西北某市供水工程水環境質量變化分析

韓新盛，何康麗，王旭乾，宋 云，楊宏娟

（1.中鐵水務集團有限公司,陜西 西安 710000；2.銀川中鐵水務集團有限公司,寧夏 銀川 750021）

0 引言

地表水環境污染已成為全球關注的問題之一[1]。水環境質量評價是水資源可持續利用的基礎,是制定生態管理、治理決策的依據,也是生態文明建設的重要抓手[1-2]。對水環境質量評價的方法比較多,常用的有：單因子評價法[3]、主成分分析法[4]、綜合污染指數法[5]、模糊數學評價法[6]和水污染指數法[7]等,其中綜合污染指數法應用較為廣泛[8]。

2019 年底開始,西北某市居民生活用水以黃河水為水源,通過西線供水工程為西北某市三區供水。然而,根據實際監測情況表明黃河水中總氮、總磷等指標含量較高,容易引起水庫富營養化,產生藻類、藻毒素、腐殖質及微量有機物等,嚴重影響了用水的水質。

本研究以西線供水工程水體為研究對象,結合實際情況設置兩個采樣點,在2021 年～2022 年每月采集一次水樣,然后采用水環境質量指數法和因子分析法對水質數據進行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

為了解決西北某市都市圈內水資源總量不足、地下水超采形成漏斗、城鄉規劃建設與水源地保護矛盾突出、城市單一水源存在供水安全風險、農村供水水源分散、部分水質不達標且供水保證率低等問題,建設以黃河為水源的西北某市供水工程。工程是集黃河取水泵站、遠距離大口徑輸水管道、平原型水庫、黃河水深度處理凈水廠和上百公里的城市輸水管道于一體的供水工程。一期工程總投資75 億元,于2019年12 月底實現了為西北某市三區180 萬人口供水,到2022年6 月已實現為西北某市三區兩縣265 萬城鄉居民提供生活用水。

1.2 采樣點設置和水樣采集

由于輸水管道是埋于地下的管涵,水庫屬于保護單位,且沒有動力船,故只在取水泵站前池和水庫的取水口設置2個采樣點（見圖1）。按照《地表水和污水監測技術及規范》（HJ/T 91-2002）[9]中的要求,2021 年～2022 年每月采集一次水樣。根據《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）[10]中的方法,測定水樣的高錳酸鹽指數、總磷、氨氮、化學需氧量、溶解氧、五日生化需氧量、總氮和硝酸鹽氮含量。

圖1 研究區域及采樣點分布圖

1.3 評價方法

（1）水環境質量指數

水環境質量指數（Water environmental quality index,WEQI）是水環境質量評價中水環境質量優劣的數量尺度,能夠反映研究區內水體的水質綜合狀況和綜合營養狀態[11]。WEQI 的計算見式（1）[1]。水環境質量狀況越差,具體分級情況見表1。

表1 水環境質量分級表

式中：WQI 為水質綜合狀況指數；TLI 為水體綜合營養狀態指數。

WQI 的計算公式見文獻[1],分級情況見表2。

表2 水環境質量分級表

TLI 的計算見公式（2）,其分級見文獻[12]。

式中：Wj為第j項評價因子的營養狀態指數的權重, 計算見式（3）[13]；TLIj為第j項評價因子的營養狀態指數,計算見式（4）～式（6）。

式中：rlj為第j項評價因子的與葉綠素的相關系數,見文獻[12]。

（2）因子分析法

因子分析（Factor Analysis, FA）通過研究眾多變量之間的內部依賴關系,探求觀測數據之間的基本結構,并用少數幾個獨立的不可觀測變量 （因子）來表示其基本的數據結構。

計算基本步驟如下,詳細計算公式見文獻[14]。

①對數據樣本進行標準化處理；

②計算樣本的相關矩陣R；

③求相關矩陣R 的特征根和特征向量；

④根據系統要求的累積貢獻率確定主因子的個數；

⑤計算因子載荷矩陣；

⑥確定因子模型；

⑦根據上述計算結果,對系統進行分析。

2 結果與分析

2.1 西線工程水環境質量變化

采樣點的水質綜合營養狀態指數變化見圖2。由圖2 可知：①泵站和水庫水體的TLI 值介于30 和50 之間,即處于中營養狀態；②水庫的水體分別有一次出現輕度營養狀態和中度富營養狀態,可能與水庫水體流動性差有關。

