南水北調(diào)中線河南段水質(zhì)時(shí)空變化及影響因素

白景鋒，王緣圓

（1.南陽(yáng)師范學(xué)院 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061; 2.南陽(yáng)師范學(xué)院 河南省環(huán)境激光遙感技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心，河南 南陽(yáng) 473061;3.浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江，杭州 311300；4.南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 南陽(yáng) 473061）

0 前言

目前，國(guó)外已有大量學(xué)者通過多元統(tǒng)計(jì)方法研究區(qū)域的水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其能更有效識(shí)別可能的潛在污染源，為相關(guān)主管部門的水資源管理提供技術(shù)支持。中國(guó)也有很多學(xué)者使用多元統(tǒng)計(jì)方法來(lái)研究水質(zhì)的狀況，如李一平等運(yùn)用主成分分析研究了太湖水質(zhì)時(shí)空分布特征，汪心雯等結(jié)合聚類分析、主成分分析方法對(duì)貴州黃洲河流域水質(zhì)特征進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，史堅(jiān)等運(yùn)用因子分析、層次聚類分析研究了西溪濕地四季水質(zhì)時(shí)空變化特點(diǎn)。然而，目前關(guān)于中線干渠的研究主要集中在其水質(zhì)評(píng)價(jià)方面，對(duì)水質(zhì)時(shí)空特性的分析較少。特別是對(duì)南水北調(diào)中線干渠（河南段）水質(zhì)的時(shí)空變化及影響因素分析更少。文章通過對(duì)一年的水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和相關(guān)分析，探尋中線干渠水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律，為保護(hù)水質(zhì)安全和控制污染源提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

南水北調(diào)中線干渠河南段是干渠的起始段，占總干渠長(zhǎng)度的一半多，因此，研究其水質(zhì)變化具有代表性。南水北調(diào)中線工程水源地河南段涉及24個(gè)縣城；河南段屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期。春季回溫較快，溫度波動(dòng)較大，夏季降雨多，秋季降溫快，冬季較干冷。年平均氣溫較溫暖，年均降水量較多，降雨主要集中在夏季。

1.2 研究數(shù)據(jù)及來(lái)源

由北到南選取安陽(yáng)、鶴壁、衛(wèi)輝、焦作、鄭州、禹州、郟縣、葉縣、南陽(yáng)、陶岔十個(gè)地點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采樣時(shí)間為2018年12月至2019年11月，每月從這十個(gè)地點(diǎn)采集一次相關(guān)數(shù)據(jù)。檢測(cè)指標(biāo)有pH值、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）等。

2 研究方法

在對(duì)于水質(zhì)指標(biāo)按時(shí)間、空間進(jìn)行均值標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法（試行）》，河流、湖庫(kù)斷面水質(zhì)類別進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)。

單因子污染指數(shù)公式如下：

綜合污染指數(shù)公式如下：

其中，Ci 為第i項(xiàng)污染物的監(jiān)測(cè)值；Si為第i項(xiàng)污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；P為綜合污染指數(shù)，n為參評(píng)水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)。綜合污染指數(shù)P 對(duì)應(yīng)水質(zhì)分級(jí)：P≤0.2，清潔；0.21≤P≤0.4，較清潔；0.41≤P≤0.7，輕度污染；0.71≤P≤1.0，中度污染；1.01≤P≤1.99，重度污染；P≤2.0，嚴(yán)重污染。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，南水北調(diào)中線干渠（河南段）水質(zhì)總體上達(dá)國(guó)家Ⅱ類水質(zhì)。由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中，缺少總有機(jī)碳（TOC）的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致綜合污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果有所失真。所以，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，由于溶解氧越高，水質(zhì)越好，所以對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)取倒數(shù)后，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將處理后的各項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)加和得到水質(zhì)系數(shù)。將南水北調(diào)中線干渠（河南段）水質(zhì)在國(guó)家Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算出的水質(zhì)系數(shù)，建立水質(zhì)評(píng)價(jià)體系，細(xì)分水質(zhì)：0.00-8.00，水質(zhì)Ⅱ類上乘水質(zhì)；8.00-10.00，水質(zhì)Ⅱ類中等水質(zhì)；10.00-12.00，水質(zhì)Ⅱ類偏下水質(zhì)。

3 南水北調(diào)中線干渠水質(zhì)時(shí)空變化及影響因素分析

3.1 中線工程干渠河南段水質(zhì)年內(nèi)變化特征

依據(jù)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)（EI）的月均值變化可知（圖1）。中線工程干渠河南段水質(zhì)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且冬（12-2 月）季水質(zhì)要比夏（6-8）、秋（9-11）季好。

