丹江口水库水质评价及水污染特征

朱媛媛，田进军，李红亮，江秋枫，刘　琰*

（1.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，国家环境保护饮用水水源地保护重点实验室，北京100012；2.北京科技大学土木与环境工程学院环境工程系，北京100083；3.南阳理工学院生物与化学工程学院，河南南阳473004；4.河南省环境监测中心，河南郑州450004）



丹江口水库水质评价及水污染特征

朱媛媛1，2，田进军3，李红亮4，江秋枫1，刘琰1*

（1.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，国家环境保护饮用水水源地保护重点实验室，北京100012；2.北京科技大学土木与环境工程学院环境工程系，北京100083；3.南阳理工学院生物与化学工程学院，河南南阳473004；4.河南省环境监测中心，河南郑州450004）

摘要：在南水北调中线工程通水前夕，为了解丹江口库区水质状况及影响库区水质的主要污染因子，于2014年平水期（5月）、丰水期（8月）、枯水期（12月）对库区内26个点位表层水样进行•集，分别•用单因子评价法、综合污染指数法和主成分分析法对库区水质进行评价。单因子评价结果表明，TN对水质评价结果有重要影响，参与评价时库区水质为Ⅳ类或Ⅴ类。综合污染指数法评价结果表明，库区水质整体处于中污染，平水期水质优于枯水期和丰水期，且丹江库区（DK）水质劣于汉江库区（HK）；总磷（TP）、总氮（TN）、高锰酸盐指数（CODMn）及生化需氧量（BOD5）为库区的主要污染因子。主成分分析法结果表明，库区水质主要受溶解氧（DO）、TN、BOD5及CODMn的影响；DK各点位主成分得分均值高于HK各点位主成分得分均值，也说明HK水质整体上略优于DK水质。关键词：丹江口库区；水质评价；单因子评价法；综合污染指数法；主成分分析法

朱媛媛，田进军，李红亮，等.丹江口水库水质评价及水污染特征[J].农业环境科学学报，2016，35（1）：139-147.

ZHU Yuan-yuan，TIAN Jjn-jun，LI Hong-1jang，et a1. Water qau1jty assessment and po11utjon profj1e jdentjfjcatjon of Danjjangkou Reservojr，Chjna[J]. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（1）：139-147.

丹江口水库是南水北调中线工程核心水源区，其水质状况直接关系到受水区居民的饮水安全。随着库区周边区域社会”济的不断发展，来自点源及面源的污染物排放量不断增大，对水质安全构成了较大威胁。因此，对丹江口水库的水质进行全面的监测与评价，并识别影响水质的主要指标，对于掌握水库真实的水质状况，强化水污染防治、确保水质安全具有重要指导意义。

合理的水质评价应能提供水质类别、主要污染因子及水质的时空变化情况。目前水质评价常用的方法主要有单因子评价法、综合污染指数法、主成分分析法、灰色评价法、神”网络法等[1-3]。单因子评价法由于计算简单、便于掌握而被普遍•用，但该法仅能对水质进行类别评价，无法定量反映水质变化情况。综合污染指数及主成分分析法能够对水质状况进行量化，但综合污染指数法无法科学确定各项因子的权重；主成分分析法充分考虑各指标间信息重叠，在最大限度保留原有信息的基础上，对高维变量进行最佳的综合降维，且客观地确定各指标的权重，避免了主观随意性。为了客观、科学地反映水体水质状况，通常将几种方法相结合来对水体水质进行评价。

近年来丹江口水库的水环境状况已引起广泛关注。目前研究主要集中在营养状况评估、重金属污染特征及污染来源等方面[4-7]。2014年12月，南水北调中线工程正式通水。在通水前夕，为全面了解丹江口水库的水质状况，按照库区的水文节律，分别在丰、平、枯三个水期对库区代表性点位进行表层水样的•集与分析，•用单因子评价法对水质类别进行评价，再•用综合污染指数和主成分分析法对库区水质进行定量评价，识别主要污染因子，并对水质随水期及空间的变化情况进行分析，以期为丹江口水库的水污染防治工作提供依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

丹江口水库位于湖北省丹江口市汉江干流与其支流丹江交汇处，由1973年建成的丹江口大坝截汉江、丹江而形成。多年平均入库水量为394.8亿m3，其中326亿m3来自汉江（包括丹江口以上部分的陕西南部、湖北西部），54亿m3来自丹江[8]。大坝加高后，正常蓄水位由157 m增至170 m，水域面积可达到1050 km2，蓄水量增至290.5 m3。2014年12月12日，南水北调中线工程正式通水，年均调水量为95亿m3。

