李佳佳 張 龍

(1.山西省水利發(fā)展中心,山西 太原 030002;2.山西冶金巖土工程勘察有限公司,山西 太原 030000)

1 水源地概況

松塔水庫水源地位于壽陽縣松塔鎮(zhèn)西草莊村東 500m處,地處瀟河主流松塔河上,控制流域面積1174km2,總庫容9740萬m3,是一座以城市和工業(yè)供水及發(fā)電為主,兼顧防洪、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用的中型水利樞紐工程。

松塔水庫水源地2016年被納入全國重要飲用水水源地,目前供水工程主要由榆次供水管路和壽陽供水管路兩部分組成,承擔(dān)著20萬人的生活用水任務(wù),工業(yè)供水2200萬m3,農(nóng)業(yè)供水830萬m3,改善瀟河灌區(qū)灌溉面積17.57萬畝,年可發(fā)電349萬kW·h,是晉中市重要的民生水利樞紐工程。為保障松塔水庫水源地用水安全,水質(zhì)檢測和水質(zhì)分析是十分必要的。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)監(jiān)測點位于松塔水庫壩前進水塔,由山西省水環(huán)境監(jiān)測中心晉中分中心監(jiān)測。根據(jù)2018—2022年月監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測項目包含《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中要求的29個項目,剔除常年監(jiān)測結(jié)果低于方法檢出限的項目[1],選取了13個水質(zhì)指標,即pH值、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、氟化物、汞、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮。

2.2 研究方法

主成分分析法是利用降維的思想,在損失很少信息的前提下把多個變量通過線性變換選出較少個數(shù)重要變量的多元統(tǒng)計分析方法。轉(zhuǎn)化生成的較少個數(shù)重要變量即為主成分,其中每個主成分都是原始變量的線性組合,且各個主成分之間互不相關(guān),具有較好的客觀性。本研究采用主成分分析法得到影響松塔水庫水源地水質(zhì)的主要因子,分析水源地2018—2022年水質(zhì)變化趨勢,為水源地水質(zhì)保護提出對策。主成分分析法具體步驟如下[2-6]:

a.對選取的13個水質(zhì)指標原始數(shù)據(jù)進行標準化處理,消除量綱和數(shù)量級的影響。

b.對標準化的13個水質(zhì)指標進行相關(guān)性分析,運用KMO檢驗統(tǒng)計量和Bartlett球形度檢驗,判斷標準化后的數(shù)據(jù)是否適合主成分分析。

c.計算主成分貢獻率和累計貢獻率,確定主成分個數(shù)。

d.計算主成分分值,確定綜合函數(shù),對各年份進行水質(zhì)排序。

3 計算結(jié)果

3.1 相關(guān)性分析

表1計算結(jié)果為標準化后的13個指標的相關(guān)系數(shù),相關(guān)系數(shù)絕對值越大,相關(guān)關(guān)系就越密切。相關(guān)系數(shù)的正負表示兩個指標相關(guān)關(guān)系的正負。硝酸鹽氮和TN相關(guān)系數(shù)為0.977,是相關(guān)關(guān)系最密切的一對指標,表明兩者來源相似度極高。CODMn與BOD5相關(guān)系數(shù)為0.770,硫酸鹽與氟化物相關(guān)系數(shù)為0.682,表明兩組指標具有較強的正相關(guān)關(guān)系。13個指標中pH值與其他指標的相關(guān)性都較弱,DO、CODMn、CODCr、BOD5與各指標相關(guān)性較好。

表1 各指標相關(guān)性矩陣

表2顯示,經(jīng)標準化的各指標KMO=0.695,Bartlett球形度檢驗顯著性為0,符合KMO檢驗結(jié)果為0.5～0.7,同時Bartlett檢驗結(jié)果的顯著性小于0.05的要求,表明13個指標適宜進行主成分分析。

