨流域調(diào)水工程，通水以來有效地緩解了膠東地區(qū)用水緊張的局面，為青島、濰坊兩市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了有力的水資源保障[2]。

引黃濟(jì)青調(diào)水工程集供水、灌溉、生態(tài)等多功能于一體，因此對供水質(zhì)量有著較高的要求[3]。國內(nèi)外水質(zhì)評價的方法有很多種，應(yīng)用較為廣泛的有水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[4-6]、綜合污染指數(shù)法[7-8]、模糊評價法[9-10]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[11]、灰色評價法[12]等。張瑞麗[13]進(jìn)行了2011年4—6月引黃濟(jì)青調(diào)水工程輸水沿程氮污染物的遷移轉(zhuǎn)化研究，分析了總氮(TN)、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮(NH3-N)的沿程變化趨勢和原因，結(jié)果表明：TN濃度在沿程呈下降趨勢但不同月份存在差別，硝酸鹽氮是氮污染物的主要存在形式，NH3-N和亞硝酸鹽氮濃度沿程有一定波動但變化較??；農(nóng)業(yè)面源污染、植物殘體分解、泥沙沉積作用、植物同化作用、微生物作用等因素會影響調(diào)水工程沿程氮污染物濃度變化。由于該研究時間范圍為調(diào)水水源只有黃河水的2011年，并僅基于4次取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行氮污染物濃度的變化分析，且沒有進(jìn)行水質(zhì)評價，因此，目前對引黃濟(jì)青調(diào)水工程沿程水質(zhì)變化趨勢和污染物時空分布分析尚缺乏系統(tǒng)研究。

本文中選擇引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠在增加長江水為調(diào)水水源后且調(diào)水時間較長的2018—2019年調(diào)水期的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在主成分分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、水質(zhì)綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，對比分析一個調(diào)水周期內(nèi)沿線水質(zhì)變化趨勢及主要污染物時空分布規(guī)律，可為后續(xù)調(diào)水規(guī)劃防控提供參考，對青島和沿程服務(wù)對象水資源保護(hù)和可持續(xù)利用具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

引黃濟(jì)青調(diào)水工程渠首利用打漁張進(jìn)水閘(東經(jīng)118°12′，北緯37°16′)引黃河水，首先在渠首沉砂池進(jìn)行沉淀，經(jīng)小清河分洪道子槽上閘混合南水北調(diào)水，途經(jīng)山東省濱州、東營、濰坊、青島4市的10個縣(市、區(qū))，經(jīng)宋莊、王褥、亭口、棘洪灘4級泵站提水入棘洪灘水庫(東經(jīng)120°20′，北緯36°37′)調(diào)蓄[14]。工程開辟輸水明渠長度為253 km，工程設(shè)計向青島市日供水量為3×105m3，年供水量為1.095×108m3，在優(yōu)先滿足青島市用水前提下，可向沿途城市供水6.4×107m3，是膠東地區(qū)重要的水資源保障和配置工程。近年來工程實行長江水、黃河水和當(dāng)?shù)厮嗨绰?lián)合調(diào)度[15]，輸水量遠(yuǎn)超設(shè)計量，幾乎全年調(diào)水運行。

本文中在渠首至棘洪灘水庫間共設(shè)7個水質(zhì)監(jiān)測斷面，分別為渠首引黃閘、道口村生產(chǎn)橋、小清河子槽下節(jié)制閘、引黃入白泵站、宋莊分水閘、亭口泵站和棘洪灘水庫入庫泵站。監(jiān)測斷面設(shè)置有水源類型見表1，工程輸水線路見圖1。

表1 引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠監(jiān)測斷面及水源類型

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及監(jiān)測項目

主要監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)選取選擇山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心提供的包括高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氟化物、硫酸鹽、氯化物、總磷(TP)、TN、銅、鋅、化學(xué)需氧量(CODCr)、5 d生化需氧量(BOD5)、NH3-N共11項污染指標(biāo)，采用2018年11月—2019年8月的監(jiān)測結(jié)果。2018年11月開始進(jìn)行黃河水和長江水聯(lián)合調(diào)度，調(diào)水量見表2。

圖1 引黃濟(jì)青調(diào)水工程輸水線路(從國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載，審圖號為GS(2019)3333(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)，經(jīng)ArcGIS 10.7軟件數(shù)字化處理后得到。)

