官廳水庫水質評價及時空變化特征

楊榮金，王逸卓，李秀紅，張 一，孫美瑩

(1.中國環境科學研究院水生態環境研究所，北京 100012； 2.北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院，北京 100875)

水庫水質關系到飲用水安全[1-2]。近年來，受自然環境變化及人類活動等綜合作用的影響，庫區水體污染日益嚴重，直接影響居民飲用水安全[3-4]。為改善水庫水質污染狀況，科學有效地建立水源地水環境管理制度，保障地區飲用水安全，完善區域內水資源系統的空間布局，必須對水庫水環境進行客觀、全面、科學的評價。

官廳水庫地跨京冀兩省，是反映永定河(河北—北京段)上下游之間流域資源環境最直觀的區域。官廳水庫曾作為除密云水庫外北京市第二大飲用水水源地，后因嚴重污染問題退出了飲用水供水體系。隨著北京市人口上升，密云水庫作為當前唯一飲用水水源地，其供水壓力與日俱增，未來可能難以支撐首都居民飲水用水需求。掌握官廳水庫污染現狀，識別主要污染因子，掌握水質時空變化特征與規律，是改善庫區水環境質量、恢復其生態服務功能的前提。前人將研究重點放在上游入庫河流水質評價上，對庫區水體環境關注較少。彭福利等[5]運用多元統計分析方法對官廳水庫入庫斷面八號橋水質年際變化特征進行分析，得出豐水期水質優于枯水期，關鍵污染指標為總磷。高星琪等[6]采用空間聚類分析、模糊綜合評價法、綜合判別分析等方法，對比桑干河、洋河、媯水河、清水河4條上游河流污染狀況得出，洋河上游河水污染較嚴重，以總磷和濁度污染為主，污染物主要來自不合理使用化肥和有機農藥，清水河和媯水河水質較好。楊大杰等[7-8]利用綜合水質標識指數評價法和單因子水質標識指數評價法對官廳水庫水質進行評價，分析表明，未經處理的入庫水體水質最差,但經過黑土洼人工濕地綜合處理進入官廳水庫庫區后水質好轉，出庫水質達到國家標準，可滿足北京市景觀和工業用水要求。目前缺乏對官廳水庫庫區水質狀況的空間分布特征以及較長時間序列的水質變化分析，難以全面掌握當前水庫水質動態變化，因此本文通過主成分分析法、反距離權重法與Spearman秩相關系數法對官廳水庫入庫、庫區、出庫共7個斷面2010—2017年各項水質指標數據進行分析，識別關鍵污染因子及其貢獻程度，綜合評價官廳水庫整體以及不同區域斷面水質狀況、年內及年際水質變化特征，為上游河北省調節與優化入庫流域產業布局、制定空間管控措施和下游北京市水源地污染防治提供參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

官廳水庫(38°51′N～41°14.2′N、112°8.3′E～116°20.6′E)是在海河水系永定河上修建的第一座大型水庫，位于河北省張家口市懷來縣和北京市延慶縣界內，設計總庫容41.6億m3，水庫流域總面積4.34萬hm2。主要入庫支流有洋河、桑干河、媯水河。早在20世紀50—60年代，官廳水庫水質良好，建成后成為京西工業區主要的供水水源和京西居民飲用水的重要來源。20世紀70—90年代，隨著周邊地區社會經濟的不斷發展，官廳水庫受到來自上游地區農業灌溉退水、畜禽養殖排污所造成的面源污染，以及沿河工業與城鎮居民生活污水的影響，致使水質惡化，于1997年退出北京市生活飲用水供水體系[9]。后雖經治理，于2007年恢復成為北京市備用水源地，但其水生態形勢依然嚴峻。為全面分析官廳水庫入庫、庫區與出庫水質特征與變化，選取了八號橋、西湖橡膠壩、河口、永10008東表、媯大橋表、媯1018+1表、壩后7個斷面作為研究采樣點(圖1)。

圖1 官廳水庫位置及監測斷面

1.2 數據來源

監測數據來源于官廳水庫管理處，選取了官廳水庫八號橋、西湖橡膠壩、河口、永10008東表、媯大橋表、媯1018+1表、壩后7個斷面的2010—2017年共計84組水質指標月均監測數據，包含pH值、總氮(TN)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)7項監測指標。

