烏東德電站攀枝花河段的水質時空變化特征

王亞靜 周繼紅 劉 暢 王世巖

（1 河北工程大學能源與環境工程學院 河北邯鄲 056038 2 中國水利水電科學研究院 北京 100038）

引言

隨著社會、經濟發展，人類生產和工農業活動加劇，流域內營養負荷顯著增加[1]。烏東德筑壩以來，庫區由天然河道轉變成為河道型水庫，水動力學發生改變，導致水環境因子也呈現出與之前不同的時空變化特征，烏東德水電站蓄水引起庫區水環境的問題逐漸受到各界學者的關注[2～4]。近年來，關于烏東德水電站的運行引起的水環境問題研究大多集中在壩區[5～7]，對引起重點環境問題的攀枝花河段的水質缺乏多樣點時空變化特征研究，并且庫尾水環境錯綜復雜，水電站的發電蓄水對其影響存在不確定性，故研究該流域水質時空分布特征，具有重要意義。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于四川省攀枝花市，攀枝花市的地理位置處于東經101°08′～102°15′，北緯26°05′～27°21′，地勢由西北向東南傾斜。據統計，2019 年底攀枝花全市總人口108.37 萬人，全市GDP 為1040.82 億。攀枝花市是四川省的資源型城市，主要盛產釩、鈦、鋼鐵等，有“釩鈦之都”、“鋼城”之稱。攀枝花市人口密集、工業發達，人類活動產生的大量污、廢水對烏東德庫尾的水環境具有潛在影響；水庫蓄水后淹沒交錯分布的排污口和取水口，水體自凈能力降低，存在環境風險隱患。

1.2 采樣點及采樣方法

根據 《地表水和污水監測技術規范》（HJ/T91-2002）中有關要求，進行監測點的布設（圖1），分別是倮果大橋（LG）、雅礱江河口（YL）、三堆子（SD）、金江取水口（JJ）、馬店河排污溝下游500m（MDW）、1km（MDY）、3km（MDS）、釩鈦工業園（FT）、拉鲊（LZ）。各樣點每月采樣一次，共采樣12 次。

圖1 研究區域采樣點布設

1.3 指標測定

根據研究區域實際情況，選取高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、總氮（TN）作為時空變化特征分析指標，并結合水溫（WT）、pH 值、溶解氧（DO）、五日生化需氧量（BOD5）、類大腸菌群（FC）作為評價因子進行水質指標相關性分析，水質指標按照《水和廢水監測分析方法（第四版）》進行測定。

1.4 基于多元統計方法的水質數據處理與分析

運用主成分分析法對引起該流域水環境變化的主導因子進行提取并加以分析。基于主成分分析綜合得分分析結果，分析該流域監測指標的時間變化特征；以各斷面監測指標的年內均值分析空間變化特征。主成分分析前，首先對原始水質數據進行KMO 檢驗和Bartlett 球形檢驗，一般認為檢驗結果為KMO＞0.6 且P<0.01 時適合做主成分分析。為了消除各監測指標間不同量級的影響，需將原始數據進行標準化處理（溶解氧的濃度與水質的污染程度呈反比，所以應先對其進行線性變換[8]）。

2 結果與分析

2.1 水環境因子特征與評價

2019 年攀枝花河段的水質因子均值和實測范圍見表1，該流域水體pH 值在7.78～8.28 之間，屬于弱堿性水；DO 含量為7.89～10.55mg/L，COD 含量為2.53～12.49mg/L，BOD5含量為0.25～2.5 mg/L，符合I 類水標準；CODMn含量為0.77～4mg/L，NH3-N 為0.025～0.21mg/L，符合II 類標準；TP 含量為0.005～0.2 mg/L，符合III 類標準；TN 為0.51～1.7mg/L，符合IV 類標準；FC 含量為444.44～54333.33ind./L，超V 類水標準。從各指標的實測范圍來看，TN 在雅礱江口和馬店河排污溝下游500m 處超III 類水標準，且該流域各樣點的FC 均超Ⅲ類水標準（圖2）。