表2 引黃濟(jì)青調(diào)水工程2018—2019年調(diào)水周期調(diào)水量

2.2 水質(zhì)研究方法

2.2.1 水質(zhì)評價指標(biāo)選取

對11個水質(zhì)因子進(jìn)行主成分分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，確定各水質(zhì)變量對主成分的貢獻(xiàn)率，保留主要因子進(jìn)行進(jìn)一步分析與評價。

主成分分析廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價指標(biāo)的選取及水環(huán)境質(zhì)量評價中[16-18]，用其確定主要因子的優(yōu)點在于可以消除評價指標(biāo)間的相關(guān)影響，在保留絕大部分信息的情況下僅用幾個指標(biāo)就可以代替原指標(biāo)。用貢獻(xiàn)率作為各主成分的權(quán)數(shù)，較為客觀、合理，計算也比較規(guī)范，因此選用主成分分析法確定水質(zhì)指標(biāo)。用統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(SPSS)軟件的主成分因子分析功能，對2018—2019年調(diào)水周期的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的各月平均值進(jìn)行主成分因子分析。先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Z得分(Z-score)標(biāo)準(zhǔn)化處理，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，計算主成分因子的特征值、對水環(huán)境質(zhì)量污染的方差貢獻(xiàn)率和累計方差，確定主成分因子的個數(shù)，選取主成分載荷值最大的指標(biāo)為評價指標(biāo)。

2.2.2 水質(zhì)評價

本文中水質(zhì)評價采用4種評價方法，分別是綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、水質(zhì)綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和主成分分析法，其中綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法能夠直觀地展現(xiàn)綜合水質(zhì)類別，判斷是否達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和超標(biāo)的指標(biāo)個數(shù)；水質(zhì)綜合污染指數(shù)法能夠判斷是否達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)但不能直觀看出綜合水質(zhì)類別，與綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)一樣，反映的都是水質(zhì)指標(biāo)的平均污染程度；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)主要突出最嚴(yán)重的污染因子對水質(zhì)的影響；主成分分析法能夠更準(zhǔn)確地對各斷面污染程度進(jìn)行排序[19-20]。幾種評價方法側(cè)重點不同且互為補充，可以全面、準(zhǔn)確、直觀地對水質(zhì)進(jìn)行評價。引黃濟(jì)青段屬于飲用水水源地二級保護(hù)區(qū)，各指標(biāo)的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)限值為國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)。

1)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Iwq以單因子水質(zhì)指標(biāo)為基礎(chǔ)，是河流水質(zhì)綜合分析評價指數(shù)[21-22]。由整數(shù)位和小數(shù)點后3位或4位有效數(shù)字組成，表達(dá)式為

(1)

式中：X1為河流總體綜合水質(zhì)級別；X2為綜合水質(zhì)在該級別水質(zhì)變化區(qū)間中所處位置；X3為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的指標(biāo)個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果，用于判別水質(zhì)類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)類別。

2)水質(zhì)綜合污染指數(shù)法。水質(zhì)綜合污染指數(shù)法是根據(jù)所選水質(zhì)指標(biāo)的算術(shù)平均值來綜合評價水體污染程度的方法[23]，計算公式為

(2)

(3)

式中：Pi為第i項指標(biāo)的單因子污染指數(shù)；ρi為第i項指標(biāo)的實際測量質(zhì)量濃度；ρ0為相應(yīng)類別的標(biāo)準(zhǔn)限值；P為水質(zhì)綜合污染指數(shù)，其中，P≤0.8為合格，0.82.0為重污染；n為指標(biāo)個數(shù)。

3)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)是一個突出最大污染因子影響的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，能夠反映該因子對水體污染的影響[24]，計算公式為

(4)

4)主成分分析法。對主成分進(jìn)行加權(quán)求和，即得最終評價值并用其評判水質(zhì)，權(quán)數(shù)為每個主成分的方差貢獻(xiàn)率。

用主成分分析法對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行斷面污染程度排序。研究[25]表明，用該方法計算簡便，客觀性較好，在可比性、定量定性分析結(jié)合程度、指標(biāo)權(quán)重選取等方面較其他方法有一定優(yōu)越性，是一種切實可行的水質(zhì)評價方法，適用于對水質(zhì)斷面污染程度進(jìn)行定量化評價。

各主成分得分Fm(m為主成分個數(shù))計算公式為

(5)

其中

(6)

式中：f為成分矩陣中相關(guān)系數(shù)；t為成分特征值；xi為第i項指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

主成分綜合得分F的計算公式為

(7)

