2013-2019年陜北礦區(qū)飲用水源地水質(zhì)特征及驅(qū)動(dòng)因素

董 穎， 吳喜軍，， 李懷恩， 張亞寧， 武宏梅， 劉 靜， 張范平

(1.榆林學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 陜西 榆林 719000； 2.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048； 3.榆林高新區(qū)水務(wù)有限責(zé)任公司， 陜西 榆林 719000)

陜北地區(qū)是中國(guó)重要的煤炭生產(chǎn)基地，為典型的半干旱內(nèi)陸氣候區(qū)，降水較少，地表干燥，水資源貧乏。以前該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，但隨著近些年人口的增長(zhǎng)與礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)，水資源減少明顯[1]，生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)田排水大量流入水體，加上水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致飲用水源環(huán)境質(zhì)量已不容樂(lè)觀，甚至影響到能源化工基地的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。一些學(xué)者對(duì)陜北主要河流的特征污染物及水質(zhì)狀況進(jìn)行了研究[4]，但陜北礦區(qū)水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析和綜合評(píng)價(jià)工作開(kāi)展較少。分析該地區(qū)水源水質(zhì)特征，了解其水環(huán)境狀況是污染防治的必要前提，已迫在眉睫。

主成分分析法(PCA)可以從眾多指標(biāo)中篩選出幾個(gè)綜合指標(biāo)，是水質(zhì)評(píng)價(jià)方法之一。張涵等[5]運(yùn)用主成分分析法研究了成都平原典型區(qū)地下水潛在污染源及污染源時(shí)季變化規(guī)律。孫悅等[6]運(yùn)用主成分分析法研究白洋淀冰封期水污染特征，得出水質(zhì)限制因子為TN，TP。但PCA在確定主成分權(quán)重時(shí)包含主觀因素，而熵值法是一種客觀賦權(quán)法，可以很好地解決這一問(wèn)題。項(xiàng)頌等[7]基于熵值法對(duì)湖泊水生態(tài)健康狀況進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及歷史變化分析，張繼宇等[8]采用熵值法對(duì)陸渾水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果均表明用熵權(quán)作為權(quán)重是可行的。

尤家峁水庫(kù)是陜北榆林城區(qū)的重要飲用水水源地，作為典型的深水型水庫(kù)，因自然分層及混合過(guò)程的存在，導(dǎo)致水庫(kù)水體面臨沉積物內(nèi)源污染釋放和外源污染匯入的雙重問(wèn)題。并且尤家峁水庫(kù)采用底層取水的供水方式，其內(nèi)源污染尤為明顯，深層水體周期性熱分層過(guò)程使沉積物向上覆水中釋放大量還原性污染物，存在較高的鐵和錳超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，水質(zhì)狀況直接影響民生飲水安全。本文根據(jù)尤家峁水庫(kù)2013—2019年連續(xù)的月水環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)，運(yùn)用主成分分析法和PCA-熵值結(jié)合法，對(duì)其水質(zhì)狀況進(jìn)行研究，分析影響水質(zhì)的主要驅(qū)動(dòng)因子，研究水質(zhì)的時(shí)間變化規(guī)律，并分析其原因，以期為該地區(qū)飲用水環(huán)境保護(hù)和處理對(duì)策提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

尤家峁水庫(kù)(38°15′00″—38°15′40″N，109°42′32″—109°43′26″E)位于榆林市榆溪河支流沙河水系下游，于1988年10月建成并投入使用，控制流域面積97 km2，總庫(kù)容1.58×107m3，有效庫(kù)容9.70×106m3，水庫(kù)水位約為1 097 m。凈水廠取水口位于水庫(kù)底層，取水管道接入點(diǎn)管中心標(biāo)高為1 076.93 m。作為榆林城區(qū)工業(yè)生產(chǎn)與居民生活用水的重要水源保護(hù)地，年供水量達(dá)到8.00×106m3。尤家峁水庫(kù)來(lái)水包括兩部分：一是沙河流域來(lái)水量，二是西沙渠引用榆溪河河水進(jìn)行補(bǔ)水，北起牛家梁鎮(zhèn)刀則灣，南至尤家峁水庫(kù)，全長(zhǎng)23.8 km。