丹江口水库流域属北亚热带季风气候，冬季严寒，夏季较热，春季温暖，秋季凉爽，四季分明，雨量比较充沛。年平均气温14.4～15.9℃，极端最高温度42.6℃，极端最低温度-13.2℃，无霜期230～250 d。平均降雨量800～1000 mm之间，年内分配不均，5—10月降水量占全年的80％。水沙量也主要集中在5—10月，占全年的78.3％[9]。

1.2水样采集与分析

根据丹江口水库所处地形状况和水流特点，在库区内设置了26个•样点（图1），其中D1～D14•样点属于南阳的丹江库区（用DK表示），D15～D26•样点属于十堰的汉江库区（用HK表示）。根据流域内降水特征及水文节律，7—9月为丰水期；5—6月、10—11月为平水期；1—4月、12月为枯水期。分别于2014 年5月（平水期）、8月（丰水期）和12月（枯水期）月初进行水样的•集工作，用以代表平、丰、枯三个水期的水质状况。用GPS导航定位•样点，确保三次•样地点相同，同时记录•样点周围地理件、输入源、所接纳废水来源等。

用柱状•水器•集表层（深度50 cm）水样500 mL，所有点位均取平行样3组。•集后的水样按照《水质样品的保存和管理技术规定》（HJ 493—2009）中要求的方法保存。每个样品分析两类指标，第一类为理化和营养盐指标，包括pH、水温、总氮（TN）、总磷（TP）、硝酸盐氮（NO-3-N）、氨氮（NH3-N）；第二类为有机污染指标，包括溶解氧（DO）、五日生化需氧量（BOD5）和高锰酸盐指数（CODMn）。水体DO、pH及温度理化指标•用YSI6600（YSI公司，美国）现场测定，其余指标按照文献[10]和[11]的方法进行测定。

1.3数据Œ理与评价

每项指标测定结果为3个平行样分析结果的平均值，误差控制在5％内。低于检出限的数据用1/2检出限代替计算。利用Exce1 2010及Orjgjn 8.0对实验数据进行统计和绘图。

依据《地表水环境质量标准》（以下简称GB 3838—2002）[12]，•用单因子评价法对库区水质类别进行判断，评价的指标包括TN、TP、NH3-N、BOD5、CODMn、pH、DO及NO-3-N共8项。

本研究中各点位分析指标的年均浓度由其丰、平、枯的浓度计算得出，计算公式为：

式中：C指年均浓度，mg.L-1；C丰、C平、C枯分别指丰、平、枯水期浓度，mg.L-1。

图1　丹江口库区采样点位示意图Fjgure 1 Locatjons of 26 surface water samp1es jn Danjjangkou Reservojr

•用综合污染指数法对水质状况进行分级评价时，Pi>1定义为超标。综合污染指数P分级标准见表1。以污染分担率Ki表征各污染物的贡献和识别主要污染物。各计算公式如下：

式中：Pi为水质因子i的污染指数；Ci为水质因子i的实测浓度，mg.L-1；Si为GB 3838—2002中水质因子i的Ⅱ类标准值，mg.L-1；P为综合污染指数；Ki为水质因子i的污染分担率；n为参评指标个数。

在SPSS 18.0中进行主成分分析时[13]，首›应将8项水质数据年均值进行标准化处理（其中DO›进行倒数变换再标准化），然后对求得的指标间相关系数和特征值进行分析，并根据累计贡献率确定主成分个数，同时通过各点位水质污染综合得分来判断其水质状况。为使每个主成分的意义更加明确，对因子进行旋转时，•用Varjmax最大方差法。

表1　综合污染指数对应水质分级Tab1e 1 Grades of water qua1jty accordjng to comprehensjve po11utjon jndex

2　结果与讨论

2.1水质因子特征

为更好地了解丹江口水库各•样点的水质状况，取各点位丰、平、枯水期水质指标分析结果的平均值并作标准偏差分析，结果见图2、图3。

2.1.1理化和营养盐指标

各点位pH均值为7.18～8.28，水质呈弱碱性。TN含量均值均高于1.00 mg.L-1（Ⅲ类水质标准），均值变化范围为1.13～1.72 mg.L-1，其中D3～D6、D10及D14点位均值高于1.50 mg.L-1（Ⅳ类水质标准）。NH3-N含量均值低于0.10 mg.L-1，变化范围在0.05～0.10 mg.L-1之间。NO-3-N含量在各点位均值变化范围为0.76～1.28 mg.L-1，远远低于GB 3838—2002规定的10 mg. L-1。TP含量均值变化范围为0.005～0.057 mg.L-1，仅有D2、D5及D9点位均值大于0.025 mg.L-1（Ⅱ类水质标准），分别为0.037、0.057、0.027 mg.L-1。就pH、TN、NH3-N及NO-3-N而言，位于HK的点位水期之间差异较DK显著（图2）。