式中λ1、λ2、λ3分別為第一、二、三主成分對應(yīng)的特征值[26]。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要水質(zhì)指標(biāo)選取

主成分分析得到的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣及其主成分因子貢獻(xiàn)率見表3。從表中可以看出，特征值大于1的主成分因子有3個，三者的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到88.721%，其中第一主成分可以表征無機污染指標(biāo)，主要受長江水影響；第二主成分可以表征氮、磷營養(yǎng)鹽指標(biāo)和有機污染指標(biāo)，主要受黃河水影響；第三主成分可以表征金屬元素污染指標(biāo)。其余成分包含信息較少，故舍棄。本文中選取所在第一、二主成分的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣中載荷值最大的9項指標(biāo)作為本研究的水質(zhì)評價指標(biāo)，其可包含絕大部分的信息，且能夠直接影響水質(zhì)的好壞，因此采用這9項指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價。

3.2 主要污染指標(biāo)的變化趨勢分析

分析7個監(jiān)測斷面9項主要污染指標(biāo)，即CODMn、氟化物、硫酸鹽、氯化物、TP、TN、CODCr、BOD5、NH3-N月平均值的逐月水質(zhì)變化趨勢，結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知，CODMn的質(zhì)量濃度在2018年11月達(dá)到最大值4.02 mg/L，然后減小，在2019年4—6月又增大，呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢，總體能達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，表明有機物和無機物污染不嚴(yán)重。由圖2(b)可知，氟化物質(zhì)量濃度在2018年11月達(dá)到最大值0.81 mg/L，然后有所減小，2019年4月稍高，其余月份呈現(xiàn)一定的波動且波動較小，總體能達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。由圖2(c)、(d)可知，硫酸鹽、氯化物濃度呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。由南水北調(diào)渠道取樣得到的數(shù)據(jù)顯示，2019年4—6月長江水硫酸鹽含量偏高。結(jié)合表2調(diào)水量來看，2018年11月和2019年3—6月長江調(diào)水量較大，因此4—6月引黃濟(jì)青主干渠中硫酸鹽質(zhì)量濃度偏大，5月達(dá)最大值224.94 mg/L。氯化物的質(zhì)量濃度在2018年11月和2019年4—6月數(shù)值較大，5月達(dá)到最大值139.62 mg/L，主要原因也是受長江水的水質(zhì)和水量影響。由圖2(e)可知，TP質(zhì)量濃度在2018年12月，2019年4、8月有3個明顯的峰值0.05 mg/L，但是總體能達(dá)到Ⅱ 類水標(biāo)準(zhǔn)。由圖2(f)可知，TN質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先增大再減小后又增大的趨勢，最大值3.29 mg/L出現(xiàn)在2019年2月，且數(shù)值在2018年12月至2019年3、8月均較大，僅能達(dá)到劣 Ⅴ 類水標(biāo)準(zhǔn)。圖2(g)顯示CODCr質(zhì)量濃度在2018年12月急劇增大至25.39 mg/L，達(dá)到 Ⅳ 類水標(biāo)準(zhǔn)，其他月份變化較為平穩(wěn)，波動不大，達(dá)到Ⅰ、Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。圖2(h)顯示BOD5質(zhì)量濃度值具有一定波動性，在2019年3月達(dá)到峰值2.59 mg/L，但是總體能達(dá)到 Ⅰ 類水標(biāo)準(zhǔn)，情況良好。由圖2(i)可知，NH3-N濃度在調(diào)水期內(nèi)有一定波動，總體呈現(xiàn)先減小再增大再減小的趨勢，質(zhì)量濃度最大值0.30 mg/L出現(xiàn)在2018年11月，總體均能達(dá)到 Ⅱ 類水標(biāo)準(zhǔn)。

表3 主成分分析得到的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣及其主成分因子貢獻(xiàn)率