表1 研究區域水質因子特征

圖2 總氮（TN）和類大腸菌群（FC）的實測范圍

2.2 水質指標主成分分析

基于全年12 次采樣結果，對9 個監測樣點進行主成分分析。經檢驗得出，KMO 值為0.735（>0.6），Bartlett 球形檢驗顯著性概率P<0.01，表明各監測指標相關性較好，適宜進行主成分分析。按照λ>1 的原則，提取4 個主成分因子，主成分分析結果見表2。

表2 研究區域監測指標主成分分析結果

由表2 可知，第1 主成分F1 的方差貢獻率最大，為35.585%，與之相關的主要監測指標為TP、CODMn、BOD5，說明F1 主要反映水體營養狀態與水體有機污染程度，其中，TP 與第一主成分F1 為最強正相關，變化特征明顯。第2 主成分F2 的方差貢獻率為18.130%，與之相關聯的主要監測指標為WT、FC，反映了氣候條件（WT）對該流域水環境的影響，并引起了河流中FC 含量的變化，其中，WT 與之關聯最強，表明其隨季節等自然因素變化明顯。第3、4 主成分的方差貢獻率分別為11.467%、10.621%，與之相關聯的主要指標有COD、DO，其中，COD 與第3 主成分呈顯著負相關，主要反映研究區域有機污染的特征；DO 與第4 主成分呈顯著正相關，DO 分布受水體中水生植物光合作用影響，反映研究區域水生植物的分布狀況。

2.3 水質時空分布

2.3.1 水質時間分布

主成分分析中，樣本綜合得分越高，說明樣品中污染物的含量越高，水質越差。研究區域全年綜合得分如圖3 所示，總體來看，2019 年各樣點的綜合得分呈現先升高再降低的趨勢，其中，1～5 月的主成分分析綜合得分普遍較低，水質狀況較好；6～9 月的主成分分析綜合得分呈現升高再降低的趨勢，但其綜合得分均高于其他月份，說明水質狀況劣于其他月份，水質狀況最差出現在8 月；在10～12 月中，11 月的綜合得分高于10 月、12 月，說明水質劣于10 月和12 月。

圖3 研究區域2019年主成分綜合得分

2.3.2 水質空間分布

研究區域各采樣點監測指標空間分布情況如圖4所示，總體來看，CODMn、TP 和TN 年內濃度在上游波動較大，NH3-N 在中下游波動較大。其中，各采樣點CODMn的年內濃度均值為1.42～1.70mg/L，CODMn年內濃度均值的峰值出現在YL 點，上游斷面（YL、SD、JJ）有機污染狀況略高于中下游。各樣點NH3-N 年內濃度均值為0.05～0.08 mg/L，各樣點含量空間分布不均勻，樣點MDW 含量最高，為0.08mg/L。各樣點TP 含量均值為0.02～0.04mg/L，年內濃度均值在上游河段波動較大，峰值出現在YL、SD 點。各樣點TN 含量均值為0.66～0.74mg/L，在上、中游波動較大，YL 斷面含量最高，為0.74mg/L。

圖4 研究區域各采樣點監測指標空間分布

3 結論

結合主成分分析結果和時間變化特征來看，12月、1～5 月水質較好，氣溫相對較低，降水少，引起地表徑流少，帶入河流的污染物較少；6～10 月氣溫高，降水量大，降水沖刷地表，污染物進入水體，水質狀況較差。從空間上來看，中下游水質相對較差，根據實地考察，研究流域內中游存在馬店河排污溝，其主要排放釩鈦工業園區內的工業廢水導致TN 超標。中游MDW 點NH3-N 濃度相對較高也因如此；下游LZ 點NH3-N 的濃度較高是因下游河段兩岸是居民居住地，農村生活污水和畜禽排泄物排放導致NH3-N 濃度升高。因此，流域內主要污染形式為工業點源和農業面源。

結語

針對2019 年攀枝花河段的水質狀況及各水環境因子的時空變化特征進行了評價與分析。對于農村面源建議植樹造林以減少水土流失，加強農村生活污水的收集、處理工作，轉變畜禽養殖方式；對于工業污染源應加大對廢水排放的監管與檢查力度，避免或減少污染物通過地表徑流等滲漏作用進入庫區，破壞庫區生態環境。