1.3 研究方法

1.3.1主成分分析法

主成分分析是一種將多維因子轉換到同一系統中進行定量化研究的統計方法，在指標權重選取上有一定優越性，被廣泛應用于河流水質評價中[10]。旨在利用降維思想，把多污染指標轉化為少數幾個綜合指標(主成分)，其中每個主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復[11]。這種方法在引進多個變量的同時將復雜因素歸結為幾個主成分，使問題簡單化，得到的結果更加科學有效。主成分分析法運用在水質評價中，可在眾多影響因素中篩選出主要污染指標，并在此基礎上對水質綜合指標進行量化排序[12]。

1.3.2反距離權重法

空間插值法被廣泛用于資源管理、災害管理和生態環境治理中，應用較多的有反距離權重法(inverse distance weight, IDW)、克里金法、樣條函數法、趨勢面法和多元回歸等一系列模型方法。空間異質性是空間插值研究的隱含前提，要素的非均勻空間分布是進行空間插值的前提，空間相關性是空間插值研究的基礎[13]。

反距離權重的空間插值法是一種加權平均內插法，該方法認為任何一個觀測值都對鄰近的區域有影響，且影響程度隨距離的增大而減小。水庫水流流動性差，各區域水質狀況不同程度受空間分布、地形、上游入庫河流等因素的影響，導致庫區水環境中各污染指標含量不均，存在空間異質性。采用ArcGIS空間分析模塊的IDW空間插值工具，對官廳水庫各斷面水質評價結果進行插值，可有效開展官廳水庫水質空間變化情況的研究[14]。

1.3.3Spearman秩相關系數法

秩相關系數法又稱等級相關系數法，是衡量時間序列變化趨勢在統計上有無顯著性的常用方法，在污染物濃度變化趨勢研究中得到廣泛應用[15-17]。秩相關系數法常用于檢驗水質指標數據序列與其響應時間序列間的相關性，從而判斷水質序列在時間序列上是否存在變化趨勢[18]。

2 結果與分析

2.1 主要影響因素

對官廳水庫各站點的84組月水質樣本集進行主成分分析。在分析前，為排除數量級和量綱不同帶來的影響，本研究對上述7個水質指標原始數據進行統計檢驗，得到KMO檢驗結果為0.618，大于0.5；Bartlett球形檢驗結果顯著性概率P小于0.001，表明其差異檢驗值顯著，說明樣本數據適合進行主成分分析[19]。利用SPSS23軟件對月水質數據進行Z-Score標準化處理與主成分分析，得到各主成分的特征值和方差貢獻率，如表1所示。

表1 主成分特征值及方差貢獻率

依據Kaiser-Harris準則，一般保留特征值大于1的主成分[20]。表1中第1、2、3主成分的特征值分別為3.121，1.603，1.020，故確定輸出第1、2、3主成分。其方差貢獻率分別為44.579%，22.907%和14.574%，且方差累計貢獻率為82.06%，說明這3個主成分基本包含原數據集的大部分信息，可代替原7項指標[21]。

表2是經過旋轉后得到前3項主成分的荷載矩陣與主成分得分系數矩陣。由旋轉后的主成分荷載矩陣可知，主成分1與總氮(0.863)、總磷(0.833)、氨氮(0.791)高度相關，可作為解釋以氮磷元素為主的水體富營養化的污染指標[22]；主成分2與pH值(0.894)、高錳酸鹽指數(0.842)高度相關，可作為解釋水體可還原污染物對水體酸堿度影響的污染指標；主成分3與溶解氧(0.949)高度相關，可作為解釋水體自凈能力的特征指標[23]。

通過對7個污染指標的篩選以及各主成分之間的貢獻程度計算，可以看出目前影響官廳水庫水質的主要污染指標及其影響程度從大到小排序為：總氮、總磷、氨氮、pH值、高錳酸鹽指數、溶解氧。水環境中有機污染與可還原污染并存，以氮磷元素為主導致的水體富營養化是當前水庫面臨的最主要污染問題，這與上游農業灌溉退水與畜禽養殖排污、居民生活污水排放有關[24]。

表2 主成分荷載矩陣與得分系數矩陣

2.2 水質空間變化特征

主成分個數、各成分相關度與貢獻程度確定后，需進一步確定各主成分的表達式和綜合主成分函數，以開展水質綜合評價[25]。根據不同斷面2010—2017年汛期與非汛期各主成分綜合得分均值，依據GB 3838—83《地表水環境質量標準》中規定的所選7個污染指標的5類水質臨界數值，結合主成分分析得到的綜合水質評價函數F，計算得出官廳水庫水質等級分類標準為Ⅰ類：F≤-0.746；Ⅱ類：-0.746