TP在地表水中的污染源主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含磷化肥和生活污水[27]。2018年12月、2019年4月TP濃度的增大可能與生活垃圾分解和含磷化肥施用造成的農(nóng)業(yè)面源污染有關(guān)。2019年8月受臺風(fēng)“利奇馬”的影響[28]，山東省平均降雨量為158 mm，屬短時高強度降雨，導(dǎo)致地表土壤中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)隨降雨沖刷進(jìn)入河流，引起非點源污染，因此引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠中TP、TN濃度驟增。8月調(diào)水水源全來自于黃河，不僅總水量減少，而且缺少了長江水對黃河中較大濃度氮、磷的稀釋作用，但短時間強降雨的稀釋作用抵消不了污染作用，都是導(dǎo)致水中氮、磷濃度增大的原因。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，TN濃度在2018年12月至2019年3月增大是由斷面S4、S5的TN濃度增大所致，CODCr濃度在2018年12月增大也是由斷面S4、S5的CODCr濃度驟增所致，因此，TN、CODCr濃度突增的原因可能是斷面S4、S5附近的主干渠兩側(cè)為大范圍農(nóng)田，土壤中存在大量農(nóng)藥化肥，部分生活垃圾、建筑垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物在兩岸堆積，雨淋后會進(jìn)入渠道造成農(nóng)業(yè)面源污染和生活污染[29]。同時，沿渠有少量工廠和養(yǎng)殖場，可能有未經(jīng)處理的廢物和廢水排放，造成工業(yè)點源污染、養(yǎng)殖廢水污染。沿線跨渠道橋梁也可能有污染物進(jìn)入水體，如突發(fā)事件和降雨造成的污染。流量差異也是導(dǎo)致TN濃度發(fā)生波動的原因之一[30]。引黃濟(jì)青調(diào)水工程主要水源為黃河，黃河水中TN受上游工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)灌溉用水的影響偏大，導(dǎo)致主干渠中TN濃度全程偏高。BOD5反映了有機污染的水平，數(shù)值越大則有機污染越嚴(yán)重。主干渠中BOD5質(zhì)量濃度月平均值小于3 mg/L，表明有機污染不嚴(yán)重。NH3-N濃度在2019年4月后增大，主要原因是施入農(nóng)田的化肥約有30%隨水土流失和農(nóng)田灌溉退水進(jìn)入黃河[31]。2018年11月NH3-N濃度較大，同樣是由斷面S4、S5的NH3-N濃度較大所致，與銨態(tài)氮肥造成的農(nóng)業(yè)面源污染有關(guān)。原因是過量施用氮肥會造成銨態(tài)氮與硝態(tài)氮淋失進(jìn)入主干渠，且硝態(tài)氮較銨態(tài)氮更易溶于水。同時，有研究[13]表明，引黃濟(jì)青調(diào)水工程中硝態(tài)氮是含氮污染物的主要存在形式且與TN呈正相關(guān)，因此TN的濃度受硝態(tài)氮影響更大，與NH3-N的濃度的變化趨勢不同。

3.3 水質(zhì)評價

由于引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠中硫酸鹽(標(biāo)準(zhǔn)值為質(zhì)量濃度不大于250 mg/L)、氯化物(標(biāo)準(zhǔn)值為質(zhì)量濃度不大于250 mg/L)、氟化物(I類水限值為質(zhì)量濃度不大于1 mg/L)均能達(dá)到限值要求，因此僅對其余指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價。

3.3.1 水質(zhì)狀況時間變化特征與評價

引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠主要水質(zhì)指標(biāo)的單因子及綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價結(jié)果見表4，單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)如圖3所示。

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)判別取決于整數(shù)位，整數(shù)位的數(shù)值即為水的類別。由圖3可知，水質(zhì)指標(biāo)TN的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)最大，遠(yuǎn)超出其他水質(zhì)指標(biāo)的，其次是CODMn和TP，但是除TN外，水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)均在2左右，說明水質(zhì)受TN指標(biāo)的影響較大，且TN污染最嚴(yán)重。總體來看，主干渠全程的TN的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)為5.22～6.73，平均值為5.935，劣于目標(biāo)水質(zhì)2個等級。研究期10個月中TN的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)最大值出現(xiàn)在2019年2月，達(dá)到6.73。除TN外，水質(zhì)一直符合甚至優(yōu)于地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，能達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)要求。

表4 引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠主要水質(zhì)指標(biāo)的單因子及綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價結(jié)果

CODMn—高錳酸鹽指數(shù)；CODCr—化學(xué)需氧量；BOD5—5 d生化需氧量；TP—總磷；TN—總氮；NH3-N—氨氮。圖3 引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠主要水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

