多元統計分析在典型湖庫型飲用水水源地水質評價中的應用

李清芳，姚靖，黃曉容，張永江，宋衛華

(重慶市黔江區環境監測中心站，重慶 409099)

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多元統計分析在典型湖庫型飲用水水源地水質評價中的應用

李清芳，姚靖，黃曉容，張永江，宋衛華

(重慶市黔江區環境監測中心站，重慶 409099)

湖庫型飲用水源地；衛生學綜合評價；相關性分析；聚類分析

湖庫型飲用水源地是我國城市飲用水的主要水源之一，近年來，飲用水安全逐漸引起學術界廣泛關注，也成為水環境研究領域重要課題之一[1-4]。根據全國近5 000個城市集中式飲用水源地調查，湖庫型飲用水源地所占比例為24.3%，供水量占總供水量的26.4%[5-6]。然而，受人類活動影響，大量湖庫型飲用水源地呈現不同程度污染，其中以水體呈現富營養化最為突出[7-9]。

飲用水源地水質指標項目眾多，在進行水質評價過程中會產生大量復雜數據，由此導致在處理分析和解釋這類物理、化學和微生物等各種參數潛在關系具有一定難度，對準確掌握水質狀況造成一定影響[10-11]。在數據統計分析處理中，多元統計分析具有簡化數據結構并提取潛在信息優點，其中相關性分析、主成分分析、因子分析、聚類分析等分析方法被廣泛運用于水質評價中[12-16]。Alberto W D等運用聚類分析和主成分分析獲取了河流水質時空變化規律取得了良好效果[17]。Bu H等人利用聚類分析和因子分析解釋了河流水質上下游不斷變化的過程[18]，楊學福等人采用主成分分析法和絕對主成分多元先行回歸分析方法對渭河西咸段水體的污染特征進行了綜合評價[12]。石建屏等人結合主成分分析法和綜合指數評價法，對綿陽飲用水水質進行了綜合評價，并提出了相應的保護水源地水質的措施[19]。這些研究表明，不同水體水質存在較大差異，當前研究主要集中在河流、農村環境飲用水等水體研究上，對湖庫型飲用水源地水質研究報道較少。

因此，為進一步深入探討多元統計分析方法在水質評價中運用，本研究選擇具體特殊地域位置，武陵山區域黔江區城市集中式湖庫型飲用水源地(小南海水庫E108°44′58.8″，N29°38′45.9″、洞塘水庫E108°44′0.06″，N29°29′44.8″、城北水庫E108°45′56.6″，N29°33′27.5″)為研究對象，開展為期一年的長期觀測分析，采用衛生學綜合評價和多元統計分析方法對湖庫型飲用水水質評價分析，以期為湖庫型飲用水源地水域生態環境保護提供科學依據。

1 采樣及分析方法

根據相應采樣技術規范要求[20]，2015年7月至2016年6月每月分別在3個湖庫型飲用水源地湖庫庫心采集水樣并進行監測分析，項目為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)表1中基本項目(不含化學需氧量)23項及表2中5項，共計28項[21]，分析方法均采用國家標準方法進行測定[20]。監測分析項目中，部分監測項目指標未檢出，為準確反映水質狀況，選取pH、DO、BOD5、CODMn、TP、TN等11項指標進行分析，采用衛生學綜合評價方法對水質進行比較分析[21-22]，并運用SPSS 19.0統計軟件進行多元統計分析。

2 結果與討論

2.1 水質監測指標分布特征

由為期一年監測分析結果可以看出，3個湖庫型

水源地水質pH值均在7.53～9.16，由此表明黔江區城市飲用水源地水質呈弱堿性。水中DO含量在5.27～10.92 mg/L，3個水庫均具有較高溶解氧濃度，說明3個水庫水體具備較強自凈能力。3個水庫BOD5含量均不大于1.6 mg/L，CODMn含量分布在0.8～3.9 mg/L，說明3個水庫受有機物污染風險較小。3個湖庫型飲用水源地TP含量分布在0.009～0.060 mg/L，TN含量相對較高，分布在0.504～0.978 mg/L，其中，NO3-N所占比重要大于NH3-N所占比重，NO3-N與NH3-N所占比重范圍分別為23.68%～76.91%、11.82%～59.32%。

圖1 11項水質指標隨季節變化分布特征Fig.1 Variation characteristics with season of the eleven detectable monitoring indicators

