2002—2017年葠窝水库及入库河流水质相关性分析和影响因素<sup>*</sup>

水库水质安全问题一直都是人们关注的重点[1-2]。近年来，由于受自然环境变化及人类活动等综合作用的影响，尤其是长期施用氮磷肥、工业废水和生活污水的影响，污染物随入库河流进入库区，导致库区污染日益严重，水华现象频繁暴发，直接影响居民饮用水安全，破坏水体生态平衡[3-4]。例如，近年来巴西的奥罗斯水库也受到来自不同污染源的氮、磷影响，导致水质恶化[5-6]。水库与入库河流存在空间上的连续性，入库河流随地表径流携带流域内各种污染进入湖库，是造成库区水质变化的重要原因[7-8]。目前，李文赞等[9]和王琼等[10]分别研究了密云水库和大伙房水库主要入库河流变化趋势和影响因素，均表明入库河流污染物输入对水库水质产生一定的影响。但在长时间序列基础上研究二者之间相关性和主要影响因子的报道较少。对水库及入库河流进行相关性分析，识别主要影响因子，对于掌握入库河流水质状况，有针对性地管理水质目标，确保水质安全具有重要意义[11-12]。

葠窝水库位于辽阳市太子河干流，距辽阳市40 km，是一座集防洪、发电、灌溉、工业用水和旅游观光等多功能于一体的大Ⅱ型水利枢纽工程[13]。近年来，水华现象偶有出现。研究发现，水土流失、废水排放及农业面源污染等是造成水库水质变化的主要原因[14]。因此，本文通过分析葠窝水库及其入库河流2002—2017年期间主要指标的相关性，确定主要影响因素，进而提出保护措施。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

葠窝水库(123.5417°E，41.2194°N)总库容为 7.91亿m3，担负着辽阳、灯塔、鞍钢、庆阳化工厂等企业的供水任务，年供水量为10.7亿m3[15-16]。库区共布设6个点位，分别为坝前、库中、兰家崴子、细河、胡巴什和兰河，取6个点位均值作为葠窝水库数值。此外，水库还有4条入库河流，分别是太子河入库(兴安)、细河(邱家)、兰河以及太子河出库(葠窝坝下)，断面设置见图1。葠窝水库坝址以上流域主要分布在本溪市和辽阳市。本溪市是1座以冶金为主的工业城市，城镇化率较高，已建立起冶金、中成药和农产品等门类齐全的工业体系；辽阳市是新兴的现代石化轻纺工业基地。葠窝水库作为辽宁省主要水源之一，是辽阳、本溪和鞍山等城市的主要工业和农业用水水源，因此，保护其水源水质安全尤为重要。

1.2 数据来源

水质数据来源于辽宁环境监测2002—2017年的监测数据，监测方法采用GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的推荐方法。

1.3 研究方法

单因子评价方法[5, 17]是各评价项目监测值与相应的水质标准值进行比较，确定单项项目的水质类别，以评价项目中最劣类别代表其水质状况，是目前使用最多的水质评价法[18]，可直接了解水质状况与评价标准之间的关系[19]。遵照《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办[2011]22 号)的相关技术规定，本文主要选取pH、DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP、挥发酚、石油类9项指标进行评价。

Spearman相关性分析[20]是一种不依赖于总体分布的非参数检验，可以准确描述两者之间的相关性。

主成分分析(PCA)是一种将多维因子转换为同一系统中进行定量化研究、理论比较完善的统计方法，在指标权重选取上有一定优越性，因此广泛应用于河流水质评价中，旨在利用降维思想，把多指标转化为少数几个综合指标(主成分)，其中每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复[21]。这种方法在引进多方面变量的同时将复杂因素归结为几个主成分，使问题简单化，同时得到的结果更加科学有效，可在众多影响因素中筛选出主要污染指标，进而判断污染来源。

