官廳水庫水質(zhì)評價及時空變化特征

楊榮金，王逸卓，李秀紅，張 一，孫美瑩

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100012； 2.北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京 100875)

水庫水質(zhì)關(guān)系到飲用水安全[1-2]。近年來，受自然環(huán)境變化及人類活動等綜合作用的影響，庫區(qū)水體污染日益嚴(yán)重，直接影響居民飲用水安全[3-4]。為改善水庫水質(zhì)污染狀況，科學(xué)有效地建立水源地水環(huán)境管理制度，保障地區(qū)飲用水安全，完善區(qū)域內(nèi)水資源系統(tǒng)的空間布局，必須對水庫水環(huán)境進行客觀、全面、科學(xué)的評價。

官廳水庫地跨京冀兩省，是反映永定河(河北—北京段)上下游之間流域資源環(huán)境最直觀的區(qū)域。官廳水庫曾作為除密云水庫外北京市第二大飲用水水源地，后因嚴(yán)重污染問題退出了飲用水供水體系。隨著北京市人口上升，密云水庫作為當(dāng)前唯一飲用水水源地，其供水壓力與日俱增，未來可能難以支撐首都居民飲水用水需求。掌握官廳水庫污染現(xiàn)狀，識別主要污染因子，掌握水質(zhì)時空變化特征與規(guī)律，是改善庫區(qū)水環(huán)境質(zhì)量、恢復(fù)其生態(tài)服務(wù)功能的前提。前人將研究重點放在上游入庫河流水質(zhì)評價上，對庫區(qū)水體環(huán)境關(guān)注較少。彭福利等[5]運用多元統(tǒng)計分析方法對官廳水庫入庫斷面八號橋水質(zhì)年際變化特征進行分析，得出豐水期水質(zhì)優(yōu)于枯水期，關(guān)鍵污染指標(biāo)為總磷。高星琪等[6]采用空間聚類分析、模糊綜合評價法、綜合判別分析等方法，對比桑干河、洋河、媯水河、清水河4條上游河流污染狀況得出，洋河上游河水污染較嚴(yán)重，以總磷和濁度污染為主，污染物主要來自不合理使用化肥和有機農(nóng)藥，清水河和媯水河水質(zhì)較好。楊大杰等[7-8]利用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價法和單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價法對官廳水庫水質(zhì)進行評價，分析表明，未經(jīng)處理的入庫水體水質(zhì)最差,但經(jīng)過黑土洼人工濕地綜合處理進入官廳水庫庫區(qū)后水質(zhì)好轉(zhuǎn)，出庫水質(zhì)達到國家標(biāo)準(zhǔn)，可滿足北京市景觀和工業(yè)用水要求。目前缺乏對官廳水庫庫區(qū)水質(zhì)狀況的空間分布特征以及較長時間序列的水質(zhì)變化分析，難以全面掌握當(dāng)前水庫水質(zhì)動態(tài)變化，因此本文通過主成分分析法、反距離權(quán)重法與Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對官廳水庫入庫、庫區(qū)、出庫共7個斷面2010—2017年各項水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析，識別關(guān)鍵污染因子及其貢獻程度，綜合評價官廳水庫整體以及不同區(qū)域斷面水質(zhì)狀況、年內(nèi)及年際水質(zhì)變化特征，為上游河北省調(diào)節(jié)與優(yōu)化入庫流域產(chǎn)業(yè)布局、制定空間管控措施和下游北京市水源地污染防治提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

官廳水庫(38°51′N～41°14.2′N、112°8.3′E～116°20.6′E)是在海河水系永定河上修建的第一座大型水庫，位于河北省張家口市懷來縣和北京市延慶縣界內(nèi)，設(shè)計總庫容41.6億m3，水庫流域總面積4.34萬hm2。主要入庫支流有洋河、桑干河、媯水河。早在20世紀(jì)50—60年代，官廳水庫水質(zhì)良好，建成后成為京西工業(yè)區(qū)主要的供水水源和京西居民飲用水的重要來源。20世紀(jì)70—90年代，隨著周邊地區(qū)社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，官廳水庫受到來自上游地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉退水、畜禽養(yǎng)殖排污所造成的面源污染，以及沿河工業(yè)與城鎮(zhèn)居民生活污水的影響，致使水質(zhì)惡化，于1997年退出北京市生活飲用水供水體系[9]。后雖經(jīng)治理，于2007年恢復(fù)成為北京市備用水源地，但其水生態(tài)形勢依然嚴(yán)峻。為全面分析官廳水庫入庫、庫區(qū)與出庫水質(zhì)特征與變化，選取了八號橋、西湖橡膠壩、河口、永10008東表、媯大橋表、媯1018+1表、壩后7個斷面作為研究采樣點(圖1)。