(a) 全年

(b) 汛期

(c) 非汛期

表3 2010—2017年官廳水庫不同時期各水質等級區域面積均值單位：km2

從圖2(a)可以看出，入庫斷面八號橋與西湖橡膠壩水質狀況最差，達Ⅴ類水標準限值，出庫斷面壩后水質綜合狀況最佳，達Ⅰ類水標準限值。結合第1、2、3主成分與各污染指標的相關性可知，入庫斷面上游洋河與媯水河存在以氮磷為主的有機污染，導致水體富營養化程度偏高，污染庫區水質。河口(Ⅲ類水)、媯1018+1表(Ⅲ類水)斷面距離上游河流入庫斷面較近，水質受上游來水影響較大，與庫區永10008東表(Ⅲ類水)、媯大橋表(Ⅲ類水)斷面相比主成分得分值較大。根據對圖2與表3的綜合分析，Ⅲ類水(全年占37.5%、汛期占39.4%、非汛期占21.5%)和Ⅳ類水(全年占53.6%、汛期占54.5%、非汛期占63.6%)占庫區面積比重大，集中于庫區中心位置。越靠近上游地區受工農業等人類活動影響越大，水質越差，向Ⅴ類水過渡；靠近下游出庫區域水質向好，可達Ⅰ、Ⅱ類水的標準。

2.3 年內汛期與非汛期水質變化特征

根據官廳水庫周邊降水變化規律將每年6—9月作為汛期，其余月份作為非汛期。從汛期與非汛期水質空間變化圖(圖2(b)(c))可看出兩個時期均顯現出上游入庫區域水質較差、庫區水質向好、下游出庫水質提升的變化規律。對兩個時期各等級水質面積進行統計顯示，汛期達標水質(Ⅰ～Ⅲ類水)面積明顯大于非汛期。與汛期相比，非汛期Ⅲ類水面積縮減45%；Ⅱ類水區域面積縮減30%；Ⅰ類水面積雖增幅顯著，但其影響范圍與整個水庫面積相比可忽略不計。非汛期水質未達標(Ⅳ、Ⅴ類水)區域面積顯著增大，與汛期相比，Ⅳ類水面積增幅17%，Ⅴ類水面積突增為原來的2.3倍，由此看出，官廳水庫汛期水質優于非汛期。從圖2可以看出，靠近上游入庫斷面的河口及周邊區域水質由汛期時的Ⅲ類水轉為非汛期時的Ⅴ類水，媯1018+1表斷面水質由Ⅲ類水轉為Ⅳ類水，而其他斷面水質等級保持不變，說明越靠近入庫區水質污染變化越明顯，這是由于汛期降水量與河道徑流量增大，有利于水體中污染物稀釋擴散。進入秋冬季后，河流處于非汛期，流域水溫較低，水體流速和流量較汛期均有所降低，污染物無法及時隨水流擴散稀釋。靠近庫區中心媯大橋表、永10008東表以及水庫下游壩后斷面水質變化受汛期與非汛期水量影響較小，全年水質變化波動幅度較小，水質狀況穩定。

2.4 水質年際變化特征

2.4.1達標水質區域面積變化

根據GB 3838—83《地表水環境質量標準》，官廳水庫水質應達到Ⅲ類水標準。通過上述分類與統計方法對官廳水庫2010—2017年Ⅲ類水及以上水質等級區域進行面積統計，結果如圖3所示。

圖3 2010—2017年水質達標區域面積變化

由圖3可知，2010—2012年官廳水庫水質達標區域面積持續增大，庫區整體水質狀況好轉，2012年水質達標區域面積達到2010—2017年間的最大值，占水庫總面積的86.3%。水質變好的原因為自2009年北京市政府與河北省合作實施京冀生態水源保護林建設，增強沿岸涵養水源功能并對上游來水起到凈化作用；2010年，隨著永定河綠色生態發展帶建設正式實施，官廳水庫人工濕地的修建使庫區水質在短時間內大幅上升。2013—2014年庫區水質達標區域面積整體呈減小趨勢，至2015年出現小幅度上升，隨后2016年面積縮小至最小值 8.61 km2。2013—2016年官廳水庫水環境質量惡化情況嚴重，這是由于永定河生態廊道建設中存在大量人為修復工程，在短時間內成效顯著，但上游來水只減不增，污染物排放量居高不下，導致修復效果逐年減弱。2016年后官廳水庫水質迅速好轉，2017年達標區域面積增大至67.95 km2，占水域總面積的66.5%。其原因是2017年國家發改委、水利部、國家林業和草原局聯合印發《永定河綜合治理與生態修復總體方案》，同年開展了15項修復工程；另外由于降水量增大，加之京津冀協同一體化發展，上游加大水環境保護力度，官廳水庫入庫水量加大。北京擁有南水水源后，官廳水庫放水頻次降低，2017年蓄水量接近4.8億m3，水面覆蓋面積約80 km2，達2010—2017年間最高水位，庫區水質達標區域面積回升。但從總體來看，2010—2017年官廳水庫水質變化波動較大，2017年仍存在33.5%不達標水質區域。