2.1.2有机污染指标

图2　丹江口库区pH、TN、NH3-N、NO-3-N及TP水质监测结果平均值Fjgure 2 Average va1ues of water qua1jty parameters（pH，TN，NH3-N，NO-3-N and TP）jn Danjjangkou Reservojr

库区各点位DO含量均值均高于6.00 mg.L-1（Ⅱ类水质标准）。CODMn含量均值均低于3 mg.L-1（Ⅱ类水质标准为4.00 mg.L-1），62％的点位CODMn均值低于2.00 mg.L-1（Ⅰ类水质标准），其余点位CODMn含量均值高于2.00 mg.L-1但低于3.00 mg.L-1。BOD5均值均小于2.00 mg.L-1（Ⅱ类水质标准为3.00 mg.L-1）。位于HK的点位DO水期之间差异较DK显著（图3）。

图3　丹江口库区DO、BOD5及CODMn水质监测结果平均值Fjgure 3 Average va1ues of water qua1jty parameters（DO，BOD5，and CODMn）jn Danjjangkou Reservojr

2.1.3总体特征

丹江口库区水体呈弱碱性，水质状况基本良好。然而，丹江口库区水体的TN超标现象严重，且HK各点位水质指标水期之间差异较DK显著。研究[14-15]表明，入库河流、农业面源污染、生活污水的排入是库区TN污染的主要来源。

2.2水质类别评价结果

单因子评价结果表明，TN参与评价时，D1、D3～ D5、D8、D9、D13、D14点位仅达Ⅴ类水标准，其余点位满足Ⅳ类水要求，可见库区水质主要限制因子是TN。

从三个水期的评价结果来看，TN参与评价时，除丰水期有23％的点位能达到Ⅲ类外，其他点位和其他水期全部点位的水质均为Ⅳ类或Ⅴ类。由此可见，TN在各个水期均对库区水质有重要影响。

2.3综合污染指数法

TN参评时库区各点位年均及不同水期的综合污染指数范围及均值见表2。由计算结果可知，就各点位年均P值而言，除D5点位（P值为1.01）水质类别为重污染之外，其余点位水质类别为中污染。DK各点位年均P值均值（0.75）略大于HK（0.63），由此可见，DK水质整体上略劣于HK水质。

表2　丹江口库区综合污染指数Tab1e 2 Comprehensjve po11utjon jndex jn Danjjangkou Reservojr

位于DK的14个点位中，除D3、D4、D7、D10～D12及D14七个点位外，其余点位P值水期之间差异显著（标准偏差>5％）；而HK各点位P值水期之间均差异显著。因此，就DK及HK整体而言，HK各点位P值随水期变化较DK明显。分析原因可知，库区水质主要受污染来源及来水量影响较大，HK流域污染来源主要是点源，点源污染在各水期较固定，因此HK水质主要受汉江径流量的影响，汉江来水量约占库区总来水量75％以上，其来水量随水期变化显著，导致HK各点位P值变化明显。对比平、丰、枯水期各点位P值，明显看出，77％点位在平水期时P值低于其他水期。由此可见，库区平水期水质整体上明显优于枯水期和丰水期，可能由于枯水期时污染主要来自点源，径流量较小，汇入的污染物浓缩，水质较差；而在丰水期时，面源污染加强，点源及面源的综合作用使得库区水质在丰水期时水质亦较差。

参评的8项因子污染分担率计算结果见图4。TN污染分担率远远高于其他因子，库区各点位年均TN 的P值范围为2.44～3.33，相应TN污染分担率范围在41.50％～57.42％之间，除D2、D5、D7、D24及D25五个点位TN污染分担率小于50％外，其余点位均在50％以上。TP、BOD5、CODMn污染分担率次之，库区各点位年均TP的P值在0.40～2.73之间，相应TP污染分担率范围为8.08％～34.02％；库区各点位年均BOD5、CODMn的P值在0.28～0.61、0.29～0.57之间，相应BOD5、CODMn污染分担率范围依次为5.36％～10.61％、5.20％～8.03％。各点位TN、TP、BOD5及CODMn污染分担率之和基本超过80.00％，说明TN、TP、BOD5及CODMn对库区水质有较大影响，应引起重视。