圖1 官廳水庫位置及監(jiān)測斷面

1.2 數(shù)據(jù)來源

監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于官廳水庫管理處，選取了官廳水庫八號橋、西湖橡膠壩、河口、永10008東表、媯大橋表、媯1018+1表、壩后7個斷面的2010—2017年共計84組水質(zhì)指標(biāo)月均監(jiān)測數(shù)據(jù)，包含pH值、總氮(TN)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)7項監(jiān)測指標(biāo)。

1.3 研究方法

1.3.1主成分分析法

主成分分析是一種將多維因子轉(zhuǎn)換到同一系統(tǒng)中進行定量化研究的統(tǒng)計方法，在指標(biāo)權(quán)重選取上有一定優(yōu)越性，被廣泛應(yīng)用于河流水質(zhì)評價中[10]。旨在利用降維思想，把多污染指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)(主成分)，其中每個主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)[11]。這種方法在引進多個變量的同時將復(fù)雜因素歸結(jié)為幾個主成分，使問題簡單化，得到的結(jié)果更加科學(xué)有效。主成分分析法運用在水質(zhì)評價中，可在眾多影響因素中篩選出主要污染指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上對水質(zhì)綜合指標(biāo)進行量化排序[12]。

1.3.2反距離權(quán)重法

空間插值法被廣泛用于資源管理、災(zāi)害管理和生態(tài)環(huán)境治理中，應(yīng)用較多的有反距離權(quán)重法(inverse distance weight, IDW)、克里金法、樣條函數(shù)法、趨勢面法和多元回歸等一系列模型方法。空間異質(zhì)性是空間插值研究的隱含前提，要素的非均勻空間分布是進行空間插值的前提，空間相關(guān)性是空間插值研究的基礎(chǔ)[13]。

反距離權(quán)重的空間插值法是一種加權(quán)平均內(nèi)插法，該方法認為任何一個觀測值都對鄰近的區(qū)域有影響，且影響程度隨距離的增大而減小。水庫水流流動性差，各區(qū)域水質(zhì)狀況不同程度受空間分布、地形、上游入庫河流等因素的影響，導(dǎo)致庫區(qū)水環(huán)境中各污染指標(biāo)含量不均，存在空間異質(zhì)性。采用ArcGIS空間分析模塊的IDW空間插值工具，對官廳水庫各斷面水質(zhì)評價結(jié)果進行插值，可有效開展官廳水庫水質(zhì)空間變化情況的研究[14]。

1.3.3Spearman秩相關(guān)系數(shù)法

秩相關(guān)系數(shù)法又稱等級相關(guān)系數(shù)法，是衡量時間序列變化趨勢在統(tǒng)計上有無顯著性的常用方法，在污染物濃度變化趨勢研究中得到廣泛應(yīng)用[15-17]。秩相關(guān)系數(shù)法常用于檢驗水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)序列與其響應(yīng)時間序列間的相關(guān)性，從而判斷水質(zhì)序列在時間序列上是否存在變化趨勢[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要影響因素

對官廳水庫各站點的84組月水質(zhì)樣本集進行主成分分析。在分析前，為排除數(shù)量級和量綱不同帶來的影響，本研究對上述7個水質(zhì)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計檢驗，得到KMO檢驗結(jié)果為0.618，大于0.5；Bartlett球形檢驗結(jié)果顯著性概率P小于0.001，表明其差異檢驗值顯著，說明樣本數(shù)據(jù)適合進行主成分分析[19]。利用SPSS23軟件對月水質(zhì)數(shù)據(jù)進行Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化處理與主成分分析，得到各主成分的特征值和方差貢獻率，如表1所示。

表1 主成分特征值及方差貢獻率

依據(jù)Kaiser-Harris準(zhǔn)則，一般保留特征值大于1的主成分[20]。表1中第1、2、3主成分的特征值分別為3.121，1.603，1.020，故確定輸出第1、2、3主成分。其方差貢獻率分別為44.579%，22.907%和14.574%，且方差累計貢獻率為82.06%，說明這3個主成分基本包含原數(shù)據(jù)集的大部分信息，可代替原7項指標(biāo)[21]。