圖1 EI指數(shù)的月均值變化圖

從耗氧有機(jī)物COD 月均值變化（見圖2）可見：CODMn的月變化總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，范圍在1.65～2.99 mg/L，達(dá)標(biāo)級(jí)別Ⅱ類；COD的月變化比較平穩(wěn)，范圍在10.08～12.69 mg/L，達(dá)標(biāo)級(jí)別Ⅰ類。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明CODMn 冬季明顯低于夏、秋季；COD冬季和夏季明顯低于秋季。

圖2 干渠河南段PH值、DO、TOC、COD、TN和CODMn變化圖

依據(jù)營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)TP、TN月均值變化（見圖2、圖3）可見：TP的月變化較為明顯，范圍在0.011～0.025 mg/L，達(dá)標(biāo)級(jí)別Ⅱ類；TN月變化總體較平穩(wěn)，范圍在1.1425～1.676 mg/L，達(dá)標(biāo)級(jí)別Ⅳ類。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：TP在春、夏、冬三季變化大，且在夏季達(dá)到峰值；TN在冬季和夏季起伏較大，且TN 在冬季明顯低于春、夏季，峰值出現(xiàn)在夏季。

圖3 干渠河南段TP變化圖

冬季干渠綜合污染指數(shù)為0.64；春季為0.66；夏季為0.69；秋季為0.72。從污染程度上，中線工程干渠河南段夏、秋季水體質(zhì)量較差，春季次之，冬季水體質(zhì)量好。水體有輕度污染。冬季水質(zhì)系數(shù)為7.38；春季為7.31；夏季為9.31；秋季為7.99。水域水質(zhì)總體屬于Ⅱ類上乘水質(zhì)，且夏季水質(zhì)最差。

3.2 水質(zhì)的空間變化特征

中線工程干渠河南段水質(zhì)空間變化特征分為北中南三段討論。北段包括安陽(yáng)、鶴壁、衛(wèi)輝；中段包括焦作、鄭州、禹州、郟縣、葉縣；南段包括南陽(yáng)、陶岔。

從各段EI指數(shù)的年均值變化趨勢(shì)（見圖4）可知：中線工程干渠河南段水質(zhì)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且中段水質(zhì)比北段、南段差。主要是水源區(qū)的部分污染物在生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化有一個(gè)過程。

圖4 各監(jiān)測(cè)斷面EI指數(shù)的年變化圖

由各段耗氧有機(jī)物指標(biāo)CODMn、COD、TP、TN 可知（表1）：CODMn由南到北遞增，范圍在2.28～2.62 mg/L，為Ⅱ類；COD 范圍在10.93～11.95 mg/L，為Ⅰ類。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明CODMn，COD 在南段最小，即水源區(qū)附近水質(zhì)較好。這說明在輸水過程中，耗氧有機(jī)物有新的增加，即出現(xiàn)了新污染源。營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)TP、TN 濃度變化趨勢(shì)見表1。TP 由南到北遞增，范圍在0.01～0.02 mg/L，達(dá)標(biāo)級(jí)別Ⅱ類；TN 范圍在1.38～1.39 mg/L，達(dá)標(biāo)級(jí)別Ⅳ類。

表1 干渠河南段耗氧有機(jī)物空間變化表

經(jīng)過計(jì)算，南段水域綜合污染指數(shù)為0.66；中段為0.68；北段為0.67。從污染程度上，中線工程干渠河南段中、北段水體水質(zhì)較差，南段水體水質(zhì)較好。總體上，水域水體處于輕度污染水平。南段水質(zhì)系數(shù)為7.55；中段為8.01；北段為8.28。按照建立的水質(zhì)系數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，水域水體屬Ⅱ類上乘水質(zhì)，且北段水質(zhì)最差。

3.3 中線工程干渠河南段水質(zhì)主要污染成分及影響因子分析

3.3.1 影響中線工程干渠河南段水質(zhì)的自然因素分析

用水質(zhì)系數(shù)與氣溫（℃）、氣壓（hPa）、濕度（%）、風(fēng)速（m/s）、PM2.5（μg/m3）、PM10（μg/m3）、月降雨量（mm）、流量（m3/h）、水溫（℃）等指標(biāo)與水質(zhì)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)0.71～1.00，極強(qiáng)相關(guān)；0.51～0.70，強(qiáng)相關(guān)；0.41～0.50，中等相關(guān)；0.21～0.40，弱相關(guān)；0.00～0.20，極弱相關(guān)或無(wú)相關(guān)。

從干渠河南段看，水溫、氣溫、月降水量、氣壓是影響水質(zhì)的關(guān)鍵因素，氣溫和水溫越高，降水越多水質(zhì)越差，氣壓越高水質(zhì)越好。各自然因素在干渠的不同區(qū)段其作用強(qiáng)度差異較大，北段、中段強(qiáng)度于南段，而且中段和北段PM2.5和PM10的影響明顯加強(qiáng)。由于干渠封閉管理，沒有外部徑流流入，所以月降雨量越大，大氣沉降越多，水中污染物增多，氣溫、水溫越高，水的富營(yíng)養(yǎng)化表現(xiàn)更明顯；北方空氣污染對(duì)水質(zhì)影響較大。

