喀左县平房子灌区灌溉用水水质分析与评价

计兴旺

（喀左县水利事务服务中心，辽宁 朝阳 122300）

近年来，随着土壤次生盐渍化问题的日趋突出，干旱区农业发展受灌溉用水质量的制约作用不断凸显[1]。喀左县是位于辽西低山丘陵区，由于受季风影响，降水多发生在7、8月，约占全年的70%，春秋季干旱多风，夏冬季少雨少雪，是辽西主要干旱区。农田灌溉水质是推行绿色农业、提升土壤环境质量的重要因素，也是确保身体健康、保障食品安全及提升农产品质量的关键[2]。鉴于此，文章利用综合污染指数法、单因子指数法、主成分分析法等评价喀左县平房子灌区农田灌溉水质常规监测数据及其主要控制指标，旨在为改善喀左县农业灌溉水质及保障农业安全生产提供科学依据。

1 监测现状

1.1 灌区概况

平房子灌区地处喀左县南部，该地区干旱少雨，自然环境条件相对较差，同时水资源也比较匮乏，对当地的农业灌溉和生活用水带来一定的影响。渠首位于平房子水闸处，属于大凌河中上游，地处渗津河、蒿桑河和大凌河的交汇点。工程建于1975年，坝址以上流域面积2 260km2，设计、校核洪峰流量为2 342m3/s和3 688 m3/s。

平房子灌区农田灌溉水质监测范围涉及三台村、三家村和平房子村，耕地533.33hm2，节水灌溉406.67hm2。多年平均降水量493mm，作物生长季节(4~9月)降水量408mm，占全年总降水的80%。当农田灌溉引用河水时，为监测河流水质状况，依据《农用水源环境质量监测技术规范》中的要求应在渠首周边布设一个及以上监测点，故将监测点布设在平房子灌区大凌河断面处。

1.2 监测分析

1）原有项目。平房子灌区大凌河断面作为国控断面，其常规监测项目包括硝酸盐、氯化物、硫酸盐及24项基本项目。因此，本研究于2019—2021年每年灌溉期开展2次监测，除了常规的水质监测项目外，对全盐量和蛔虫卵数进行补充监测，以更全面地了解水体的状况和适用性。

2）新增项目。自2021年，在选择控制和原有基本项目的基础上，为了防范环境风险《农田灌溉水质标准》整合、修订并新增了苯胺、异丙苯、二甲苯、甲苯、硝基苯、1,4-二氯苯、1,2-二氯苯和氯苯8项有毒污染控制项目[3]。由于灌溉水源大凌河的河流经过地表饮用水源地，按照相关要求必须常规监测该水源地有机待定项目，其中包含以上新增的8个控制项目。

1.3 分析方法

参照《环境水质监测质量保证手册》和《地表水环境质量标准》完成水质样品的保存、采集、分析、质量保证等一系列操作。在数据分析过程采取的控制措施包括10%平行双样和20%加标回收，从而确保数据的准确性和可靠性，经分析样品的标准偏差＜10%。此外，实验选用亚沸水，以避免可能存在的有害物质对分析结果的干扰。同时，使用品质较高的试剂，以确保实验结果的可靠性。当监测结果小于最低检出限时，采取以取1/2参与统计分析的措施[4]。

2 评价标准与方法

以旱地作物控制项目作为评价标准，对于地表水国控断面还要符合Ⅱ类类的限制要求。水质评价选用综合指数法和单因子指数法，其中综合污染指数法的数学表达形式为[5-6]：

式中：Si、Ci为参评指标i的参比值(标准限制)和实测浓度值；Pi、P总为单项和综合污染指数，然后依据现行标准合理划定指数分级如表1所示。

表1 指数分级标准

3 结果与分析

3.1 现有控制项目评价

研究中的指标参比值选取旱地作物控制项目标准限制和饮用水源保护区标准限制，计算选择控制和原有基本项目的综合(P综1、P总2)及单项污染指数(Pi1、Pi2)，如表2所示。

表2 平房子灌区2019—2021年农田灌溉水质监测值(灌溉期)

除2019年灌溉期参照《地表水环境质量标准》达到Ⅱ类水限值外，2020—2021年均符合Ⅰ类要求，水质较优。2019—2021年灌溉期参与评价的选择和基本控制项目均符合《农田灌溉水质标准》中旱地作物标准限制要求，P综2处于0.06~0.10范围，按照表1的分级标准达到“清洁”等级。

3.2 新增控制项目评价

地表饮用水源地补给水源为灌溉水源大凌河的河水时，2019—2021年灌溉期8个控制项目的监测数据如表3所示。

表3 地表饮用水源地2019—2021年灌溉期监测数据

由表3可知，地表饮用水源地8个控制项目在2019—2021年灌溉期的总检出率为11.0%，其中甲苯的检出率最高达到65.8%，其次是1,4-二氯苯、1,2-二氯苯和氯苯均为16.2，没有检出其它项目，故检出浓度符合旱地作物选择控制项目和地表水环境质量特定项目标准限制要求。

3.3 主要污染指标识别

每个指标主要是反映水质的某一个方面，不同指标之间往往存在一定的关联特性。为了综合评价这些水质指标，必须保证各指标间的相互独立性，最大程度地降低相互干扰。主成分分析是一种常用的多元统计方法，它可以在最小损失原始数据信息的情况下，对原始变量因素进行降维、简化和提取处理，生成新的变量称为主成分，这些主成分更集中地体现原有变量所包含的信息，达到提高分析结果可靠性和简化数据的作用[7]。