表2是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后得到前3項主成分的荷載矩陣與主成分得分系數(shù)矩陣。由旋轉(zhuǎn)后的主成分荷載矩陣可知，主成分1與總氮(0.863)、總磷(0.833)、氨氮(0.791)高度相關(guān)，可作為解釋以氮磷元素為主的水體富營養(yǎng)化的污染指標(biāo)[22]；主成分2與pH值(0.894)、高錳酸鹽指數(shù)(0.842)高度相關(guān)，可作為解釋水體可還原污染物對水體酸堿度影響的污染指標(biāo)；主成分3與溶解氧(0.949)高度相關(guān)，可作為解釋水體自凈能力的特征指標(biāo)[23]。

通過對7個污染指標(biāo)的篩選以及各主成分之間的貢獻程度計算，可以看出目前影響官廳水庫水質(zhì)的主要污染指標(biāo)及其影響程度從大到小排序為：總氮、總磷、氨氮、pH值、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧。水環(huán)境中有機污染與可還原污染并存，以氮磷元素為主導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前水庫面臨的最主要污染問題，這與上游農(nóng)業(yè)灌溉退水與畜禽養(yǎng)殖排污、居民生活污水排放有關(guān)[24]。

表2 主成分荷載矩陣與得分系數(shù)矩陣

2.2 水質(zhì)空間變化特征

主成分個數(shù)、各成分相關(guān)度與貢獻程度確定后，需進一步確定各主成分的表達式和綜合主成分函數(shù)，以開展水質(zhì)綜合評價[25]。根據(jù)不同斷面2010—2017年汛期與非汛期各主成分綜合得分均值，依據(jù)GB 3838—83《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的所選7個污染指標(biāo)的5類水質(zhì)臨界數(shù)值，結(jié)合主成分分析得到的綜合水質(zhì)評價函數(shù)F，計算得出官廳水庫水質(zhì)等級分類標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ類：F≤-0.746；Ⅱ類：-0.746

(a) 全年

(b) 汛期

(c) 非汛期

表3 2010—2017年官廳水庫不同時期各水質(zhì)等級區(qū)域面積均值單位：km2

從圖2(a)可以看出，入庫斷面八號橋與西湖橡膠壩水質(zhì)狀況最差，達Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，出庫斷面壩后水質(zhì)綜合狀況最佳，達Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)限值。結(jié)合第1、2、3主成分與各污染指標(biāo)的相關(guān)性可知，入庫斷面上游洋河與媯水河存在以氮磷為主的有機污染，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化程度偏高，污染庫區(qū)水質(zhì)。河口(Ⅲ類水)、媯1018+1表(Ⅲ類水)斷面距離上游河流入庫斷面較近，水質(zhì)受上游來水影響較大，與庫區(qū)永10008東表(Ⅲ類水)、媯大橋表(Ⅲ類水)斷面相比主成分得分值較大。根據(jù)對圖2與表3的綜合分析，Ⅲ類水(全年占37.5%、汛期占39.4%、非汛期占21.5%)和Ⅳ類水(全年占53.6%、汛期占54.5%、非汛期占63.6%)占庫區(qū)面積比重大，集中于庫區(qū)中心位置。越靠近上游地區(qū)受工農(nóng)業(yè)等人類活動影響越大，水質(zhì)越差，向Ⅴ類水過渡；靠近下游出庫區(qū)域水質(zhì)向好，可達Ⅰ、Ⅱ類水的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 年內(nèi)汛期與非汛期水質(zhì)變化特征