1.2 水樣采集與監(jiān)測(cè)

1.2.1 樣品采集及保存 2013年3月至2019年8月對(duì)尤家峁水庫(kù)實(shí)施原位監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為每月1～2次。采用有機(jī)玻璃采水器對(duì)凈水廠取水口點(diǎn)位(38°15′22″N，109°43′19″E)、取水口上0.5 m和取水口下0.5 m等3個(gè)不同深度水樣進(jìn)行采集，并置于5 L聚乙烯瓶中，采樣結(jié)束后盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室于4 ℃冰箱保存，3 d內(nèi)完成所有指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)。

1.2.2 樣品測(cè)定 尤家峁水庫(kù)為榆林城區(qū)的飲用水水源地，根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定項(xiàng)目選定pH值、色度、渾濁度、臭和味、肉眼可見(jiàn)物、總硬度(以CaCO3計(jì))、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、氟化物、鐵、錳、砷、六價(jià)鉻、細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群共20項(xiàng)指標(biāo)。各指標(biāo)的測(cè)定均按照國(guó)家《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB/T 5750-2006)進(jìn)行。其中pH值采用玻璃電極法測(cè)定，色度采用光電比色法，渾濁度采用散射法，總硬度采用乙二胺四乙酸二納滴定法，氨氮采用納氏試劑比色法，高錳酸鹽指數(shù)采用酸性高錳酸鉀滴定法，氟化物采用氟試劑比色法，錳采用過(guò)硫酸銨比色法。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

水質(zhì)分析數(shù)據(jù)取3個(gè)不同深度采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的平均值。其中亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、砷、六價(jià)鉻、細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群等遠(yuǎn)低于《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 3020-1993)中的二級(jí)水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，不作主成分分析。選取pH值、色度、渾濁度、總硬度、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物、錳這8個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)取各個(gè)季度的平均值(春季：3—5月，夏季：6—8月，秋季：9—11月，冬季：12—2月)。將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，應(yīng)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)主成分分析法識(shí)別影響該地區(qū)水源水質(zhì)的主要驅(qū)動(dòng)因子[9-11]，然后運(yùn)用PCA和PCA-熵值結(jié)合兩種方法分析水質(zhì)的時(shí)間變化規(guī)律[12-13]，并分析其原因。

1.3.1 主成分分析法 主成分分析是數(shù)學(xué)上對(duì)數(shù)據(jù)降維的一種方法。其基本思想是設(shè)法將原來(lái)眾多的具有一定相關(guān)性的指標(biāo)，重新組合成一組較少個(gè)數(shù)的互不相關(guān)的綜合指標(biāo)來(lái)代替原來(lái)指標(biāo)，并且使其能最大程度地反映原變量所代表的信息[14-15]。每個(gè)主成分所提取的信息量用其方差來(lái)度量，方差越大，包含的信息越多。計(jì)算步驟如下：

(1) 將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，以消除量綱的影響；

(2) 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣；

(3) 計(jì)算特征值與特征向量；

(4) 計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率，取特征值λi>>1所對(duì)應(yīng)的主成分進(jìn)行分析；

(5) 計(jì)算主成分載荷[16]；

(6) 計(jì)算各主成分得分及主成分綜合得分。

1.3.2 主成分—熵值結(jié)合法 熵值法是一種客觀賦權(quán)法，根據(jù)指標(biāo)的離散程度確定權(quán)重，可以避免人為因素帶來(lái)的偏差，但存在忽略指標(biāo)本身的重要程度和不能減少維數(shù)等缺點(diǎn)。所以，可以在主成分分析之后，用熵權(quán)作為各個(gè)主成分的權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，降低計(jì)算結(jié)果的主觀性[17-18]，即本研究中提到的PCA-熵值結(jié)合法。計(jì)算步驟如下：