2.4.2斷面水質年際變化

采用Spearman秩相關系數法對官廳水庫7個斷面2010—2017年的主成分綜合得分值進行分析，結果見表4。不同斷面主成分綜合得分和水質等級隨時間變化趨勢如圖4所示。

表4 各斷面主成分綜合得分值秩相關系數與水質變化趨勢

從表4的秩相關系數和圖4的折線變化趨勢可以看出，總體上八號橋、西湖橡膠壩、河口斷面水質較2010年有下降趨勢，庫區靠近上游河流入庫斷面的永10008東表、媯大橋表、媯1018+1表、壩后斷面水質較2010年有上升趨勢。根據單尾檢驗，t=0.05時，臨界值為0.738，各斷面秩相關系數均小于臨界值，表征水質變化的主成分綜合得分值與時間序列無顯著相關性，說明水環境變化除受自然影響外，更易受外界人為工程措施與地方政策的影響，水生態系統自我調節能力有限。

(a) 主成分綜合得分

(b) 水質等級

由圖4可知，八號橋斷面水質維持在Ⅳ、Ⅴ類，根據其主成分綜合得分值可看出，2011年得分值為近8年最大值1.55，水質狀況最差；自2011年后水質好轉，由Ⅴ類水轉為Ⅳ類水；八號橋斷面主成分得分值在2015—2016年經歷了小幅度上升后下降，水質維持在Ⅴ類水。河口斷面水質主成分得分值變化趨勢與八號橋相似，自2011年主成分得分值達到最高值0.92后開始下降，水質由Ⅴ類水轉為Ⅳ類水，這與2010年后實施的生態廊道修復工程有關，在八號橋入庫口修建人工濕地在短期內使八號橋與河口附近水質提升，后續因為降水量與入庫水量的波動導致這2個斷面水質波動。西湖橡膠壩斷面水質一直處于Ⅴ類水標準限值，自2010年主成分得分值達到最大值1.70后，其得分值在0.45～1.17間波動，總體呈下降趨勢，這與媯水河入庫口未實施相應修復工程有關。庫區內永10008東表、媯大橋表、媯1018+1表斷面水質綜合得分值波動較小，媯1018+1表斷面水質受媯水河入庫水質影響較大，水質在Ⅲ、Ⅳ類水標準限值范圍內波動；永10008東表與媯大橋表斷面靠近庫區中心，水質基本維持在Ⅲ類水，說明庫區內中心水質狀況較靠近上游入庫斷面區域更為穩定；出庫斷面壩后的主成分得分值在2012年達到最小值-1.12，于2016年達到最大值-0.63，總體維持在Ⅰ類水。

3 結 論

a.主成分分析表明，影響官廳水庫水質的關鍵因子的貢獻程度從大到小依次為總氮、總磷、氨氮、pH值、高錳酸鹽指數、溶解氧。官廳水庫水環境中以氮磷為主的有機污染與可還原污染并存，水體富營養化是當前水庫面臨的最主要的水質問題。

b.官廳水庫水質時空差異較大，空間上總體呈現出上游河流入庫區域附近水質劣于下游出庫區域水質；上游來水成為庫區污染物主要來源，污染物在入庫濕地區域大量沉積，導致周邊水質下降。時間上的特點為汛期水質優于非汛期水質，說明水量增大有利于污染物稀釋。從年際變化特征來看，各斷面水質呈現出不同規律，入庫區域斷面水質隨時間變化波動較大，總體呈輕微好轉趨勢；庫區中心至出庫區域斷面水質隨時間變化相對穩定。2010—2017年總體水質情況為先降后升，但至2017年仍存在33.5%水質不達標區域。

c.根據官廳水庫近年來水質評價結果與時空變化特征，建議實施分區管理。上游地區可優先對農業化肥施用采取管控措施，削減入庫氮磷含量，同時開展節水措施，提高水資源利用率，增大入庫水量，有效稀釋庫區污染物；上游河道周邊實施濕地恢復工程，增強水源涵養功能，截留污染物。入庫河流實現水質、水量兩方面提升，將有利于恢復官廳水庫及其下游河道生態服務功能，緩解北京市工農業發展與城市居民用水壓力。