白景锋，王缘圆

（1.南阳师范学院 地理科学与旅游学院，河南 南阳 473061; 2.南阳师范学院 河南省环境激光遥感技术与应用工程研究中心，河南 南阳 473061;3.浙江农林大学，浙江，杭州 311300；4.南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心，河南 南阳 473061）

0 前言

目前，国外已有大量学者通过多元统计方法研究区域的水质，发现其能更有效识别可能的潜在污染源，为相关主管部门的水资源管理提供技术支持。中国也有很多学者使用多元统计方法来研究水质的状况，如李一平等运用主成分分析研究了太湖水质时空分布特征，汪心雯等结合聚类分析、主成分分析方法对贵州黄洲河流域水质特征进行分析评价，史坚等运用因子分析、层次聚类分析研究了西溪湿地四季水质时空变化特点。然而，目前关于中线干渠的研究主要集中在其水质评价方面，对水质时空特性的分析较少。特别是对南水北调中线干渠（河南段）水质的时空变化及影响因素分析更少。文章通过对一年的水质检测数据进行主成分分析和相关分析，探寻中线干渠水质时空变化规律，为保护水质安全和控制污染源提供理论依据。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

南水北调中线干渠河南段是干渠的起始段，占总干渠长度的一半多，因此，研究其水质变化具有代表性。南水北调中线工程水源地河南段涉及24个县城；河南段属大陆性季风气候，四季分明、雨热同期。春季回温较快，温度波动较大，夏季降雨多，秋季降温快，冬季较干冷。年平均气温较温暖，年均降水量较多，降雨主要集中在夏季。

1.2 研究数据及来源

由北到南选取安阳、鹤壁、卫辉、焦作、郑州、禹州、郏县、叶县、南阳、陶岔十个地点的水质监测数据进行分析，采样时间为2018年12月至2019年11月，每月从这十个地点采集一次相关数据。检测指标有pH值、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）等。

2 研究方法

在对于水质指标按时间、空间进行均值标准化基础上，按照《地表水环境质量评价办法（试行）》，河流、湖库断面水质类别进行单因子评价。

单因子污染指数公式如下：

综合污染指数公式如下：

其中，Ci 为第i项污染物的监测值；Si为第i项污染物评价标准值；P为综合污染指数，n为参评水质指标个数。综合污染指数P 对应水质分级：P≤0.2，清洁；0.21≤P≤0.4，较清洁；0.41≤P≤0.7，轻度污染；0.71≤P≤1.0，中度污染；1.01≤P≤1.99，重度污染；P≤2.0，严重污染。

评价标准采用《地表水环境质量标准》，南水北调中线干渠（河南段）水质总体上达国家Ⅱ类水质。由于《地表水环境质量标准》中，缺少总有机碳（TOC）的评价标准，会导致综合污染指数法的评价结果有所失真。所以，对水质监测指标进行标准化处理，由于溶解氧越高，水质越好，所以对该项指标取倒数后，再进行标准化处理，将处理后的各项水质监测指标加和得到水质系数。将南水北调中线干渠（河南段）水质在国家Ⅱ类水质标准基础上，根据计算出的水质系数，建立水质评价体系，细分水质：0.00-8.00，水质Ⅱ类上乘水质；8.00-10.00，水质Ⅱ类中等水质；10.00-12.00，水质Ⅱ类偏下水质。

3 南水北调中线干渠水质时空变化及影响因素分析

3.1 中线工程干渠河南段水质年内变化特征

依据富营养化指数（EI）的月均值变化可知（图1）。中线工程干渠河南段水质处于中营养状态，且冬（12-2 月）季水质要比夏（6-8）、秋（9-11）季好。

图1 EI指数的月均值变化图

从耗氧有机物COD 月均值变化（见图2）可见：CODMn的月变化总体上呈增长趋势，范围在1.65～2.99 mg/L，达标级别Ⅱ类；COD的月变化比较平稳，范围在10.08～12.69 mg/L，达标级别Ⅰ类。统计数据分析表明CODMn 冬季明显低于夏、秋季；COD冬季和夏季明显低于秋季。

图2 干渠河南段PH值、DO、TOC、COD、TN和CODMn变化图

依据营养盐指标TP、TN月均值变化（见图2、图3）可见：TP的月变化较为明显，范围在0.011～0.025 mg/L，达标级别Ⅱ类；TN月变化总体较平稳，范围在1.1425～1.676 mg/L，达标级别Ⅳ类。统计数据表明：TP在春、夏、冬三季变化大，且在夏季达到峰值；TN在冬季和夏季起伏较大，且TN 在冬季明显低于春、夏季，峰值出现在夏季。

图3 干渠河南段TP变化图

冬季干渠综合污染指数为0.64；春季为0.66；夏季为0.69；秋季为0.72。从污染程度上，中线工程干渠河南段夏、秋季水体质量较差，春季次之，冬季水体质量好。水体有轻度污染。冬季水质系数为7.38；春季为7.31；夏季为9.31；秋季为7.99。水域水质总体属于Ⅱ类上乘水质，且夏季水质最差。