(1) 數(shù)據(jù)平移，對(duì)主成分得分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行非負(fù)化處理；

(2) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；

(3) 計(jì)算指標(biāo)信息熵值e和信息效用值d；

(1)

dj=1-ej

(2)

(4) 計(jì)算熵權(quán)；

(3)

(5) 利用熵值法賦權(quán)計(jì)算綜合得分。

2 結(jié)果與討論

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

尤家峁水庫(kù)2013—2019年pH值、色度、渾濁度、總硬度、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物、錳等8個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 尤家峁水庫(kù)2013-2019年各季度水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

如圖1所示，2013—2019年，尤家峁水庫(kù)水質(zhì)不斷惡化，出現(xiàn)季節(jié)性錳超標(biāo)(錳最高含量0.43 mg/L，色度最高50.00度)與水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)，氨氮含量較高(氨氮最高0.52 mg/L)，pH值介于7.80～8.88之間，總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物等含量滿足《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 3020-1993)中的二級(jí)水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。在夏季枯水期，水體伴有魚(yú)腥味、漚泥味、土霉味等不良現(xiàn)象與雨季翻庫(kù)等。

2.2 影響水質(zhì)的主要驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別

因子分析之前，首先要進(jìn)行KMO和Bartlett的檢驗(yàn)。KMO檢驗(yàn)是用于比較變量間簡(jiǎn)單相關(guān)和偏相關(guān)系數(shù)的指標(biāo)，Bartlett用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分布以及各變量間的獨(dú)立情況。KMO>0.5，Bartlett的顯著性概率<0.05時(shí)，認(rèn)為有結(jié)構(gòu)效度，才能進(jìn)行因子分析。本檢驗(yàn)結(jié)果顯示，KMO為0.648，Bartlett的顯著性概率為0.000，符合標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)變量在一定程度上相互獨(dú)立，可以進(jìn)行主成分分析。

應(yīng)用SPSS軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，8個(gè)主要水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣如表1所示。

表1 尤家峁水庫(kù)主要水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

通過(guò)表1中8項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)可以看出，錳與渾濁度、色度存在顯著的正相關(guān)性(0.537，0.462)，渾濁度與色度顯著正相關(guān)(0.812)，表明錳濃度的變化會(huì)對(duì)渾濁度、色度產(chǎn)生較大影響。pH值與錳存在顯著的負(fù)相關(guān)性(-0.515)，有研究指出，酸性水會(huì)引起固體廢棄物中金屬元素的活化與遷移[19]，而尤家峁水庫(kù)水體呈現(xiàn)弱堿性(監(jiān)測(cè)期間pH值介于7.80～8.88)，這可能是pH值與錳之間存在顯著負(fù)相關(guān)的原因。

根據(jù)特征值λi>>1的原則提取的3個(gè)主成分反映了原始8個(gè)水質(zhì)指標(biāo)提供的69.95%的信息，基本代表了研究水體的綜合水質(zhì)狀況。各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率及主成分載荷如表2—3所示。

表2 尤家峁水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)方差分解主成分提取結(jié)果

主成分1貢獻(xiàn)率占所有影響因子貢獻(xiàn)率的29.97%，渾濁度、色度、錳含量在其中的載荷值較大，分別為0.873，0.823，0.605，說(shuō)明它們是第一主成分的主要影響因素，對(duì)研究水體水環(huán)境質(zhì)量的影響最大，為第一類主要污染源。主成分2貢獻(xiàn)率為24.77%，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮在其中的載荷值較大，分別為0.773，0.741，說(shuō)明它們是第二主成分的主要影響因素，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響次之，為第二類主要污染源。主成分3貢獻(xiàn)率為15.21%。