圖2 兩個采樣點不同時間的水質綜合狀況指數

（3）水體的水環境質量指數

由公式（1）計算出兩個采樣點的水環境質量指數見圖3。由圖3 可知：①大多數時間取水泵站和水庫的水質屬于中度污染；②取水泵站處出現重度污染的次數比水庫多,說明泵站上游存在污染源,且對黃河水體的污染較大；③2021 年泵站處水質較差,基本上屬于中度污染。而水庫的水質則在2022 年較差,大部分時間處于中度污染狀態；④泵站處水體大部分時間屬于中度污染,而水庫的水體屬于輕度污染和中度污染的次數比較接近。可能因為泵站到水庫的輸水渠埋于地下,受外界影響較小,水流自身有一定的自凈能力,因此水庫的污染相對較輕。

圖3 兩個采樣點不同時間的水環境質量指數

2.2 因子分析結果及分析

采用SPSS 25 軟件對兩個采樣點的水樣進行因子分析。計算的KMO 統計量大于最低標準0.5,巴特利特球形度檢驗的顯著性小于0.05,結果表明這組數據適合進行因子分析。然后根據特征值大于1,進行主成分分析,兩個采樣點的結果分別如下：

（1）泵站處水體指標分析

2021 年～2022 年24 個水樣因子分析的總方差解釋見表3。根據特征值可判斷,提取出3 個主因子。為了方便解釋因子含義,需要進行因子旋轉,旋轉后的因子載荷值見表4。

表3 泵站處水質指標總方差解釋表

表4 泵站處水質指標分析旋轉后的成分矩陣

由表4 可知,第一個主因子包含總氮和硝酸鹽氮；第二個主因子包含總磷和五日生化需氧量；第三個因子包含氨氮和高錳酸鹽指數。

（2）水庫水體指標分析

2021 年～2022 年24 個水樣因子分析的總方差解釋見表5,由特征值可知,提取出四個主因子。旋轉后的因子載荷值見表6。

表5 水庫水質指標總方差解釋表

表6 水庫水質指標分析旋轉后的成分矩陣

由表6 可知,第一個主因子包含總氮和硝酸鹽氮；第二個主因子包含總磷和溶解氧；第三個因子包含五日生化需氧量；第四個因子包含化學需氧量。

由因子分析可知,泵站和水庫水質的主因子個數不同,主成分包含總氮、硝酸鹽氮、總磷和五日生化需氧量,而泵站處主因子還包含氨氮和高錳酸鹽指數,水庫又包含了溶解氧和化學需氧量。這表明兩處的水質有聯系也有區別,而且由于水庫水體的流動性較差,導致水庫水體出現富營養化趨勢,這與2.1 節中TLI 計算結果一致,即水庫水體出現了中度和重度富營養化。

3 結論

本文以西北某市供水工程的水質為研究對象,在取水泵站和蓄水水庫分別設置了采樣點,于2021 和2022 年每月采集一次水樣,并對水樣進行了檢測,測定了水樣的高錳酸鹽指數、總磷、氨氮、化學需氧量、溶解氧、五日生化需氧量、總氮和硝酸鹽氮含量。采用水環境質量指數和因子分析方法對水質數據進行了分析。結果表明：①兩個采樣點水質基本處于中度污染狀態；②由于受到上游污染源的影響,取水泵站處水質較水庫差；③水庫水體的流動性較差,導致水體出現富營養化趨勢,一度出現了中度和重度富營養化。④由主因子分析結果看,取水泵站處和蓄水水庫水體水質情況存在一定的關聯性。但是,由于輸水渠道較長且埋于地下,受外界影響較小,而且水庫水體流動性差,因此兩處的水質主因子存在差異。