3.2 水质的空间变化特征

中线工程干渠河南段水质空间变化特征分为北中南三段讨论。北段包括安阳、鹤壁、卫辉；中段包括焦作、郑州、禹州、郏县、叶县；南段包括南阳、陶岔。

从各段EI指数的年均值变化趋势（见图4）可知：中线工程干渠河南段水质处于中营养状态，且中段水质比北段、南段差。主要是水源区的部分污染物在生物体内转化有一个过程。

图4 各监测断面EI指数的年变化图

由各段耗氧有机物指标CODMn、COD、TP、TN 可知（表1）：CODMn由南到北递增，范围在2.28～2.62 mg/L，为Ⅱ类；COD 范围在10.93～11.95 mg/L，为Ⅰ类。统计数据分析表明CODMn，COD 在南段最小，即水源区附近水质较好。这说明在输水过程中，耗氧有机物有新的增加，即出现了新污染源。营养盐指标TP、TN 浓度变化趋势见表1。TP 由南到北递增，范围在0.01～0.02 mg/L，达标级别Ⅱ类；TN 范围在1.38～1.39 mg/L，达标级别Ⅳ类。

表1 干渠河南段耗氧有机物空间变化表

经过计算，南段水域综合污染指数为0.66；中段为0.68；北段为0.67。从污染程度上，中线工程干渠河南段中、北段水体水质较差，南段水体水质较好。总体上，水域水体处于轻度污染水平。南段水质系数为7.55；中段为8.01；北段为8.28。按照建立的水质系数划分标准评价，水域水体属Ⅱ类上乘水质，且北段水质最差。

3.3 中线工程干渠河南段水质主要污染成分及影响因子分析

3.3.1 影响中线工程干渠河南段水质的自然因素分析

用水质系数与气温（℃）、气压（hPa）、湿度（%）、风速（m/s）、PM2.5（μg/m3）、PM10（μg/m3）、月降雨量（mm）、流量（m3/h）、水温（℃）等指标与水质系数进行相关分析，相关系数0.71～1.00，极强相关；0.51～0.70，强相关；0.41～0.50，中等相关；0.21～0.40，弱相关；0.00～0.20，极弱相关或无相关。

从干渠河南段看，水温、气温、月降水量、气压是影响水质的关键因素，气温和水温越高，降水越多水质越差，气压越高水质越好。各自然因素在干渠的不同区段其作用强度差异较大，北段、中段强度于南段，而且中段和北段PM2.5和PM10的影响明显加强。由于干渠封闭管理，没有外部径流流入，所以月降雨量越大，大气沉降越多，水中污染物增多，气温、水温越高，水的富营养化表现更明显；北方空气污染对水质影响较大。

从季节看，不同季节各因子影响程度又存在较大差异。冬季对水质影响突出的因素是风速和水位；风速大水质好，水位高水质差。春季对水质影响突出的因素是气温和水位；气温高水质差，水位高水质好。夏季对水质影响突出的因素增多，其强度大小依次是气温、水位、湿度和风速；水温高，湿度大则水质差，风速大，水位高则水质好。秋季对水质影响突出的因素也较多，其强度大小依次是水位、风速、湿度、PM2.5 和PM10；PM2.5、PM10与水质系数呈负相关，而水位、风速与水质系数是正相关。

3.3.2 中线工程干渠河南段水质的主要污染成分分析

以10 个站点一年的监测数据为基础，采用最大方差法进行主成分分析，提取累计方差大于77.2%的三个主成分，并得到中线工程干渠河南段的旋转因子载荷矩阵，提取得到3个主因子。

第一主因子的方差贡献率为31.02%，强正相关的因子变量为总氮、总磷，说明该主因子与水体反硝化系统的能力，化学肥料的施用、空气中的氮氧化合物和磷氧化物有一定关联性；第二主因子解释了27.15%的水质变化，与溶解氧呈强负相关关系，可能会引发水华，会降低水中植物通过光合作用释放出的氧以及大气中的氧气向水体渗入，导致水中溶解氧含量降低的事实相符；第三主因子的方差贡献率为19.09%，与总有机碳呈现强负相关关系，与高锰酸盐指数具有二类中等水质程度正相关。因此，干渠的主要污染物质是氮、磷和有机物。

4 结论

从时间上看，中线工程干渠河南段水质处于中营养状态，且冬季水质要比夏、秋季好；耗氧有机物指标CODMn、COD达标级别为Ⅱ类、Ⅰ类，营养盐指标TP、TN达标级别为Ⅱ类、Ⅳ类；水体总体属于Ⅱ类上乘水质，且夏季水质最差，秋季稍好，冬季最好。干渠的主要污染物为氮、磷和有机物，因此要加强居民生活污水、农业面源污染的控制，降低进入干渠水体污染物。

从空间上看，中线工程干渠河南段水质处于中营养状态，且中段富营养化比北段、南段高；总体水质Ⅱ类上乘水质，离水源地越近，水质越好，北段水质最差。水质的关键影响因子为pH、溶解氧、化学需氧量、总有机碳和总氮，表明水质主要流域人为活动（如农业施肥、工业排放等）的影响。

影响南水北调中线工程干渠河南段水质的自然因素，主要是水温、气温、月降水量和气压；从空间上看不同区段各自然因素的作用强度有较大差异。在季节上各影响因素差异不仅强度有差异，作用方向也有差异。由于干渠两侧没有地表水注入干渠，所以干渠水质主要受水源地污染物、沿渠大气沉降和大气污染溶解的影响。

南水北调中线水源区河南段属于农耕生产区，化肥施用量大，使用方法不科学，加上水土流失的影响，加剧了水体水质变差的风险；近年来河南的经济发展较快，尤其是干渠沿线交通与工业的发展，造成工业废气、交通废气对调水谁质影响较大。

因此，有关部门应制定相应的监管与保护措施，定期测量水质，加大对工厂、交通的废气排放的监管与治理，加强农村生活污水处理工程的建设与运营。同时应加大对水体的宣传保护工作，积极推广科学施肥。