表3 尤家峁水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)主成分載荷矩陣

因此，渾濁度、色度、錳含量是影響尤家峁水庫(kù)水質(zhì)的最主要的驅(qū)動(dòng)因子，又由于錳含量與渾濁度、色度之間存在顯著的正相關(guān)性，即錳減少的同時(shí)可以降低渾濁度及色度。所以可以得出，錳污染是主導(dǎo)因素，目前尤家峁水庫(kù)水質(zhì)凈化的首要任務(wù)是除錳。

2.3 水質(zhì)時(shí)間變化特征分析

求出提取的3個(gè)主成分特征值的特征向量，將其與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)X1，X2，…，X8相乘，即可得出如下3個(gè)主成分表達(dá)式。

F1=-0.256X1+0.343X2+0.364X3-

0.157X4-0.045X5+0.084X6-

0.062X7+0.252X8

F2=0.213X1-0.080X2-0.055X3-

0.249X4+0.374X5+0.390X6-

0.286X7+0.116X8

F3=-0.178X1-0.369X2+0.013X3-

0.016X4+0.402X5-0.292X6+

0.330X7+0.545X8

注：①箱體頂部、底部和內(nèi)部橫線分別表示上四分位數(shù)、下四分位數(shù)和中位數(shù)的位置，箱線圖的上下兩條橫線觸須表示數(shù)據(jù)的散布范圍，分別為四分位數(shù)差1.5倍距離的值，超出上下兩條觸須范圍劃為異常值，用空心點(diǎn)和實(shí)心點(diǎn)表示； ②異常值旁邊數(shù)字表示其所在年份的序號(hào)數(shù)。

由表4可以看出，兩種方法的計(jì)算結(jié)果基本一致，2015，2016年水質(zhì)較好，這應(yīng)該與榆林地區(qū)當(dāng)年發(fā)生的特大暴雨有關(guān)，2014年水質(zhì)最差，2017，2018年水質(zhì)狀況尚可，基本保持穩(wěn)定。兩種方法的計(jì)算結(jié)果雖表現(xiàn)出相對(duì)一致性，但也存在一定差異，如2013，2015年水質(zhì)全年排序存在差別，分析原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2013年色度、渾濁度、高錳酸鹽指數(shù)濃度總體高于2015年，pH值、總硬度、氨氮、氟化物、錳總體低于2015年，且數(shù)據(jù)相差很小，不能直接說(shuō)明水質(zhì)優(yōu)劣。由于兩種方法的權(quán)重確定方式存在差異，使得不同指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化所引起的水質(zhì)變化程度有所不同，但均能較好地反映實(shí)際水質(zhì)狀況，在水質(zhì)特征分析方面具有較好的可靠性與適用性。

表4 尤家峁水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)主成分綜合得分及排序

圖2用箱線圖把批量數(shù)據(jù)的分布形狀直觀地表示出來(lái)，便于進(jìn)行尤家峁水庫(kù)各年不同季度水質(zhì)狀況的比較。箱線圖表明，PCA和PCA-熵值結(jié)合法計(jì)算的水質(zhì)年內(nèi)變化規(guī)律相同，冬季水質(zhì)最好，得分均明顯較低，中位數(shù)分別為-0.679和-0.697；春季較好，中位數(shù)分別為-0.125和-0.246；秋季一般，中位數(shù)分別為0.049和0.004，且數(shù)據(jù)的散布范圍較大，不太穩(wěn)定；夏季最差，得分均明顯較高，中位數(shù)分別為0.283和0.227。

PCA計(jì)算結(jié)果顯示在夏秋季、全年存在3個(gè)異常值點(diǎn)，PCA-熵值結(jié)合法計(jì)算結(jié)果顯示，在春季和全年出現(xiàn)兩個(gè)異常值點(diǎn)，結(jié)合表4數(shù)據(jù)，該異常值均出現(xiàn)在2014年，其得分均明顯高于其他年份，進(jìn)一步說(shuō)明了2014年水質(zhì)較差，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整水處理工藝或增大藥劑投加量，也印證了兩種賦權(quán)方法的可靠性。

