梁明奇，王敏，朱江龙

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

随着经济发展水平和城镇化率的不断提高，且前期不重视对生态环境的保护，我国许多水库的水质状况较差，近50%超出Ⅳ类水标准[1].五排水库流域内的畜禽养殖、农业种植、生活污水等污水排放逐年增加，且因水资源和旅游资源开发利用不当，致使点源污染与面源污染共存，生活污染和生产污染叠加，水质污染与生态退化交织，生态环境受到严重威胁.

如何客观、合理、准确地评价水体环境质量以反映水质状况一直是生态环境评价的重点.目前在水环境质量评价中应用的比较多的方法主要有单因子评价法、综合污染指数法和模糊数学法等[2-3].这些方法各具优点，但也会因为水质诸多因素的干扰而显得相对局限.主成分分析法能从众多变量中筛识别并筛选出主要污染因子，减少工作复杂度，在保留原始主要信息的同时能有效减少主观误差[4-5].分析结果能较好地反映污染物排对水质的影响，已被多次应用于水质评价[6-12].

本文中对2018年11月五排水库19个点位的水样进行水质检测，以其检测结果为对象，应用主成分分析法，通过主成分综合评分排序，研究五排水库各点位的污染状况，分析造成水污染的主要影响因素，以期为五排水库的水域环境保护和治理提供依据.

1 材料与方法

1.1 水样采集库区的流向由北向南，主流狭长曲折，存在些许小支流.本文中根据水库地形、水面面积、入库河流布设采样点，选点方法依据《地表水和污水监测技术规范(HJ-T91—2002)》[13].采样范围为30°26′ N ～ 30°29′ N，106°22′ E ～ 106°23′ E，各点具体坐标见表1，各点分布状况见图1.

表1 水样采集点坐标

图1 水样采集点分布图

1.2 样品检测检测的水质指标为总磷(TP)[14]、氨氮(NH3-N)[15]、总氮(TN)[16]、化学需氧量(COD)[17]和高锰酸盐指数(CODMn)[18]，检测方法按照《水和废水监测分析方法》(第四版)实行.各检测指标与其检测方法(仪器)见表2.

表2 水质检测指标与其检测方法

1.3 主成分分析步骤

1)将水质TP、NH3-N、TN、COD和CODMn的原始数据和各类水质标准导入SPSS 21.0，采用Z-score的方法对其进行标准化处理，以消除不同指标间的量纲和数量级影响.Z分数能较真实地反应一个数值距离数组平均数的相对标准距离[19].计算公式见式(1)：

(1)

2)对标准化的数据进行降维分析，系统自动求出协相关矩阵.对变量进行相关性检验是能否进行主成分分析的前提，通过KOM和Bartlett检验，判断变量的相关性程度，当KMO>0.6且Sig.<0.05才可进行主成分分析.

3)原始变量方差中能被共同因子解释的部分称为共同度，变量能被因子说明的程度与共同度的值成正比，共同度大于0.5才适合解释原始数据[20].

4)计算特征值及方差贡献率，将特征值均大于1且累积贡献率大于80%的几个成分确定为主成分.

5)根据自动计算得出主成分的载荷矩阵，结合转化公式计算出特征值所对应的得分系数矩阵，转化公式见式(2)：

(2)

其中，Bij是得分系数矩阵中第i个主成分的第j个指标的数值，Aij是载荷矩阵第i个主成分的第j个指标的数值，λi是第i个主成分的特征值.

6)以Ni的方差贡献率为权重，计算主成分综合得分，分值越高，污染越严重.先求出各主成分得分表达式，计算公式见式(3)，再求出主成分综合得分表达式，计算公式见式(4)：

(3)

(4)

式(3)中，Fi指第i个主成分的得分，Bij指得分系数矩阵中第i个主成分的第j个指标的数值，Xij指第i个指标的第j个标准化数值；式(4)中，F指主成分的综合得分.

2 结果与讨论

2.1 主成分分析结果

2.1.1 标准化处理 对19个点位和各类水质标准的5项水质指标检测结果做标准化处理，结果见表3.

表3 原始数据标准化结果

2.1.2 变量相关性检验 由表4可知，经标准化的各变量KMO=0.624 >0.5，Bartlett球形度检验显著性Sig.=0.000 <0.05，说明变量间存在相关性，适合做主成分分析.

表4 KMO和Bartlett检验

2.1.3 共同度检验 表5所示各指标的共同度提取值均大于0.8，TP可达到0.935，TN可达到0.938，故本文中提取的公因子能较大程度上代表原始数据的信息.

表5 公因子方差共同度

2.1.4 主成分确定 通过协方差矩阵计算出主成分的特征值、方差贡献率及累积方差贡献率，并依据主成分分析的原则，选取特征值均大于1且方差贡献率累积大于80%的前i个成分作为主成分.由表6可知，成份1和成份2的特征值分别为2.505和1.991，方差贡献率分别为50.109 %和39.817 %，累积贡献率分别为50.109 %和89.926 %，故选择成份1和成份2作为主成分.

表6 主成分特征值及方差贡献率

2.1.5 主成分得分矩阵 计算得出主成分载荷矩阵与得分系数矩阵，见表7.

表7 主成分的载荷矩阵和得分系数矩阵

2.1.6 主成分综合得分排序及水质分类 对主成分综合得分进行排序，根据各水体类别的排行划分各点位的水体类别(比如，水样的主成分综合得分介于Ⅲ类和Ⅳ类的主成分综合得分之间，其水体类别视为Ⅳ类，排序数值越大说明水质越差、污染越严重)，结果见表8，各水质类别的占比见图2.

