基于主成分分析和模糊數學的黃河小浪底水質監測與評價

武 俐, 王祖恒, 王 亮, 趙同謙, 金新苗

(1.河南理工大學 資源環境學院， 河南 焦作 454150； 2.河南省濟源生態環境監測中心， 河南 濟源 459000)

小浪底水庫位于黃河中游最后一段峽谷的出口處，是以調控黃河水沙為主要功能的大型水庫[1]。水庫自運行以來，平均入庫年沙量為2.92×108t，排沙比為20.2%[2]。每年7月，水庫進行調水調沙，將黃河下游河床淤積的泥沙送入大海，同時減少水庫的泥沙淤積[3]。水庫蓄水攔沙期可改變黃河下游河道的水沙條件，使含沙量降低，中水流量持續時間增加[4]。下游河道受持續沖刷影響，游蕩型河道主槽形態變化較大，平攤河寬與水深增加，橫斷面形態向窄深發展[5]，部分河段崩岸明顯[6]。小浪底水庫水質的好壞直接影響著庫區和黃河下游的水質以及下游地區的工、農業生產與居民健康。目前，對小浪底水庫的研究多集中于水庫蓄水攔沙對黃河下游泥沙量、過流能力和河床演變影響等方面[5,7]，而對水庫水質的評價與分析略顯不足。

水庫水質分析評價常用的方法有單因子水質標識指數法、綜合水質標識指數法、綜合營養狀態法、模糊評價法、主成分分析法和BP神經網絡法等，但各方法均有其局限性。例如單因子水質標識指數法無法綜合反映水體狀況；綜合水質標識指數法評價指標的選取具有主觀性；綜合營養狀態指數法評價指標單一，無法體現不同水體間的差異性；BP神經網絡評價指標選擇具有主觀性，定性評價結果不直觀且計算較為復雜。而主成分分析法[8]可以在原始水質評價因子丟失最少的基礎上，運用數學方法，從多個具有相關性的評價因子中篩選出主要評價因子；模糊評價法[9]可以體現水質從優到差變化的模糊特性。本研究采用主成分分析與模糊評價法相結合的方法，對小浪底水庫水質狀況進行監測和評價，分析水庫水質現狀與潛在污染源，以期為其環境改善提供幫助。

1 對象與方法

1.1 研究區概況

黃河小浪底水庫位于三門峽水庫下游130 km，洛陽市以北40 km的黃河干流上，是黃河中下游庫容量較大的峽谷型水庫。水庫面積達272.3 km2，控制流域面積為6.94×105km2，占黃河流域面積的92.3 %，涉及河南和山西倆省的8縣(市)33個鄉鎮[10-11]。水庫正常水位275 m，庫容1.27×1010m3，淤沙庫容7.55×109m3，調水調沙庫容1.05×109m3[2]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析 于2018年1月至12月對水庫南山、大橫嶺和桐樹嶺3個監測斷面進行為期一年的水質監測。采樣時間為每月初，水樣的采集與監測采用《水庫采樣技術指導(HJ495-2009)》和《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》進行，13項監測指標分別為總氮(TN)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、氟化物(F)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)和鎘(Cd)。

1.2.2 水質評價指標體系建立 主成分分析可避免評價因子選擇的隨意性，使評價結果更客觀[12]。通過線性組合，將多個原始變量轉換為幾個主要影響變量，確定影響水質的主要成分，只保留特征值大于1的主成分進行分析[8, 13]。選取斷面13項水質檢測指標作為初選評價因子，利用R語言對初選評價因子進行分析。主成分貢獻率及因子載荷見表1。

表1 主成分貢獻率及因子載荷

由表1可知，有4個主成分特征值大于1，累計貢獻率為69.6%。其中，第2主成分的貢獻率最大，累計貢獻率為19.6%；第3主成分貢獻率最小，為15.3%。從各因子載荷值可以看出，第1主成分與Pb，CODMn和DO密切相關；第2主成分中As，TN，TP和NH3-N的載荷值較大；第3主成分與F和BOD5密切相關；第4主成分與Zn和Cd密切相關。綜上選擇TN，TP，BOD5，NH3-N，CODMn和DO 6個指標作為評價因子，進行綜合水質分析。

1.2.3 模糊綜合評判法 模糊綜合評判法是基于模糊數學的水質評價方法，綜合考慮了各水質因子之間的相關性，較為客觀的反映水質因子對于水質的貢獻程度[14-15]。在模糊綜合評判中，數據與評價標準的處理方法、指標權重的確定方法和模糊模式的識別方法的選擇尤為重要。分別采用歸一化處理與線性內插法對實測數據與評價標準進行標準化，采用超標倍數法確定權重，加權海明距離法進行模糊模式的識別，計算評價對象隸屬于評價標準等級的最小值來確定其質量等級[14, 16]。

