喀左縣平房子灌區(qū)灌溉用水水質(zhì)分析與評價

計興旺

（喀左縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 朝陽 122300）

近年來，隨著土壤次生鹽漬化問題的日趨突出，干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展受灌溉用水質(zhì)量的制約作用不斷凸顯[1]。喀左縣是位于遼西低山丘陵區(qū)，由于受季風(fēng)影響，降水多發(fā)生在7、8月，約占全年的70%，春秋季干旱多風(fēng)，夏冬季少雨少雪，是遼西主要干旱區(qū)。農(nóng)田灌溉水質(zhì)是推行綠色農(nóng)業(yè)、提升土壤環(huán)境質(zhì)量的重要因素，也是確保身體健康、保障食品安全及提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵[2]。鑒于此，文章利用綜合污染指數(shù)法、單因子指數(shù)法、主成分分析法等評價喀左縣平房子灌區(qū)農(nóng)田灌溉水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其主要控制指標(biāo)，旨在為改善喀左縣農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)及保障農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 監(jiān)測現(xiàn)狀

1.1 灌區(qū)概況

平房子灌區(qū)地處喀左縣南部，該地區(qū)干旱少雨，自然環(huán)境條件相對較差，同時水資源也比較匱乏，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉和生活用水帶來一定的影響。渠首位于平房子水閘處，屬于大凌河中上游，地處滲津河、蒿桑河和大凌河的交匯點(diǎn)。工程建于1975年，壩址以上流域面積2 260km2，設(shè)計、校核洪峰流量為2 342m3/s和3 688 m3/s。

平房子灌區(qū)農(nóng)田灌溉水質(zhì)監(jiān)測范圍涉及三臺村、三家村和平房子村，耕地533.33hm2，節(jié)水灌溉406.67hm2。多年平均降水量493mm，作物生長季節(jié)(4~9月)降水量408mm，占全年總降水的80%。當(dāng)農(nóng)田灌溉引用河水時，為監(jiān)測河流水質(zhì)狀況，依據(jù)《農(nóng)用水源環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中的要求應(yīng)在渠首周邊布設(shè)一個及以上監(jiān)測點(diǎn)，故將監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在平房子灌區(qū)大凌河斷面處。

1.2 監(jiān)測分析

1）原有項(xiàng)目。平房子灌區(qū)大凌河斷面作為國控斷面，其常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目包括硝酸鹽、氯化物、硫酸鹽及24項(xiàng)基本項(xiàng)目。因此，本研究于2019—2021年每年灌溉期開展2次監(jiān)測，除了常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目外，對全鹽量和蛔蟲卵數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測，以更全面地了解水體的狀況和適用性。

2）新增項(xiàng)目。自2021年，在選擇控制和原有基本項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，為了防范環(huán)境風(fēng)險《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》整合、修訂并新增了苯胺、異丙苯、二甲苯、甲苯、硝基苯、1,4-二氯苯、1,2-二氯苯和氯苯8項(xiàng)有毒污染控制項(xiàng)目[3]。由于灌溉水源大凌河的河流經(jīng)過地表飲用水源地，按照相關(guān)要求必須常規(guī)監(jiān)測該水源地有機(jī)待定項(xiàng)目，其中包含以上新增的8個控制項(xiàng)目。

1.3 分析方法

參照《環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量保證手冊》和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》完成水質(zhì)樣品的保存、采集、分析、質(zhì)量保證等一系列操作。在數(shù)據(jù)分析過程采取的控制措施包括10%平行雙樣和20%加標(biāo)回收，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，經(jīng)分析樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差＜10%。此外，實(shí)驗(yàn)選用亞沸水，以避免可能存在的有害物質(zhì)對分析結(jié)果的干擾。同時，使用品質(zhì)較高的試劑，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。當(dāng)監(jiān)測結(jié)果小于最低檢出限時，采取以取1/2參與統(tǒng)計分析的措施[4]。

2 評價標(biāo)準(zhǔn)與方法

以旱地作物控制項(xiàng)目作為評價標(biāo)準(zhǔn)，對于地表水國控斷面還要符合Ⅱ類類的限制要求。水質(zhì)評價選用綜合指數(shù)法和單因子指數(shù)法，其中綜合污染指數(shù)法的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為[5-6]：

式中：Si、Ci為參評指標(biāo)i的參比值(標(biāo)準(zhǔn)限制)和實(shí)測濃度值；Pi、P總為單項(xiàng)和綜合污染指數(shù)，然后依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)合理劃定指數(shù)分級如表1所示。