表2 KMO和Bartlett檢驗

3.2 主成分提取

根據(jù)提取主成分的累計貢獻率和特征值判斷,累計貢獻率達到70%～80%,特征值大于1[2],符合主成分提取要求。根據(jù)表3計算結(jié)果,本次提取了Z1、Z2、Z3、Z4共4個主成分,特征值分別為5.089、2.251、1.344、1.009,對應(yīng)的方差分別為39.145%、17.316%、10.338%、7.758%,累積方差為74.557%。第一主成分的特征值和方差值較大,第二、第三和第四主成分的特征值和方差值相對較小,表明水源地水質(zhì)的污染源復(fù)雜多樣。

表3 主成分特征值及方差貢獻率

表4計算結(jié)果表示指標與主成分相關(guān)程度,系數(shù)絕對值越大越顯著相關(guān)。第一主成分Z1的方差百分比為39.145%,與CODMn、CODCr、BOD5呈顯著正相關(guān),與硫酸鹽、汞顯著負相關(guān),是最主要的主成分,主要反映無機物、有機物對水源地水質(zhì)的影響。第二主成分Z2的方差百分比為17.316%,與硝酸鹽氮、TN呈顯著正相關(guān),主要反映含氮污染物對水質(zhì)的影響。第三主成分Z3的方差百分比為10.338%,與pH值呈顯著正相關(guān),主要反映pH值對水質(zhì)的影響。

表4 特征值對應(yīng)的載荷矩陣

3.3 綜合得分評價

根據(jù)式(1)～式(3)計算特征值所對應(yīng)的得分系數(shù)矩陣、主成分得分、綜合得分。

(1)

(2)

(3)

式中:Pij為得分系數(shù)矩陣中第i個主成分的第j個指標的數(shù)值;Zij為載荷矩陣第i個主成分的第j個指標的數(shù)值;λi為第i個主成分的特征值;Fi為第i個主成分的得分,見表5;xij為第i個指標的第j個標準化數(shù)值;F為主成分的綜合得分,見圖1。

圖1 2018—2022年綜合得分

表5 主成分各年份得分

由于水源水質(zhì)指標為低優(yōu)指標,得分越高,說明水源污染越嚴重。根據(jù)表5和圖1,松塔水庫水源地2018—2022年水質(zhì)綜合得分呈顯著下降趨勢,說明水源地水質(zhì)得到改善。

3.4 水質(zhì)變化原因分析

2018年5月,根據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部對松塔水庫集中式飲用水水源地進行現(xiàn)場督查提出的整改意見,壽陽縣人民政府下發(fā)了《壽陽縣人民政府關(guān)于印發(fā)松塔水庫集中式飲用水水源地整治方案的通知》(縣政發(fā)〔2018〕16號),2018年11月,松塔水庫一級、二級陸域保護區(qū)水源地發(fā)現(xiàn)問題整改完成,涉及垃圾清理、面源污染治理、土地流轉(zhuǎn)退耕綠化、商業(yè)開發(fā)退出、圍欄防護、干線公路標準化建設(shè)等。自2018年完成整改后,松塔水庫水源地水質(zhì)逐年改善。

4 結(jié)論與建議

a.根據(jù)2018—2022年松塔水庫水源地月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),采用主成分分析法,提取了4個主成分,通過計算綜合得分,2018—2022年松塔水庫水源地水質(zhì)逐年得到提升和改善。

b.根據(jù)主成分分析結(jié)果,影響松塔水庫水源地水質(zhì)的主要因子是CODMn、CODCr、BOD5、硫酸鹽、TN、pH值。

c.根據(jù)分析,松塔水庫水源地水質(zhì)得到提升和改善,但是水源地仍存在總氮超標、保護區(qū)未完全封閉、保護區(qū)內(nèi)有農(nóng)業(yè)種植等問題,需要水源地管理部門進一步投入技術(shù)和資金解決水源地問題,保障人民用水安全。