数据分析采用Excel、Origin 2018和SPSS 20.0进行。

2 结果与讨论

2.1 葠窝水库及入库河流水质相关性分析

根据单因子评价法[22]，2002—2012年，太子河入库和细河以劣Ⅴ类为主，葠窝水库和太子河出库以Ⅳ类为主，2013年以来逐渐转好为Ⅱ—Ⅴ类，而兰河水质多年来保持良好。表1统计了9项指标的超标率，其中氨氮、石油类和挥发酚为最高的3项超标指标。

图2展示了2002—2012年和2013—2017年2个时间段3种主要指标的浓度变化趋势。2002—2012年，太子河入库、细河、葠窝水库和太子河出库氨氮平均浓度分别为2.10，6.06，1.27，1.12 mg/L，石油类平均浓度分别为0.264，0.503，0.074，0.049 mg/L，挥发酚平均浓度为0.0929，0.1289，0.0037，0.0042 mg/L。2013年以来水质有所好转，氨氮平均

浓度下降到1.12，1.67，0.84，0.58 mg/L，石油类下降到0.037，0.037，0.055，0.015 mg/L，挥发酚下降到0.0025，0.0105，0.0015，0.0008 mg/L，兰河水质多年来保持良好。从时间序列上分析，2013年以来，库区及入库河流水质浓度均有所下降。从空间上分析，上游至下游平浓度均值和中值都逐渐降低，浓度最大值从上游到下游显著下降，污染程度逐渐降低，可能与水库下游无特征污染物输入有关，在水体稀释和自净作用下，污染物浓度逐渐降低。

表2展示了葠窝水库和入库河流主要污染指标的Spearman相关性。葠窝水库与细河和太子河出库断面在氨氮上呈显著相关，说明库区氨氮浓度主要受太子河入库河流影响，且对出库河流也有影响，与接受上游本溪市生活污水、北台钢铁厂废水以及矿山开采带来的大量污水、矿渣有关[14]；库区石油类与4条出入库河流显著相关，挥发酚与3条入库河流显著相关，说明上游3条入库河流均对库区水质有很大影响，库区石油类浓度对出库水质有影响，这与上游本钢焦化厂排放的废水有很大相关性[23]。

注：**代表在 0.01 水平(双侧)上显著相关；*在0.05 水平(双侧)上显著相关。

2.2 葠窝水库及入库河流主要影响因素分析

按水质相似性将葠窝水库及其入库支流分为上游、下游和库区3个典型空间区域，可以较客观地反映水质空间分布的主要影响因素[24]。根据PCA中主成分个数选取原则[25]，利用SPSS 20.0软件可直接得出3个典型区域的主成分方差，见表3。包括特征值λ、解释方差δ和累积方差贡献率，其中特征值λ是主成分影响力度大小的指标，如λ≥1，表示影响力度大，该主成分的解释力度可以代替原始数据；λ<1，则表示影响力度不够，可忽略不计[26-28]。依据主成分分析理论，如果前N个主成分的累积方差贡献率达到70%，说明前N个主成分可以反映数据大量信息，可以对3个典型区域水质进行综合评价。通过分析特征根数值衰减折线图(图3)中特征值>1时所对应的成分数，可进一步确定上述3个典型区域应提取的主成分个数。

PCA中主成分载荷矩阵是指各指标与主成分之间的关系，指标与某一成分的联系系数的绝对值越大，则该成分与指标之间的联系越紧密。因此，通过主成分载荷矩阵分析可以反映出3个典型区域的主要影响因素。利用SPSS 20.0软件，对水温、pH、电导率、DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TN、石油类、挥发酚、COD和TP 12项主要指标进行分析，可直接得到主成分载荷矩阵结果，见表4。

由表4分析可知：上游区域中，成分1解释方差所占比例最大，具有较高因子负荷的变量为CODMn、COD、挥发酚、pH和NH3-N，可推断其以工业源和生活污染源为主要污染源[29]；成分2、3和4解释方差所占比例相差不多，因子负荷变量分别为DO、TN和水温，可推测其主要受水生植物的生理过程[30]、农业面源[31]或客观因素影响。