图4　丹江口库区污染分担率Fjgure 4 Percentages of po11utants jn Danjjangkou Reservojr

2.4主成分分析法

根据各指标年均值，对指标的相关性进行分析，相关系数矩阵见表3。从表3可以看出，指标之间具有较好的相关性，存在信息上的重叠，原始变量适合进行主成分分析。

表4为旋转后提取出的主成分因子载荷量。根据主成分分析法中主成分个数选取原则，从表4可见当累计贡献率大于80％时，应提取3个主成分，PC1、PC2、PC3的累计贡献率达85.536％。其中PC1携带的信息最多，水质主要由PC1控制，贡献率达到50％以上，远大于其他主成分的贡献率，与其相关联的因子主要是DO、TN、BOD5及CODMn，载荷绝对值变化范围为0.722～0.894。研究表明，营养盐能够促进水体中水生生物的生长，使得水生生物的数量增加，BOD5及CODMn代表水体中的有机物也随之上升，由于水生生物在繁殖过程中不断消耗氧，使得DO随着水生生物的增加而不断降低[16]。与PC2相关联的是NH3-N及TP，其载荷绝对值分别为0.897、0.767，该主成分是在PC1的基础上进一步反映水体受到营养盐的影响；与PC3相关联的是NO-3-N，其载荷绝对值为0.951。由此可知，PC1反映丹江口水库水体营养性及有机污染物，PC2反映水体营养性及来自农业面源等非点源的污染物，PC3反映水体来自工业废水和生活污水等点源的污染物。

根据特征向量矩阵（表5）得出各因子得分的回归方程：

表3　指标间相关系数矩阵Tab1e 3 Corre1atjon matrjx of water qua1jty parameters

表4　Varjmax旋转后的因子载荷矩阵Tab1e 4 Rotated component matrjx of prjncjpa1 component ana1ysjs

表5　特征向量矩阵Tab1e 5 Ejgen vector matrjx of prjncjpa1 component ana1ysjs

式中：F1、F2、F3分别指PC1、PC2和PC3三个主成分的得分值；ai1～ain为旋转前的因子载荷量矩阵中每一列值依次除以～；x1～xn为各•样点”过标准化的数据。

将各•样点的水质数据（标准化的数据）代入上列方程，即可得出各点位主成分得分。

如图5所示，主成分得分呈显著的空间变化。D3、D4点位F1、F2与F3均较高，表明这2个点位的指示污染物含量均较高，原因可能是D3、D4点位靠近仓房镇、石鼓镇及瓦亭镇，这3个镇农业生产较发达，同时存在较多企业，流域内产生的大量点源和非点源污染物直接或间接排入库区中，致使水体中各类污染物浓度均较高。D17～D20、D23及D24的F1、F2与F3均较低，表明这6个点位的指示污染物含量均较低，表明水体受各类点源及非点源污染的影响较小。D1、D2、D7～D12点位的F1显著高于其他主成分，表明这7个点位水质受DO、TN、BOD5及CODMn的影响较强，而受其他指示污染物的影响较弱。D15及D16的F2显著高于F1和F3，表明这2个点位水质受NH3-N和TP的影响较强。D21、D25的F3显著高于F1及F2，表明这2个点位水质受NO3--N的影响较强。

最后通过公式F=（λ1×F1+λ2×F2+λ3×F3）（/λ1+λ2+ λ3）计算出26个点位水质污染综合得分（F），即得出污染程度的定量化描述。综合得分越高，污染程度越严重[17]。结果见图6。

从评价得分来看，各点位得分范围为-2.241～1.728，其中D1～D14（位于DK）点位得分均值为1.126，水质状况较差；D15～D26（位于HK）点位得分均值为-1.313，水质较好。这一定程度上反映了HK水质整体上略优于DK水质，与2.2节综合污染指数法的评价结果一致。

图5　主成分得分在各采样点的分布Fjgure 5 Spatja1 djstrjbutjon of prjncjpa1 component scores

图6　丹江口水库各采样点水质综合评价结果Fjgure 6 Assessment resu1ts of a11 samp1es jn Danjjangkou Reservojr

2.5综合污染指数法与主成分分析法的分析结果对比

综合污染指数和主成分分析法都能够对库区水质进行定量评价，均得出了HK水质整体上优于DK水质的结论，但在库区主要污染因子的识别上，综合污染指数法筛选了TN、TP、CODMn及BOD5四个指标，代表了水体受TN、TP、BOD5及CODMn影响较大；而主成分分析法根据方差累计贡献率的大小作为因子权重，筛选出了影响库区水质的四个指标，包括DO、TN、BOD5及CODMn，代表了水体主要受到DO、TN、BOD5及CODMn的影响。造成主要污染指标识别存在差异的原因在于，主成分分析法是根据方差累计贡献率作为因子权重来判断的，而综合污染指数法只•取均权处理，忽略了因子的权重。