平房子灌区大凌河断面位于中游，在灌区水质监测中发挥着关键作用。所以，文章结合2019年—2021年大凌河断面逐月监测数据，选择铅X1、镉X2、锌X3、铜X4、氟化物X5、氯化物X6、硫酸盐X7、BOD5X8、CODMnX9、CODX10和电导率X11等反映水体状况的指标参与主成分分析，从而识别关键控制指标。采用SPSS18.0软件标准化处理各水质参数，计算分析相关系数矩阵如表4所示。

表4 大凌河水质相关系数矩阵

结果显示，各水质参数存在一定相关性，表明水质参数之间的信息可能有重叠，因此对原始变量进行主成分分析十分有必要，这可以帮助降低数据维度以及减少冗余信息，从而提取出较少数量的主成分来代表原始变量的变异性，更好地理解数据和变量之间的关系。

通过使用SPSS 16.0进行KMO充足性和Bartlett’s检验，可以评估原始变量的适宜性和相关性，并确定是否适合进行主成分分析。一般地，KMO值越大则其适宜性越好，相关性一般用Bartlett's检验，若显著性sig＜0.05则相关性较强，因子分析适宜性越好。通过主成分提取建立荷载矩阵，对主成分进行解释分析如表5所示。

表5 水质参数主成分提取分析表

以特征值λ＞1的前m个主成分作为主成分个数的提取原则，主成分的影响力度可以通过特征值λ来评估，如果主成分的λ＜1则表示其解释力度不足。根据表5中的结果，提取的这四个主成分特征值λ1、λ2、λ3、λ4分别为3.581、2.345、1.922和1.207，都＞1，说明具有较高的解释能力，它们总共包含了82.255%的原始信息，可以很好解释原始数据变异性。

具体而言，F1的贡献率最高为22.980%，它与铅、电导率、氟化物的关联最强，对无机阴离子和理化指标状况有着显著的影响，说明喀左县平房子灌区水中的氟化物受到了本底条件的显著影响。F2的贡献率为22.904%，它与镉、COD、BOD5的关联紧密，体现了有机物、金属类和营养盐的状态。由于大凌河上游沿岸存在有机肥料过量施用的情况，并且随降雨径流进入河道，这可能导致面源污染问题。F3的贡献率为18.512%，它与硫酸盐、氯化物的关联较高，主要体现了盐分状况。由于喀左县蒸发强烈、干旱少雨、土壤盐分和地下径流途径少，大凌河受到了来自地质化学结构和储水水质的影响，溶解以上盐类。F4的贡献率为17.918%，它与锌、铜等指标的关联较高，主要体现了金属类指标的状况。

根据现行评价办法，扣除氯化物、硫酸盐盐分指标和有机阴离子氟化物等影响平房子灌区水质的本底指标，按照排名确定BOD5、COD、CODMn有机污染指标及营养盐为平房子灌区主要控制指标，如表6所示。由于测试过程中的氧化强度存在一定差异，三个指标所反映的污染物成分也有所不同。

表6 主成分评分系数矩阵

根据喀左县平房子灌区大凌河断面2019—2021年监测数据，通过图1可以分析不同水期中的指标浓度变化趋势，COD在2019—2021年期间较高，并且在2020—2021年期间有所下降。不同水期中，各指标浓度的变化趋势为丰水期最低，平水期次低，而枯水期最高，这与径流量有密切联系。降水是影响大凌河年径流量的主要因素，在年际变化上流域上游径流较为稳定，但年内分配不均并以夏季径流最大，其它年份相对较少。所以，由于6~8月丰水期径流量较大具有一定的污染物稀释作用，所以丰水期较其它水期的污染物浓度较低，枯水期径流量较小导致其浓度较高。结合相关资料，大凌河上游水土流失、生活污水排放及工业生产活动是导致河流污染的重要原因。

图1 不同水期主要污染物浓度变化特征

4 结 论

1）平房子灌区除2019年灌溉期参照《地表水环境质量标准》达到Ⅱ类水限值外，2020—2021年均符合Ⅰ类要求，水质较优。2019—2021年灌溉期参与评价的选择和基本控制项目均符合《农田灌溉水质标准》中旱地作物标准限制要求，P综2处于0.06~0.10范围，按照表1的分级标准达到“清洁”等级。

2）地表饮用水源地8个控制项目在2019—2021年灌溉期的总检出率为11.0%，其中甲苯的检出率最高达到65.8%，其次是1,4-二氯苯、1,2-二氯苯和氯苯均为16.2，没有检出其它项目，故检出浓度符合要求。

3）对铅、镉、锌、铜、氟化物、氯化物、硫酸盐、电导率等11个指标进行分析，将水质参数概括成金属类、有机污染、营养盐、无机阴离子与理化指标4个主成分。根据有关评价办法，扣除氯化物、硫酸盐盐分指标和有机阴离子氟化物等影响平房子灌区水质的本底指标，按照排名确定平房子灌区主要控制指标。各水期各年份三个指标浓度排序均为丰水期＜平水期＜枯水期，该变化趋势与河流年径流量具有密切联系。