表1 指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)有控制項(xiàng)目評價

研究中的指標(biāo)參比值選取旱地作物控制項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限制和飲用水源保護(hù)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)限制，計算選擇控制和原有基本項(xiàng)目的綜合(P綜1、P總2)及單項(xiàng)污染指數(shù)(Pi1、Pi2)，如表2所示。

表2 平房子灌區(qū)2019—2021年農(nóng)田灌溉水質(zhì)監(jiān)測值(灌溉期)

除2019年灌溉期參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》達(dá)到Ⅱ類水限值外，2020—2021年均符合Ⅰ類要求，水質(zhì)較優(yōu)。2019—2021年灌溉期參與評價的選擇和基本控制項(xiàng)目均符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中旱地作物標(biāo)準(zhǔn)限制要求，P綜2處于0.06~0.10范圍，按照表1的分級標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到“清潔”等級。

3.2 新增控制項(xiàng)目評價

地表飲用水源地補(bǔ)給水源為灌溉水源大凌河的河水時，2019—2021年灌溉期8個控制項(xiàng)目的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 地表飲用水源地2019—2021年灌溉期監(jiān)測數(shù)據(jù)

由表3可知，地表飲用水源地8個控制項(xiàng)目在2019—2021年灌溉期的總檢出率為11.0%，其中甲苯的檢出率最高達(dá)到65.8%，其次是1,4-二氯苯、1,2-二氯苯和氯苯均為16.2，沒有檢出其它項(xiàng)目，故檢出濃度符合旱地作物選擇控制項(xiàng)目和地表水環(huán)境質(zhì)量特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限制要求。

3.3 主要污染指標(biāo)識別

每個指標(biāo)主要是反映水質(zhì)的某一個方面，不同指標(biāo)之間往往存在一定的關(guān)聯(lián)特性。為了綜合評價這些水質(zhì)指標(biāo)，必須保證各指標(biāo)間的相互獨(dú)立性，最大程度地降低相互干擾。主成分分析是一種常用的多元統(tǒng)計方法，它可以在最小損失原始數(shù)據(jù)信息的情況下，對原始變量因素進(jìn)行降維、簡化和提取處理，生成新的變量稱為主成分，這些主成分更集中地體現(xiàn)原有變量所包含的信息，達(dá)到提高分析結(jié)果可靠性和簡化數(shù)據(jù)的作用[7]。

平房子灌區(qū)大凌河斷面位于中游，在灌區(qū)水質(zhì)監(jiān)測中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。所以，文章結(jié)合2019年—2021年大凌河斷面逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇鉛X1、鎘X2、鋅X3、銅X4、氟化物X5、氯化物X6、硫酸鹽X7、BOD5X8、CODMnX9、CODX10和電導(dǎo)率X11等反映水體狀況的指標(biāo)參與主成分分析，從而識別關(guān)鍵控制指標(biāo)。采用SPSS18.0軟件標(biāo)準(zhǔn)化處理各水質(zhì)參數(shù)，計算分析相關(guān)系數(shù)矩陣如表4所示。

表4 大凌河水質(zhì)相關(guān)系數(shù)矩陣

結(jié)果顯示，各水質(zhì)參數(shù)存在一定相關(guān)性，表明水質(zhì)參數(shù)之間的信息可能有重疊，因此對原始變量進(jìn)行主成分分析十分有必要，這可以幫助降低數(shù)據(jù)維度以及減少冗余信息，從而提取出較少數(shù)量的主成分來代表原始變量的變異性，更好地理解數(shù)據(jù)和變量之間的關(guān)系。

通過使用SPSS 16.0進(jìn)行KMO充足性和Bartlett’s檢驗(yàn)，可以評估原始變量的適宜性和相關(guān)性，并確定是否適合進(jìn)行主成分分析。一般地，KMO值越大則其適宜性越好，相關(guān)性一般用Bartlett's檢驗(yàn)，若顯著性sig＜0.05則相關(guān)性較強(qiáng)，因子分析適宜性越好。通過主成分提取建立荷載矩陣，對主成分進(jìn)行解釋分析如表5所示。

表5 水質(zhì)參數(shù)主成分提取分析表

以特征值λ＞1的前m個主成分作為主成分個數(shù)的提取原則，主成分的影響力度可以通過特征值λ來評估，如果主成分的λ＜1則表示其解釋力度不足。根據(jù)表5中的結(jié)果，提取的這四個主成分特征值λ1、λ2、λ3、λ4分別為3.581、2.345、1.922和1.207，都＞1，說明具有較高的解釋能力，它們總共包含了82.255%的原始信息，可以很好解釋原始數(shù)據(jù)變異性。