下游区域中，成分1解释方差所占比例最大，具有较高因子负荷的变量为DO、TN、CODMn、COD、pH、BOD5和TP，可推断其以农业面源和工业源为主要污染源，应关注营养物质的输入；成分2和3中解释方差所占比例相差不多，主要因子负荷变量为NH3-N、挥发酚或石油类，推断其受周边工业源影响较大。

库区中，成分1解释方差所占比例最大，具有较高因子负荷的变量为CODMn、挥发酚、pH、石油类和TN，可推断其以工业源为主；成分2、3和4解释方差所占比例相差不多，主要因子负荷变量为NH3-N、BOD5和TP，可推断其以农业面源为主。

因此，选用 PCA法评价葠窝水库及其入库河流，旨在运用降维思想将多个变量指标转换成少数评价指标，大大降低了原始数据复杂性，为水境质量分析评价提供了科学简单的方法。根据分析结果，水质的限制性指标主要为CODMn、COD、挥发酚、NH3-N、TN和TP，由此推断工业源、农业面源和生活源为主要污染源。

3 结论

1)2002—2017年，葠窝水库及入库河流的主要污染指标为氨氮、石油类或挥发酚，且二者之间有很强的相关性。其中，氨氮污染主要来自上游本溪市生活污水、北台钢铁厂废水以及上游矿山开采的废水、废渣；石油类和挥发酚污染来自入库河流上游本钢焦化厂排放的废水。

2)葠窝水库及入库河流在空间上分为上游区、下游区和库区3部分，能较客观地反映3种不同水质状态：上游区主要污染来自工业源和生活源；下游区和库区主要污染来自农业面源和工业源。通过有效控制上游本溪市生活污水、北台钢铁厂废水以及矿山开采带来的大量污水，减少污染负荷量以及在环库区合理使用化肥农药，可有效改善葠窝水库水质。

[1] Gu X J, Xue D J, Cai H X, et al. Feature analysis and comparison on ecological risk of eutrophication in lakes and reservoir in taoge river[J]. Environmental Monitoring & Forewarning, 2011，3(3)：13-17.

[2] 刘翔.湖库水体富营养化的评价与模拟研究[D].成都:四川师范大学, 2015.

[3] 刘杰.水源型水库富营养化预测与控制技术研究[D].青岛:中国海洋大学,2011.

[4] 盛夏.汾河水库水质富营养化评价与预测研究[D].太原:山西大学, 2013.

[5] Rocha F C, Andrade E M, Lopes F B. Water quality index calculated from biological, physical and chemical attributes[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2015, 187(1):4163.

[6] Paerl H W, Fulton R S, Moisander P H, et al. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria[J]. The Scientific World Journal, 2001, 1:76-113.

[7] 夏凡,胡圣,龚治娟，等.不同水质评价方法的应用比较研究：以丹江口水库入库河流为例[J].人民长江, 2017, 48(17): 11-15.

[8] 申校, 杜新忠, 贾东民,等.入库河流输入对密云水库磷滞留过程的影响分析[J]. 环境科学学报, 2015, 35(10):3114-3120.

[9] 李文赞,李叙勇,王晓学. 20年来密云水库主要入库河流总氮变化趋势和影响因素[J]. 环境科学学报, 2013, 33(11): 3047-3052.

[10] 王琼,李法云,范志平,等.辽宁省大伙房水库及入库河流水质空间特征与河库水质关系[J]. 湖泊科学, 2016， 28(4): 775-784.

[11] 左婵.汾河水库富营养化模拟与研究[D].太原:太原理工大学, 2014.

[12] Zhou R F. Cause and countermeasure to water eutrophication in lakes and reservoir[J]. Journal of Changjiang Engineering Vocational College, 2010，27.

[13] 贾铭洋.辽阳市水库富营养化程度分析及防治[J]. 黑龙江水利科技, 2014，42(9): 11-13.