3　结论

（1）TN为丹江口库区水质主要限制因子。TN参与评价时，69％的点位水质能满足Ⅳ类标准要求，其他均为Ⅴ类。

（2）TN参与评价时，库区年均综合污染指数范围为0.57～1.01，水质整体上处于中污染；库区平、丰、枯水期综合污染指数均值分别为0.70、0.78、0.76，平水期水质优于丰水期和枯水期；HK水质略优于DK。TN的污染分担率远高于其他因子，TP、BOD5及CODMn次之。

（3）主成分分析法结果表明库区水质主要受DO、TN、BOD5及CODMn四个指标的影响；DK各点位主成分得分均值高于HK各点位主成分得分均值，也说明HK水质整体上略优于DK水质，且DO、TN、BOD5及CODMn为库区水质的主要污染指标。

（4）与单因子评价法相比，综合污染指数法和主成分分析法能够提供更多和更具体的水质信息，从而使得水质评价结果更加客观、准确。因此，应•用多种评价方法相结合的手段来开展水质评价工作。

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Water qaulity assessment and pollution profile identification of Danjiangkou Reservoir，China

ZHU Yuan-yuan1，2，TIAN Jjn-jun3，LI Hong-1jang4，JIANG Qju-feng，LIU Yan1*
（1.State Key Laboratory of Envjronmenta1 Crjterja and Rjsk Assessment，State Envjronmenta1 Protectjon Key Laboratory of Drjnkjng Water Source Protectjon，Chjnese Research Academy of Envjronmenta1 Scjences，Bejjjng 100012，Chjna；2.Department of Envjronmenta1 Engjneerjng，Schoo1 of Cjvj1 and Envjronmenta1 Engjneerjng，Unjversjty of Scjence and Techno1ogy Bejjjng，Bejjjng 100083，Chjna；3.Co11ege of Bjo1ogy and Chemjca1 Engjneerjng，Nanyang Instjtute of Techno1ogy，Nanyang 473004，Chjna；4.Henan Provjnce Envjronmenta1 Monjtorjng Center，Zhengzhou 450004，Chjna）

Abstract：Danjjangkou Reservojr js the majn source of water for the“mjdd1e-route”of South to North Water Djversjon Project jn Chjna. Its water qua1jty djrect1y affects the safety of drjnkjng water for resjdents a1ong the route. In thjs study，26 surface water samp1es were co11ected jn norma1-（May），hjgh-（August）and 1ow-water（December）perjods jn 2014，of whjch 14 samp1es were 1ocated jn Danjjng Reservojr（DK）and 12 samp1es jn Hanjjang Reservojr（HK）. Tota1 njtrogen（TN），tota1 phosphorus（TP），fjve-day bjochemjca1 oxygen demand（BOD5），djsso1veed oxygen（DO），permanganate jndex（CODMn），ammonja njtrogen（NH3-N），njtrate njtrogen（NO-3-N）and pH were ana1yzed. Sjng1e factor assessment（SFA），comprehensjve po11utjon jndex（CPI）and prjncjpa1 component ana1ysjs（PCA）were app1jed to eva1uate the water qua1-jty. The SFA showed that the water qua1jty of the reservojr was strong1y jnf1uenced by TN，wjth the water qua1jty bejng ranked atⅣorⅤfor a11 1ocatjons. The CPI jndjcated that the water qua1jty of thjs reservojr was at the medjum po11utjon 1eve1 jn 2014，wjth s1jght1y better water qua1jty jn norma1 perjod than jn other two perjods. TN，BOD5，CODMnand TP were the majn jmpact factors of the water qua1jty. The PCA showed that DO，TN，BOD5and CODMnhad an jmportant effect on the water qua1jty. The water qua1jty jn HK was better than that jn DK.

Keywords：Danjjangkou Reservojr；sjng1e factor assessment；water qua1jty assessment；comprehensjve po11utjon jndex；prjncjp1e component ana1ysjs

*通信作者：刘琰E-maj1：1juyan@craes.org.cn

作者简介：朱媛媛（1991—），女，硕士研究生，主要研究方向为水环境管理与评价。E-maj1：624313802@qq.com

基金项目：环保公益性行业科研专项（201309067）；国家水体污染控制与治理科技重大专项课题（2014ZX07405-001-04）

收稿日期：2015-07-21

中图分类号：X824

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）01-0139-09doj：10.11654/jaes.2016.01.019