水質監測數據歸一化計算公式為：

(1)

式中：fij代表第j個水質指標的第i個評價對象的標準化值；Xij代表第j個水質指標的第i個評價對象的實測值；C1j與Ctj分別代表第j個水質指標的1級與t級水質標準值。

水質標準數據歸一化計算公式為：

(2)

式中：eih代表第i個水質指標的第h級標準的歸一化值；Chi，C1i，Cti分別代表第i個水質指標的第h，1，t級標準值。

評價指標權重的超標倍數法計算公式為：

(3)

式中：wi代表水質指標i的權重值；Si代表第i種水質指標5個類別標準的平均值；xi代表水質指標i的實際測量值。

模糊模式的識別方法加權海明距離法計算公式為：

(4)

式中：Dw(A,B)代表A對B的加權海明距離；wi代表各水質指標的權重；μA(xi)代表水質監測數據的隸屬度；μB(xi)代表水質標準的隸屬度。

2 結果與討論

2.1 水質評價參數的分析

根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，6項水質指標的質量標準見表2。小浪底水庫水體各水質因子質量濃度動態變化情況如圖1所示。7月，小浪底水庫調水調沙后水位變低，南山采樣點位于山坡，距離水面較遠，8月未能采到水樣。

表2 國家地表水環境質量標準

從圖1可以看出，6項水質指標除TN低于Ⅲ類水標準，其余指標均高于Ⅲ類水標準。DO的質量濃度在3.8～12.8 mg/L之間，除7月低于Ⅲ類水標準外，其余月份均滿足Ⅲ類水標準。3個斷面在1—9月的DO質量濃度差異性不大，10—12月大橫嶺的DO質量濃度遠低于桐樹嶺和南山斷面。BOD5的質量濃度在0.9～1.7 mg/L之間，滿足Ⅰ類水標準，3個斷面的BOD5質量濃度差異較小。NH3-N的質量濃度在0.03～0.72 mg/L之間，總體介于Ⅰ類水和Ⅱ類水之間，不同斷面的NH3-N質量濃度差異較大。TN的質量濃度在2～4.88 mg/L之間，屬于劣Ⅴ類水，表明TN污染十分嚴重。除3月南山斷面的TN質量濃度偏高外，3個斷面在其余月份中TN的質量濃度差異較小。TP的質量濃度在0.02～0.05 mg/L之間，基本介于Ⅱ與Ⅲ類水之間，不同斷面的TP質量濃度差異性較小。CODMn的質量濃度在1.8～2.7 mg/L之間，滿足Ⅱ類水標準，不同斷面的CODMn質量濃度差異較小。總體來看，除NH3-N質量濃度外，小浪底水庫3個斷面水質指標質量濃度變化差異性較小，空間變化特征不明顯。

分析水庫水質指標月均濃度變化發現，DO月均質量濃度波動較大，3月份最高(12.6 mg/L)，7月最低(4.1 mg/L)，3—7月呈下降趨勢，7—12月呈上升趨勢，其變化可能與自然環境水溫影響有關[17]。BOD5月均質量濃度較穩定，4月最高(1.63 mg/L)，8月最低(1 mg/L)。NH3-N月均質量濃度有一定波動，7月最高(0.33 mg/L)，10月最低(0.1 mg/L)，7—9月濃度變化不明顯。TN月均質量濃度變化不大，5月最高(4.1 mg/L)，11月最低(2.2 mg/L)，變化趨勢可能與降雨量和農業活動有關[17]。TP月均質量濃度較穩定，2月最高(0.05 mg/L)，11月最低(0.02 mg/L)，其中8—11月質量濃度呈下降趨勢可能與浮游植物生長吸收有關[18]。CODMn月均質量濃度變化不明顯，3月最高(2.7 mg/L)，6月最低(1.9 mg/L)。總體來看，6項水質指標的平均質量濃度在6—8月處于較高水平，10—12月份較低，其余月份處于中等水平。

注：DO為溶解氧； BOD5為5 d生化需氧量； HN3-N為氨態氮； TN為總氮； TP為總磷； CODMn為高錳酸鹽指數。

2.2 水質評價參數的權重計算結果

根據上述公式(3)計算各評價參數的權重結果見表3—5。

從各監測斷面評價因子的權重計算結果(表3—5)可以看出，TN的權重結果最高，其次為DO和TP。DO代表水體自凈能力，其值越高說明水體水質越好[15]；TN和TP是表征水體富營養化的指標，其值越高表明水體水質越差[19]，說明小浪底水庫的主要污染因子為TN和TP，屬于富營養化污染。