根據(jù)官廳水庫周邊降水變化規(guī)律將每年6—9月作為汛期，其余月份作為非汛期。從汛期與非汛期水質(zhì)空間變化圖(圖2(b)(c))可看出兩個時期均顯現(xiàn)出上游入庫區(qū)域水質(zhì)較差、庫區(qū)水質(zhì)向好、下游出庫水質(zhì)提升的變化規(guī)律。對兩個時期各等級水質(zhì)面積進行統(tǒng)計顯示，汛期達標(biāo)水質(zhì)(Ⅰ～Ⅲ類水)面積明顯大于非汛期。與汛期相比，非汛期Ⅲ類水面積縮減45%；Ⅱ類水區(qū)域面積縮減30%；Ⅰ類水面積雖增幅顯著，但其影響范圍與整個水庫面積相比可忽略不計。非汛期水質(zhì)未達標(biāo)(Ⅳ、Ⅴ類水)區(qū)域面積顯著增大，與汛期相比，Ⅳ類水面積增幅17%，Ⅴ類水面積突增為原來的2.3倍，由此看出，官廳水庫汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期。從圖2可以看出，靠近上游入庫斷面的河口及周邊區(qū)域水質(zhì)由汛期時的Ⅲ類水轉(zhuǎn)為非汛期時的Ⅴ類水，媯1018+1表斷面水質(zhì)由Ⅲ類水轉(zhuǎn)為Ⅳ類水，而其他斷面水質(zhì)等級保持不變，說明越靠近入庫區(qū)水質(zhì)污染變化越明顯，這是由于汛期降水量與河道徑流量增大，有利于水體中污染物稀釋擴散。進入秋冬季后，河流處于非汛期，流域水溫較低，水體流速和流量較汛期均有所降低，污染物無法及時隨水流擴散稀釋。靠近庫區(qū)中心媯大橋表、永10008東表以及水庫下游壩后斷面水質(zhì)變化受汛期與非汛期水量影響較小，全年水質(zhì)變化波動幅度較小，水質(zhì)狀況穩(wěn)定。

2.4 水質(zhì)年際變化特征

2.4.1達標(biāo)水質(zhì)區(qū)域面積變化

根據(jù)GB 3838—83《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，官廳水庫水質(zhì)應(yīng)達到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。通過上述分類與統(tǒng)計方法對官廳水庫2010—2017年Ⅲ類水及以上水質(zhì)等級區(qū)域進行面積統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。

圖3 2010—2017年水質(zhì)達標(biāo)區(qū)域面積變化

由圖3可知，2010—2012年官廳水庫水質(zhì)達標(biāo)區(qū)域面積持續(xù)增大，庫區(qū)整體水質(zhì)狀況好轉(zhuǎn)，2012年水質(zhì)達標(biāo)區(qū)域面積達到2010—2017年間的最大值，占水庫總面積的86.3%。水質(zhì)變好的原因為自2009年北京市政府與河北省合作實施京冀生態(tài)水源保護林建設(shè)，增強沿岸涵養(yǎng)水源功能并對上游來水起到凈化作用；2010年，隨著永定河綠色生態(tài)發(fā)展帶建設(shè)正式實施，官廳水庫人工濕地的修建使庫區(qū)水質(zhì)在短時間內(nèi)大幅上升。2013—2014年庫區(qū)水質(zhì)達標(biāo)區(qū)域面積整體呈減小趨勢，至2015年出現(xiàn)小幅度上升，隨后2016年面積縮小至最小值 8.61 km2。2013—2016年官廳水庫水環(huán)境質(zhì)量惡化情況嚴(yán)重，這是由于永定河生態(tài)廊道建設(shè)中存在大量人為修復(fù)工程，在短時間內(nèi)成效顯著，但上游來水只減不增，污染物排放量居高不下，導(dǎo)致修復(fù)效果逐年減弱。2016年后官廳水庫水質(zhì)迅速好轉(zhuǎn)，2017年達標(biāo)區(qū)域面積增大至67.95 km2，占水域總面積的66.5%。其原因是2017年國家發(fā)改委、水利部、國家林業(yè)和草原局聯(lián)合印發(fā)《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》，同年開展了15項修復(fù)工程；另外由于降水量增大，加之京津冀協(xié)同一體化發(fā)展，上游加大水環(huán)境保護力度，官廳水庫入庫水量加大。北京擁有南水水源后，官廳水庫放水頻次降低，2017年蓄水量接近4.8億m3，水面覆蓋面積約80 km2，達2010—2017年間最高水位，庫區(qū)水質(zhì)達標(biāo)區(qū)域面積回升。但從總體來看，2010—2017年官廳水庫水質(zhì)變化波動較大，2017年仍存在33.5%不達標(biāo)水質(zhì)區(qū)域。

2.4.2斷面水質(zhì)年際變化

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對官廳水庫7個斷面2010—2017年的主成分綜合得分值進行分析，結(jié)果見表4。不同斷面主成分綜合得分和水質(zhì)等級隨時間變化趨勢如圖4所示。

表4 各斷面主成分綜合得分值秩相關(guān)系數(shù)與水質(zhì)變化趨勢

從表4的秩相關(guān)系數(shù)和圖4的折線變化趨勢可以看出，總體上八號橋、西湖橡膠壩、河口斷面水質(zhì)較2010年有下降趨勢，庫區(qū)靠近上游河流入庫斷面的永10008東表、媯大橋表、媯1018+1表、壩后斷面水質(zhì)較2010年有上升趨勢。根據(jù)單尾檢驗，t=0.05時，臨界值為0.738，各斷面秩相關(guān)系數(shù)均小于臨界值，表征水質(zhì)變化的主成分綜合得分值與時間序列無顯著相關(guān)性，說明水環(huán)境變化除受自然影響外，更易受外界人為工程措施與地方政策的影響，水生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力有限。