具體而言，F(xiàn)1的貢獻(xiàn)率最高為22.980%，它與鉛、電導(dǎo)率、氟化物的關(guān)聯(lián)最強(qiáng)，對無機(jī)陰離子和理化指標(biāo)狀況有著顯著的影響，說明喀左縣平房子灌區(qū)水中的氟化物受到了本底條件的顯著影響。F2的貢獻(xiàn)率為22.904%，它與鎘、COD、BOD5的關(guān)聯(lián)緊密，體現(xiàn)了有機(jī)物、金屬類和營養(yǎng)鹽的狀態(tài)。由于大凌河上游沿岸存在有機(jī)肥料過量施用的情況，并且隨降雨徑流進(jìn)入河道，這可能導(dǎo)致面源污染問題。F3的貢獻(xiàn)率為18.512%，它與硫酸鹽、氯化物的關(guān)聯(lián)較高，主要體現(xiàn)了鹽分狀況。由于喀左縣蒸發(fā)強(qiáng)烈、干旱少雨、土壤鹽分和地下徑流途徑少，大凌河受到了來自地質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和儲水水質(zhì)的影響，溶解以上鹽類。F4的貢獻(xiàn)率為17.918%，它與鋅、銅等指標(biāo)的關(guān)聯(lián)較高，主要體現(xiàn)了金屬類指標(biāo)的狀況。

根據(jù)現(xiàn)行評價辦法，扣除氯化物、硫酸鹽鹽分指標(biāo)和有機(jī)陰離子氟化物等影響平房子灌區(qū)水質(zhì)的本底指標(biāo)，按照排名確定BOD5、COD、CODMn有機(jī)污染指標(biāo)及營養(yǎng)鹽為平房子灌區(qū)主要控制指標(biāo)，如表6所示。由于測試過程中的氧化強(qiáng)度存在一定差異，三個指標(biāo)所反映的污染物成分也有所不同。

表6 主成分評分系數(shù)矩陣

根據(jù)喀左縣平房子灌區(qū)大凌河斷面2019—2021年監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過圖1可以分析不同水期中的指標(biāo)濃度變化趨勢，COD在2019—2021年期間較高，并且在2020—2021年期間有所下降。不同水期中，各指標(biāo)濃度的變化趨勢為豐水期最低，平水期次低，而枯水期最高，這與徑流量有密切聯(lián)系。降水是影響大凌河年徑流量的主要因素，在年際變化上流域上游徑流較為穩(wěn)定，但年內(nèi)分配不均并以夏季徑流最大，其它年份相對較少。所以，由于6~8月豐水期徑流量較大具有一定的污染物稀釋作用，所以豐水期較其它水期的污染物濃度較低，枯水期徑流量較小導(dǎo)致其濃度較高。結(jié)合相關(guān)資料，大凌河上游水土流失、生活污水排放及工業(yè)生產(chǎn)活動是導(dǎo)致河流污染的重要原因。

圖1 不同水期主要污染物濃度變化特征

4 結(jié) 論

1）平房子灌區(qū)除2019年灌溉期參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》達(dá)到Ⅱ類水限值外，2020—2021年均符合Ⅰ類要求，水質(zhì)較優(yōu)。2019—2021年灌溉期參與評價的選擇和基本控制項(xiàng)目均符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中旱地作物標(biāo)準(zhǔn)限制要求，P綜2處于0.06~0.10范圍，按照表1的分級標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到“清潔”等級。

2）地表飲用水源地8個控制項(xiàng)目在2019—2021年灌溉期的總檢出率為11.0%，其中甲苯的檢出率最高達(dá)到65.8%，其次是1,4-二氯苯、1,2-二氯苯和氯苯均為16.2，沒有檢出其它項(xiàng)目，故檢出濃度符合要求。

3）對鉛、鎘、鋅、銅、氟化物、氯化物、硫酸鹽、電導(dǎo)率等11個指標(biāo)進(jìn)行分析，將水質(zhì)參數(shù)概括成金屬類、有機(jī)污染、營養(yǎng)鹽、無機(jī)陰離子與理化指標(biāo)4個主成分。根據(jù)有關(guān)評價辦法，扣除氯化物、硫酸鹽鹽分指標(biāo)和有機(jī)陰離子氟化物等影響平房子灌區(qū)水質(zhì)的本底指標(biāo)，按照排名確定平房子灌區(qū)主要控制指標(biāo)。各水期各年份三個指標(biāo)濃度排序均為豐水期＜平水期＜枯水期，該變化趨勢與河流年徑流量具有密切聯(lián)系。