表5所示為水質(zhì)綜合污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的評價結(jié)果。由表4、5可知，3種指數(shù)的變化趨勢較為一致，基本呈現(xiàn)增大—減小—增大的趨勢，表明主干渠在該調(diào)水周期的冬季和初春水質(zhì)較差，秋末和春末夏初水質(zhì)較好，其中2018年4月、2019年11月水質(zhì)最好，2019年5—7月次之。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)反映2018年12月水質(zhì)最差，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)反映2019年2月為最差，這2個月的水質(zhì)綜合污染指數(shù)極為接近，原因主要是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子，而綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)反映了幾個水質(zhì)指標(biāo)的平均污染程度[23]，因此，2019年2月內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價為最差，而4月為最好，恰好TN濃度在2月最大而在4月最小，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)突出了污染最嚴(yán)重的TN的變化。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Iwq值均為2～4，水質(zhì)整體處于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，僅在2018年12月被污染為Ⅲ類水，達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。12月綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價為最差的原因是受CODCr濃度劇增的影響，導(dǎo)致11、12月評價結(jié)果差距較大。綜合3種評價方法的結(jié)果，引黃濟(jì)青調(diào)水工程總體水質(zhì)良好。

表5 引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠水質(zhì)綜合污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的評價結(jié)果

3.3.2 水質(zhì)狀況空間變化特征

表6所示為引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠水質(zhì)指標(biāo)隨斷面的變化。由于引黃濟(jì)青調(diào)水工程在春季和夏初調(diào)引長江水量較多，因此CODMn、氟化物、硫酸鹽、氯化物的濃度較大，流經(jīng)斷面S2后濃度均增大，并在后續(xù)河段中較為穩(wěn)定，波動不大。以下對第二主成分指標(biāo)進(jìn)行空間分析。

表6 引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠水質(zhì)指標(biāo)隨斷面的變化

用主成分分析法對斷面污染程度排序，各斷面水質(zhì)狀況綜合評價如表7所示。主成分綜合得分越高，則樣品中污染物越多，水質(zhì)越差[32]。由表可知，按主成分綜合得分由高到低的斷面排序為S5、S4、S7、S3、S6、S2、S1。斷面S1、S2和S3位于引黃濟(jì)青調(diào)水工程前半段，斷面S4、S5、S6和S7位于工程后半段，說明工程前半段的水質(zhì)整體優(yōu)于后半段的，水源水質(zhì)總體較好。雖然工程橫穿眾多自然河流；但是，為了確保水質(zhì)，輸水渠道穿越當(dāng)?shù)睾恿魅坎捎昧Ⅲw交叉形式，且在河道上設(shè)置分水閘來保護(hù)河流，因此輸水渠道水質(zhì)狀況幾乎不受周圍自然河流的影響。斷面S4、S5水質(zhì)變差的原因是渠道流經(jīng)人口密集區(qū)，受農(nóng)業(yè)面源污染和附近少量沿渠工廠、養(yǎng)殖場廢水、部分生活垃圾等隨降雨進(jìn)入河流的影響，以及跨渠道橋梁帶來的突發(fā)事件污染和泵站取水時底泥的短期釋放[33]。斷面S5為分水閘，連接膠東引黃調(diào)水工程，向膠東地區(qū)調(diào)水。分水后引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠水量減小，部分底泥被帶走。斷面S6、S7水質(zhì)好轉(zhuǎn)的原因是凈化作用抵消部分污染作用，斷面附近污染源少，且受采樣時水流擾動和底泥影響較小。

針對每個水質(zhì)因子選擇2個典型月份，分析不同斷面水質(zhì)指標(biāo)隨斷面的變化趨勢，如圖4所示。

表7 引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠各斷面水質(zhì)狀況綜合評價

由圖可以看出，TP濃度基本呈現(xiàn)沿程減小的趨勢，這是由水體的自凈功能所致的。沿程TP濃度隨季節(jié)變化無明顯規(guī)律。除2019年4月斷面S6和8月斷面S3達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)外，其余月份均能達(dá)到Ⅱ類水以上標(biāo)準(zhǔn)。斷面S3的TP濃度增大可能與農(nóng)業(yè)面源污染有關(guān)。

秋末和春末夏初TN濃度呈現(xiàn)沿程減小的趨勢，冬季和初春呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，在斷面S4、S5濃度驟增。由于斷面S1為工程水源之一黃河，因此TN濃度較大，后隨長江水匯入被稀釋。斷面S4、S5的TN濃度增大由農(nóng)業(yè)面源、工廠和養(yǎng)殖場廢水等的污染所致，并且還可能與泵站格柵攔截的污染物如生活垃圾和植物殘體被分解有關(guān)。2019年8月斷面S3受臺風(fēng)“利奇馬”導(dǎo)致的強降雨和來水水源全為黃河水的影響，農(nóng)用化肥、農(nóng)藥等淋失由排灌閘進(jìn)入河道，導(dǎo)致氮、磷含量均有所升高。