2.4 水質(zhì)變化原因分析

尤家峁水庫(kù)水質(zhì)呈季節(jié)性變化，夏季水質(zhì)最差，這主要與以下幾個(gè)方面有關(guān)：①凈水廠取水口在水庫(kù)底層，夏季氣溫的升高使深水型水庫(kù)水溫分層，從而形成溫躍層，極大地阻礙了上下層水體的物質(zhì)交換，水庫(kù)底層水體溶解氧無(wú)法得到補(bǔ)充，原有的溶解氧被有機(jī)物、底棲生物等所消耗，庫(kù)底嚴(yán)重缺氧，逐漸出現(xiàn)厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致沉積物在水體厭氧時(shí)期較低還原性條件下鐵、錳等污染物的釋放，使上覆水中鐵和錳濃度升高，從而使得采用底層取水的尤家峁水庫(kù)水質(zhì)變差。同時(shí)，高濃度鐵錳飲用水還會(huì)導(dǎo)致一系列濁度、色度和嗅味等問(wèn)題；②夏季水溫升高會(huì)促進(jìn)浮游生物、細(xì)菌等的代謝繁殖，從而引起水中有機(jī)物的腐敗變質(zhì)，并且增加了有機(jī)物、氨氮等溶解性污染物的含量。由于存在著豐富的氮磷基質(zhì)，死水區(qū)域藻類大量繁殖，當(dāng)藻類繁殖超過(guò)水體可容載量時(shí)，部分下層水體藻類會(huì)死亡腐敗影響水質(zhì)[20]；③與降水的季節(jié)性變化有關(guān)，夏季強(qiáng)降水增多，徑流量增大，暴雨徑流的侵蝕和動(dòng)態(tài)混合作用使水庫(kù)水體顆粒態(tài)污染物顯著增加，兩岸土壤中的農(nóng)藥、化肥、有機(jī)物等污染物會(huì)隨著降雨徑流沖刷匯入水體。且水源水庫(kù)具有水體紊動(dòng)性差、水力停留時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，暴雨徑流產(chǎn)生的污染會(huì)對(duì)水庫(kù)水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié) 論

(1) 運(yùn)用主成分分析法將尤家峁水庫(kù)多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)綜合為3個(gè)主成分，反映了69.95%的信息，基本代表了研究水體的綜合水質(zhì)狀況。研究得出渾濁度、色度、錳是影響水庫(kù)水質(zhì)的最主要驅(qū)動(dòng)因子，由于錳與渾濁度、色度之間存在顯著的正相關(guān)性，故目前水質(zhì)凈化的首要任務(wù)是除錳。高錳酸鹽指數(shù)、氨氮對(duì)水質(zhì)的影響次之。

(2) 應(yīng)用PCA和PCA-熵值結(jié)合兩種方法分析了尤家峁水庫(kù)水質(zhì)的時(shí)間變化規(guī)律。其中2014年水質(zhì)最差，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整水處理工藝或增大藥劑投加量，2015，2016年水質(zhì)較好，這可能與當(dāng)年發(fā)生的特大暴雨有關(guān)，2017，2018年水質(zhì)狀況尚可。水質(zhì)年內(nèi)呈季節(jié)性變化，春季較好，夏季最差，秋季一般，冬季最好。夏季水質(zhì)最差是由于持續(xù)高溫導(dǎo)致庫(kù)中藻類大量繁殖，鐵、錳、有機(jī)物、氨氮等含量增高。

(3) 通過(guò)PCA可以準(zhǔn)確識(shí)別影響尤家峁水庫(kù)水質(zhì)的主要驅(qū)動(dòng)因子。運(yùn)用PCA和PCA-熵值結(jié)合兩種方法均可以確定水質(zhì)的時(shí)間變化規(guī)律，且兩種方法的計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性，在水質(zhì)特征分析方面均具有較好的可靠性與適用性。分析結(jié)果可為中國(guó)同類地區(qū)飲用水的保護(hù)和處理提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。