(a) 主成分綜合得分

(b) 水質(zhì)等級

由圖4可知，八號橋斷面水質(zhì)維持在Ⅳ、Ⅴ類，根據(jù)其主成分綜合得分值可看出，2011年得分值為近8年最大值1.55，水質(zhì)狀況最差；自2011年后水質(zhì)好轉(zhuǎn)，由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅳ類水；八號橋斷面主成分得分值在2015—2016年經(jīng)歷了小幅度上升后下降，水質(zhì)維持在Ⅴ類水。河口斷面水質(zhì)主成分得分值變化趨勢與八號橋相似，自2011年主成分得分值達到最高值0.92后開始下降，水質(zhì)由Ⅴ類水轉(zhuǎn)為Ⅳ類水，這與2010年后實施的生態(tài)廊道修復(fù)工程有關(guān)，在八號橋入庫口修建人工濕地在短期內(nèi)使八號橋與河口附近水質(zhì)提升，后續(xù)因為降水量與入庫水量的波動導(dǎo)致這2個斷面水質(zhì)波動。西湖橡膠壩斷面水質(zhì)一直處于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，自2010年主成分得分值達到最大值1.70后，其得分值在0.45～1.17間波動，總體呈下降趨勢，這與媯水河入庫口未實施相應(yīng)修復(fù)工程有關(guān)。庫區(qū)內(nèi)永10008東表、媯大橋表、媯1018+1表斷面水質(zhì)綜合得分值波動較小，媯1018+1表斷面水質(zhì)受媯水河入庫水質(zhì)影響較大，水質(zhì)在Ⅲ、Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)波動；永10008東表與媯大橋表斷面靠近庫區(qū)中心，水質(zhì)基本維持在Ⅲ類水，說明庫區(qū)內(nèi)中心水質(zhì)狀況較靠近上游入庫斷面區(qū)域更為穩(wěn)定；出庫斷面壩后的主成分得分值在2012年達到最小值-1.12，于2016年達到最大值-0.63，總體維持在Ⅰ類水。

3 結(jié) 論

a.主成分分析表明，影響官廳水庫水質(zhì)的關(guān)鍵因子的貢獻程度從大到小依次為總氮、總磷、氨氮、pH值、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧。官廳水庫水環(huán)境中以氮磷為主的有機污染與可還原污染并存，水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前水庫面臨的最主要的水質(zhì)問題。

b.官廳水庫水質(zhì)時空差異較大，空間上總體呈現(xiàn)出上游河流入庫區(qū)域附近水質(zhì)劣于下游出庫區(qū)域水質(zhì)；上游來水成為庫區(qū)污染物主要來源，污染物在入庫濕地區(qū)域大量沉積，導(dǎo)致周邊水質(zhì)下降。時間上的特點為汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期水質(zhì)，說明水量增大有利于污染物稀釋。從年際變化特征來看，各斷面水質(zhì)呈現(xiàn)出不同規(guī)律，入庫區(qū)域斷面水質(zhì)隨時間變化波動較大，總體呈輕微好轉(zhuǎn)趨勢；庫區(qū)中心至出庫區(qū)域斷面水質(zhì)隨時間變化相對穩(wěn)定。2010—2017年總體水質(zhì)情況為先降后升，但至2017年仍存在33.5%水質(zhì)不達標(biāo)區(qū)域。

c.根據(jù)官廳水庫近年來水質(zhì)評價結(jié)果與時空變化特征，建議實施分區(qū)管理。上游地區(qū)可優(yōu)先對農(nóng)業(yè)化肥施用采取管控措施，削減入庫氮磷含量，同時開展節(jié)水措施，提高水資源利用率，增大入庫水量，有效稀釋庫區(qū)污染物；上游河道周邊實施濕地恢復(fù)工程，增強水源涵養(yǎng)功能，截留污染物。入庫河流實現(xiàn)水質(zhì)、水量兩方面提升，將有利于恢復(fù)官廳水庫及其下游河道生態(tài)服務(wù)功能，緩解北京市工農(nóng)業(yè)發(fā)展與城市居民用水壓力。