2.2 水質衛生學綜合評價

按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[21]、《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[22]、世界衛生組織WHO《飲用水水質準則》第四版、歐盟飲水指令以及2004美國環保署飲用水標準規定的限值對11項監測指標進行衛生學評價，結果見表1。由表1可以看出，毒理指標衛生學評價表明，3個水庫F-均滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)、《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)、歐盟飲水指令和美國環保署飲用水標準要求，NO3-N均滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)、《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)、世界衛生組織WHO《飲用水水質準則》第四版以及美國環保署飲用水標準要求。感官性狀和一般化學指標衛生學評價表明，pH存在不達標情況，主要由于3個水庫水質偏堿性所導致。DO、BOD5、CODMn、TP、TN、NH3-N均達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類以上標準要求。如TN加入評價評價指標后，水質無法達到Ⅱ類以上標準要求。參照《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)評價，小南海NH3-N達標率為67%，說明黔江區3個湖庫型飲用水源地，尤其是小南海水庫水體存在一定程度富營養化風險，須進一步加強水體富營養化污染防控措施。

表1 湖庫型水源地水質衛生學評價

注：a為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)；b為《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006);c為World Health Organization. Guidelines for drinking-water quality. Fourth edition. Geneva，2011；d為歐盟飲水指令；e為2004 USEPA飲用水標準。

表2 監測因子相關系數矩陣

注：**表示p<0.01，*表示p<0.05。

2.3 相關性分析

2.4 聚類分析

圖2 3個湖庫型水庫各監測指標組間聚類分析Fig.2 Cluster analysis on the monitoring factors of three lake reservoirs

3 結論

(2)水質衛生學綜合評價結果表明，3個水庫F-均滿足美國環保署、歐盟等標準限制要求，NO3-N均滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)、《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)、世界衛生組織WHO《飲用水水質準則》第四版以及美國環保署飲用水標準要求。感官性狀和一般化學指標衛生學評價表明，pH存在不達標情況，主要由于3個水庫水質偏堿性所導致。

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Application of Multivariate Statistical Analysis in the Water Quality Evaluation of Typical Lake Reservoirs

LI Qing-fang, YAO Jing, HUANG Xiao-rong, ZHANG Yong-jiang, SONG Wei-hua

(Environmental Monitoring Center Station of Qianjiang District in Chongqing, Chongqing 409099, China))

Systematic analysis combined with the data from the one-year monitoring was conducted on the seasonal variation rule of water quality of typical lake reservoirs (Dongtang reservoir, Xiaonanhai reservoir, and Chengbei reservoir) in Qianjiang District, Wuling mountain area, Chongqing. Comprehensive hygiene evaluation and multivariate statistical analysis were also implemented in the research and analysis. The results showed inconspicuous variations of pH, DO, BOD5, TN and Cl-with season in three lake reservoirs, which displayed weak alkalinity from the pH analysis. The water qualities of three lake reservoirs basically reached the drinking water standards stipulated by relevant provisions from USEPA, EU and other institutions. Moreover, the correlation analysis presented significant differences among the correlation of the monitoring indicators of different reservoirs, in particular, Cl-, SO42-displayed significant or very significant influence on the nitrogen-containing compounds, BOD5and CODMn, and thus became the important indicators influencing the water quality of three lake reservoirs. The cluster analysis also presented significant differences among the indicator polymerism of three lake reservoirs. Otherwise, the comparison among the cluster distances of all eleven monitoring indicators indicated that the indicators Cl-and SO42-were the foremost influence factors for the water quality of Dongtang reservoir, and also the second foremost influence factors for the water quality of the other two reservoirs. Meanwhile, the foremost influence factors for the water quality of Xiaonanhai reservoir and Chengbei reservoir are the nitrogen-containing compounds.

lake reservoir; comprehensive hygiene evaluation; correlation analysis; cluster analysis

2016-07-31

重慶市社會事業與民主保障科技創新專項(cstc2015shmszx0042)；重慶市基礎科學與前沿技術研究項目(cstc2015jcyjA0002)；黔江區科委項目(黔科計2015046)

李清芳(1987—)，女，湖北巴東人，中級工程師，碩士，主要從事環境監測和污染控制研究，E-mail：cqdxlqf@163.com

張永江(1983—)，男，重慶彭水人，高級工程師，博士，主要從事環境管理和監測研究，E-mail：yjzhang008@163.com

10.14068/j.ceia.2016.06.018

X824

A

2095-6444(2016)06-0073-07