表8 各点位水质综合评价结果

图2 各类水质占比

2.2 讨论

1)从表8和图2可知，全部点位的水体类别均在Ⅳ类及其以上，Ⅳ类水和Ⅴ类水的占比分别为89%和11%，五排水库水体环境质量最好的点位是10，为Ⅳ类水，最差的点位是3，为Ⅴ类水.水体中的NH3-N、TN、TP和COD均严重超标，已经不满足五排水库水体水质管理目标的Ⅲ类水要求.

2)上游排污及库区周边的农村生活污水、农村畜禽养殖废水、农家乐餐饮尾水和农业面源污染是造成水体NH3-N、TN、TP和COD超标的主要原因.结合表8和图1来看，1号点作为入库断面，其水质污染状况已较为恶劣，有机物污染和氮磷污染严重，与上游岳池县的生活生产排污有关；2、4、6、8、11号点位水域狭窄，水流较急，不利于污染物停留聚集，水流经2号点到3号点后，水面变宽、水流减缓，复氧量低，不利于水中微生物对氨氮的硝化和有机物的氧化，同时在水与底泥交界处，因溶氧量低而形成的厌氧环境有利于底泥中磷的释放，因而3号点的水污染严重；3、5、12、15、17号点在历史上存在水产养殖，且存在农村面源污染、农村养殖废水和农村生活污水的涉入(12、17号点附近有支流汇入)，部分点位(5、15号点)因周边地形呈环抱状，水流在此回旋易于污染物汇集造成污染；14、16号点位于干流，两侧有大片农田和规模较大的村落，农田中化肥过剩的营养成分N、P的流失、农村养殖废水和农村生活污水的汇入导致其污染严重；19号点为水库大坝断面，各种污染物未能经过水体自净去除在此聚集.由此可见，分析结果与实际相符.

3)2014年发布的《广安市人民政府办公室关于印发五排水库及长滩寺河流域水污染综合治理实施方案的通知》要求，五排水库需全面取缔库区内网箱养鱼和拦河养鱼，库区周边设置禁养区和限养区，加强流域沿岸场镇污水处理监管，强化农村面源污染治理，推动农业种植结构优化调整.目前，库区内已取缔水产养殖业，关闭或搬迁库区禁养区内的养殖场，限制发展库区限养区内的大规模养殖场.虽然通知仅要求强化监管场镇污水的处理，但库区周边坐落众多的村庄，且大多数村庄无排水管网及污水处理设施，因此，对农村生活污水排放的处理与监管同样重要；此外，库区周边农田分布广泛，遏制并削减农田中污染物的排入仍值得重视.

4)针对上述存在的问题，结合水质评价结果，对五排水库的后续治理有以下建议：第一，1号点作为入库断面，水污染严重，应加强对库区上游岳池县的水质治理与保护，城镇生活污水及工业废水的处理出水指标要达到五排水库的水环境功能区类别的限值要求；第二，对于水流较缓及水流回旋等利于污染物沉降聚集的3、5、15、19号点，应对其水体分层充分曝气，改善好氧微生物的生存条件，加快水体中氮磷及有机物的去除；第三，对12、17号附近的汇入支渠，应在汇入口处沿支渠走向向外截取一段渠道，沿线种植适合生长、去污能力强的水生植物，打造生态净化走廊，并在汇入口设置生态浮岛进一步去除水中的污染物；第四，对于库区周边限养区的养殖场，应尽快促成化粪池的普及，以消纳生产废水，并通过吸粪车清运生产废水，避免生产污水排入库区，减轻3、5、12、14、15、16、17号点的污染；第五，对3、5、12、14、15、16、17号点周边有污水排入库区水体的村庄进行整治，村庄应通过铺设排水管网或者利用现有沟渠的方式收集生活污水及餐饮旅游业污水，并设置污水处理终端(如：人工湿地、氧化塘等)，水质达标后可排入库区水体；第六，对于3、5、12、14、15、16、17号点周边的农田，可在库区沿岸设置阶梯式净化植草沟，层层拦截并去除农田灌溉水中的污染物和被雨水裹挟的农田污染物，并控制化肥及农药的使用，通过调节农业种植结构以提升化肥的利用率，避免养分流失.

3 结论

1)运用主成分分析法，对2018年11月的五排水库的水质进行数据分析，结合各类水质指标的标准限值进行综合评价并分类排序.结果表明，五排水库19个点位水样的水体类别，Ⅳ类水和Ⅴ类水占比分别为89%和11%.

2)五排水库各点位水质污染的主要影响因子为氮磷和有机物，外源污染主要来自上游村镇的生产生活排污、周边农村养殖污水及生活污水排入、两岸农田化肥和农药中过剩营养及有机物的汇入，内源污染来源于历史上受到库区水产养殖业的残余肥料饵料、各种添加剂与药剂、水生动物粪便污染的底泥反释放到水环境中的污染物.

3)库区各点位的水质污染程度有明显的区域差异，在水面较宽、水流缓慢、水深较浅的水域和临近农田和村落的水域，水污染严重.在水面狭窄、水流较急、水深较深的水域和远离农田和村落的水域，水污染较轻；由于库区历史上水污染严重，超出了水体的自净能力，总体看水库水质恶劣.

4)保护和提升水库水质，应加强对水库上游岳池县排水的集中治理和沿线除污，对库区周边农村的生产生活污水进行收集处理达标后排放，对库区周边养殖场的养殖废水进行收集并清运，避免其汇入水库造成水体污染，对库区周边农田面源污染应在其汇入库前拦截净化、减少化肥及农药的使用并调节农业种植结构以提高化肥利用率.