從季節(jié)看，不同季節(jié)各因子影響程度又存在較大差異。冬季對(duì)水質(zhì)影響突出的因素是風(fēng)速和水位；風(fēng)速大水質(zhì)好，水位高水質(zhì)差。春季對(duì)水質(zhì)影響突出的因素是氣溫和水位；氣溫高水質(zhì)差，水位高水質(zhì)好。夏季對(duì)水質(zhì)影響突出的因素增多，其強(qiáng)度大小依次是氣溫、水位、濕度和風(fēng)速；水溫高，濕度大則水質(zhì)差，風(fēng)速大，水位高則水質(zhì)好。秋季對(duì)水質(zhì)影響突出的因素也較多，其強(qiáng)度大小依次是水位、風(fēng)速、濕度、PM2.5 和PM10；PM2.5、PM10與水質(zhì)系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，而水位、風(fēng)速與水質(zhì)系數(shù)是正相關(guān)。

3.3.2 中線工程干渠河南段水質(zhì)的主要污染成分分析

以10 個(gè)站點(diǎn)一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用最大方差法進(jìn)行主成分分析，提取累計(jì)方差大于77.2%的三個(gè)主成分，并得到中線工程干渠河南段的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣，提取得到3個(gè)主因子。

第一主因子的方差貢獻(xiàn)率為31.02%，強(qiáng)正相關(guān)的因子變量為總氮、總磷，說明該主因子與水體反硝化系統(tǒng)的能力，化學(xué)肥料的施用、空氣中的氮氧化合物和磷氧化物有一定關(guān)聯(lián)性；第二主因子解釋了27.15%的水質(zhì)變化，與溶解氧呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能會(huì)引發(fā)水華，會(huì)降低水中植物通過光合作用釋放出的氧以及大氣中的氧氣向水體滲入，導(dǎo)致水中溶解氧含量降低的事實(shí)相符；第三主因子的方差貢獻(xiàn)率為19.09%，與總有機(jī)碳呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與高錳酸鹽指數(shù)具有二類中等水質(zhì)程度正相關(guān)。因此，干渠的主要污染物質(zhì)是氮、磷和有機(jī)物。

4 結(jié)論

從時(shí)間上看，中線工程干渠河南段水質(zhì)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且冬季水質(zhì)要比夏、秋季好；耗氧有機(jī)物指標(biāo)CODMn、COD達(dá)標(biāo)級(jí)別為Ⅱ類、Ⅰ類，營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)TP、TN達(dá)標(biāo)級(jí)別為Ⅱ類、Ⅳ類；水體總體屬于Ⅱ類上乘水質(zhì)，且夏季水質(zhì)最差，秋季稍好，冬季最好。干渠的主要污染物為氮、磷和有機(jī)物，因此要加強(qiáng)居民生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染的控制，降低進(jìn)入干渠水體污染物。

從空間上看，中線工程干渠河南段水質(zhì)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且中段富營(yíng)養(yǎng)化比北段、南段高；總體水質(zhì)Ⅱ類上乘水質(zhì)，離水源地越近，水質(zhì)越好，北段水質(zhì)最差。水質(zhì)的關(guān)鍵影響因子為pH、溶解氧、化學(xué)需氧量、總有機(jī)碳和總氮，表明水質(zhì)主要流域人為活動(dòng)（如農(nóng)業(yè)施肥、工業(yè)排放等）的影響。

影響南水北調(diào)中線工程干渠河南段水質(zhì)的自然因素，主要是水溫、氣溫、月降水量和氣壓；從空間上看不同區(qū)段各自然因素的作用強(qiáng)度有較大差異。在季節(jié)上各影響因素差異不僅強(qiáng)度有差異，作用方向也有差異。由于干渠兩側(cè)沒有地表水注入干渠，所以干渠水質(zhì)主要受水源地污染物、沿渠大氣沉降和大氣污染溶解的影響。

南水北調(diào)中線水源區(qū)河南段屬于農(nóng)耕生產(chǎn)區(qū)，化肥施用量大，使用方法不科學(xué)，加上水土流失的影響，加劇了水體水質(zhì)變差的風(fēng)險(xiǎn)；近年來(lái)河南的經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，尤其是干渠沿線交通與工業(yè)的發(fā)展，造成工業(yè)廢氣、交通廢氣對(duì)調(diào)水誰(shuí)質(zhì)影響較大。

因此，有關(guān)部門應(yīng)制定相應(yīng)的監(jiān)管與保護(hù)措施，定期測(cè)量水質(zhì)，加大對(duì)工廠、交通的廢氣排放的監(jiān)管與治理，加強(qiáng)農(nóng)村生活污水處理工程的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。同時(shí)應(yīng)加大對(duì)水體的宣傳保護(hù)工作，積極推廣科學(xué)施肥。