[14] 赵静.葠窝水库水质及生态环境现状与具体保护措施[J]. 水资源开发与管理, 2015(3): 60-62.

[15] 王霄宇.葠窝水库健康评价及治理对策[J].水利规划与设计, 2016(10): 61-63.

[16] 辽宁省葠窝水库管理局. 葠窝水库志[M]. 郑州：黄河水利出版社，2012.

[17] 孙伟光,邢佳,马云,等.单因子水质标识指数评价方法在某流域水质评价中的应用[J]. 环境科学与管理, 2010, 35(11):181-184.

[18] 景胜元, 徐明德, 武春芳. 汾河水库、上游水质分析及其污染防治措施[J]. 环境工程, 2014，32(4):18-21.

[19] 赵爱华.于桥水库入库河流水质评价及其趋势分析[D].天津:天津大学,2009.

[20] 杨琴, 汤秋鸿, 张永勇.淮河流域(河南段)水质时空变化特征及其与土地利用类型的相关性分析[J/OL].环境科学研究， 2019(10).

[21] 吉祝美, 方里, 张俊,等. 主成分分析法在SPSS软件中的操作及在河流水质评价中的应用[J]. 环保科技, 2012, 18(4):38-43.

[22] 申明金, 曹洪斌. 因子分析法在水质评价中的应用[J]. 环境科学与管理, 2013, 38(1):192-194.

[23] 王飞, 王海华. 葠窝水库水质污染状况及治理措施[J]. 农业与技术, 2011, 31(2):87-88.

[24] 王琼, 李法云, 范志平,等. 大伙房水库入库河流物理生境评价及其对水质状况的影响[J]. 环境科学学报, 2015, 35(9):2850-2859.

[25] 赵朋飞, 刘俊, 胡少敏. 基于SPSS软件的主成分分析法在水质评价中的应用[J]. 科技创业月刊, 2016, 29(10):119-121.

[26] 徐光宇, 柴国平, 徐明德, 等. 主成分分析法在汾河太原城区段水质评价中的应用[J]. 环境工程, 2014, 32(6)：122-124，113.

[27] 张宜松, 曹国良, 张萌. 基于主成分分析法的陕北地区可持续发展对比研究[J]. 环境工程, 2017，35(5)：136-140.

[28] 吴慧玲, 胡湛波, 辛丽平, 等. 主成分分析法优化治理黑臭水体的碳素纤维铺设密度[J]. 环境工程, 2015, 33(6):39-43.

[29] 卢俊平, 张晓晶, 马太玲, 等. 北方寒区水库氮、磷营养盐的时空变异特征[J]. 环境工程, 2017，35(11):143-148,181.

[30] 宓辰羲, 王林, 林慧,等. 应用Kendall检验法的葠窝水库水质变化趋势分析[J]. 科学技术与工程, 2017, 17(21):145-149.

[31] 徐静, 韩兆光. 岳城水库饮用水源地水体富营养化预防措施探讨[J]. 海河水利, 2011(4):14-17.

2002—2017年葠窝水库及入库河流水质相关性分析和影响因素*

0 引言

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

1.2 数据来源

1.3 研究方法

2 结果与讨论

2.1 葠窝水库及入库河流水质相关性分析

2.2 葠窝水库及入库河流主要影响因素分析

3 结论

WATER QUALITY CORRELATION ANALYSIS AND INFLUENCING FACTORS IN THE SHENWO RESERVOIR AND ITS JOINT RIVERS DURING 2002—2017

2002—2017年葠窝水库及入库河流水质相关性分析和影响因素*

0 引 言

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

1.2 数据来源

1.3 研究方法

2 结果与讨论

2.1 葠窝水库及入库河流水质相关性分析

2.2 葠窝水库及入库河流主要影响因素分析

3 结 论

WATER QUALITY CORRELATION ANALYSIS AND INFLUENCING FACTORS IN THE SHENWO RESERVOIR AND ITS JOINT RIVERS DURING 2002—2017

0 引言

3 结论