CODCr濃度在冬、春季呈沿程增大、夏季呈沿程減小的趨勢，一般在斷面S2、S7增大，在斷面S3、S4、S5、S6有一定的波動。除2018年12月在斷面S4、S5因農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)廢水和養(yǎng)殖廢水、生活垃圾等污染而突增外，其他月份變化均較平穩(wěn)，濃度差別較小。BOD5濃度在初冬呈沿程減小、春末以后呈沿程增大的趨勢。春末以后斷面S4、S5的BOD5濃度較大，斷面S6的較小，其他月份變化較平穩(wěn)，BOD5濃度總體相差不大，并且維持在較低水平。

NH3-N濃度在冬季和初春呈現(xiàn)沿程先減小再增大的趨勢，并且在斷面S3、S4、S5的濃度較小，其他月份呈現(xiàn)減小—增大—減小的趨勢。斷面S4、S5的NH3-N濃度普遍較大，主要由春季農(nóng)業(yè)化肥污染、生活污水污染等導(dǎo)致。除2019年7月、2018年11月外，其他月份各斷面的NH3-N濃度均可達(dá)Ⅰ、Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，有關(guān)部門采取有力措施，大幅減少了工廠、養(yǎng)殖場的廢水排放和兩岸生活垃圾堆積問題，對下游斷面S4、S5水質(zhì)改善起到積極作用，如：在《山東省生態(tài)保護(hù)紅線規(guī)劃(2016—2020年)》中，將渠首至沉砂池段建設(shè)為風(fēng)景區(qū)，設(shè)為Ⅰ類紅線區(qū)；在明渠段安裝防護(hù)網(wǎng)，對工程進(jìn)行全封閉管理，設(shè)立截污管網(wǎng)等，優(yōu)化內(nèi)澇排放；排查整頓沿岸不合規(guī)的工廠和養(yǎng)殖場，規(guī)范生活垃圾堆積；運用科技手段加強監(jiān)管；“河長制”信息管理系統(tǒng)的建成等，都有效地保障了引黃濟(jì)青調(diào)水工程調(diào)水水質(zhì)[24]。

4 結(jié)論

本文中針對引黃濟(jì)青調(diào)水工程主干渠在增加長江水為調(diào)水水源后且調(diào)水時間較長的2018—2019年調(diào)水期的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在主成分分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、水質(zhì)綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法來對比分析一個調(diào)水周期內(nèi)工程沿線水質(zhì)變化趨勢及主要污染物時空分布規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)主成分分析得出硫酸鹽、TN等9項水質(zhì)指標(biāo)為主要污染因子。第一主成分的4項指標(biāo)主要受長江水的影響，第二主成分的5項指標(biāo)主要受黃河水的影響。

2)2018—2019年調(diào)水周期內(nèi)總體水質(zhì)情況良好，除TN外，水質(zhì)符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，可達(dá)目標(biāo)水質(zhì)要求。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)、水質(zhì)綜合污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均基本呈現(xiàn)先增大后減小、到2019年8月又增大的趨勢，表明主干渠在該調(diào)水周期的冬季和初春水質(zhì)較差，秋末和春末夏初水質(zhì)較好，其中2018年11月、2019年4月水質(zhì)最好，2019年5—7月次之。

3)在空間分布上，硫酸鹽、氯化物、氟化物、CODMn濃度在斷面S2后增大并在后續(xù)斷面波動較小，TN濃度在斷面S2后因TN被稀釋而減小，TP濃度基本呈現(xiàn)沿程減小的趨勢。其他水質(zhì)指標(biāo)隨季節(jié)變化，沿程趨勢發(fā)生改變。工程前半段的水質(zhì)總體優(yōu)于后半段的，斷面S4、S5的水質(zhì)最差，主要以氮、磷污染物為主，與農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)和養(yǎng)殖場廢水污染、生活垃圾污染等有關(guān)。

4)綜合來看，4種評價方法各有優(yōu)勢，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價數(shù)值直觀性強，水質(zhì)綜合污染指數(shù)法反映綜合污染，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法突出反映TN的污染，主成分分析法能對斷面污染程度進(jìn)行科學(xué)、直觀的排序。4種方法互為補充，可以對工程水質(zhì)進(jìn)行全面分析評價。