當水體中TN和TP質量濃度分別高于0.20 mg/L和0.02 mg/L時，存在發生富營養化的風險[18]。從表3—5可以看出，不同時間不同采樣斷面的TN和TP質量濃度均遠超限值，說明在一定的條件下水體有爆發富營養化的風險。當N/P<7時，TN是水體富營養化的限制因子；當N/P>30時，TP是水體富營養化的限制因子[20]。本研究TN/TP介于46～122之間，遠高于30，因此，TP是水庫水體富營養化的限制因子。另外，水體中浮游生物群落的分布易受到水體理化條件的影響，其中藍藻、硅藻、綠藻浮游植物群落對水體變化敏感，TN/TP變化直接影響著水體浮游植物群落的結構組成[21-22]。有研究表明，當TN/TP<25時，適合藍藻生長，當TN/TP>25時，綠藻和硅藻生長較快[23-24]，這一現象與小浪底水庫主要藻類是綠藻和硅藻相符[10, 22]。

表3 大橫嶺斷面各水質指標權重

表4 桐樹嶺斷面各水質指標權重

表5 南山斷面各水質指標權重

通過控制水庫中TN和TP含量，可降低水庫發生富營養化的風險。在庫區周邊一定范圍內限制化肥的施用量，倡導發展無公害農業，適當控制旅游業；重點加強TN排放消減力度；發展水生生態養殖，選擇與調整魚類品種與比例，減少水體藻類生物量。

2.3 模糊綜合評判法計算結果

根據上述公式(1)—(4)，將各水質監測數值代入相應公式計算，得各斷面水環境質量綜合評價結果，見表6—8。

小浪底水庫屬于集中飲用水地表水源地二級保護區，因此以《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類要求作為標準。根據表6—8可知，不同時間不同采樣斷面所有的水質級別達到Ⅲ類水質要求的比例為82.9%，基本滿足Ⅲ類水質要求。而2011—2015年，黃河小浪底水庫為劣Ⅴ類水，處于污染狀態[11]，近年來，水體質量明顯提升，與當地政府對水庫水體的保護與治理有關。整體來看，水庫不同斷面水質級別變化不大，空間變化特征不明顯。

表6 大橫嶺斷面各月水質評價結果

采用同一時間不同斷面的隸屬度均值做水質類別評價分析，發現水庫水質在5月份為Ⅴ類水，7月份為Ⅳ類水，11和12月份達到Ⅰ類水標準，其余月份為Ⅲ類水。5月水庫水質較差可能是因為受黃河上游農業耕作影響。有研究表明，農業活動和人類活動對黃河水質有影響[25]，農藥化肥的過度施用導致黃河中上游渭河流域4月水質TN超標嚴重[26]，黃河水質從上游至下游逐漸變差[27]，農業活動高峰期會使小浪底水庫水體污染加重[17]。4月和5月農業活動高峰期使小浪底水庫上游來水TN質量濃度增高，水質變差。由于受水體自凈作用影響， TN質量濃度自水庫上游向下游逐漸減少，南山斷面水質為Ⅴ類水，而水庫下游的桐樹嶺斷面水質為Ⅲ類水。7月水庫水質為Ⅳ類水劣于Ⅲ類水的原因與水庫調水調沙活動有關，調水調沙期間，水庫水量大量減少，嚴重影響水體質量[28]，其中DO的質量濃度遠低于其他月份，南山斷面為Ⅴ類水，大橫嶺和桐樹嶺斷面為Ⅳ類水。而調水調沙活動結束后，3個斷面的水質逐漸達到水質要求，其中11月水質達到Ⅰ類水標準。

表7 桐樹嶺斷面各月水質評價結果

表8 南山斷面各月水質評價結果

3 結 論

(1) 黃河小浪底水庫TN，TP，BOD5，NH3-N，CODMn和DO這6項指標中，除TN低于Ⅲ類水標準外，其余指標均高于Ⅲ類水標準。整體上，南山、大橫嶺和桐樹嶺斷面水質指標質量濃度空間變化差異不明顯。

(2) 主成分分析與模糊綜合評價表明，水庫水體的主要污染因子為TN和TP，屬于富營養化污染。TN/TP范圍為46～122，TP是水庫富營養化限制因子，應引起重視。可通過控制水庫中TN和TP含量，降低水庫發生富營養化的風險。

(3) 水庫水質狀況基本滿足Ⅲ類水質要求。水庫水質級別空間變化特征不明顯。受黃河上游農業活動影響，5月水庫水質較差，7月水質劣于Ⅲ類水與水庫調水調沙活動有關。