陳 浩，靖 爭，倪智偉，羅慧萍，羅平安，李青云

(1.長江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，武漢 430010； 3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程是緩解中國北方地區(qū)水資源短缺、實現(xiàn)水資源合理配置、保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。自2014年通水以來，輸水水質(zhì)良好，絕大部分指標能夠穩(wěn)定達到地表水I類水質(zhì)標準?，F(xiàn)有研究基于實測資料，分析了主要水質(zhì)指標濃度變化趨勢，采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法等方法評價了中線干渠水質(zhì)狀況，取得了一定成果[1-3]。然而，中線總干渠輸水距離長，涉及區(qū)域廣，周邊水質(zhì)影響因素復(fù)雜，水質(zhì)監(jiān)測指標眾多，數(shù)據(jù)量巨大，存在識別和監(jiān)管困難等問題。而現(xiàn)有的研究不能很好地解決管理監(jiān)控中存在的這些問題。

為了及時發(fā)現(xiàn)干渠水質(zhì)問題或潛在風(fēng)險并進行針對性的風(fēng)險管理，本文采用主成分-聚類分析的方法，對中線工程總干渠進行水質(zhì)現(xiàn)狀分析。采用主成分分析法[4-7]將各水質(zhì)參數(shù)進行標準化處理后，通過線性變化，將多項水質(zhì)參數(shù)指標組合成互相獨立的綜合指標(即主成分)，再以這些主成分來對監(jiān)測斷面采用聚類分析法進行分類。聚類分析是將研究對象按某些相似性進行分類，并進行系統(tǒng)研究的一種方法[8-9]，已成為河湖水質(zhì)特征分析和水質(zhì)分區(qū)的有效工具[10-13]。將主成分分析與聚類分析相結(jié)合，能有效提高聚類分析結(jié)果的可靠性，對于中線總干渠這種大尺度、多指標、高頻次的高維數(shù)據(jù)聚類過程，能解決水質(zhì)指標眾多且相互關(guān)聯(lián)復(fù)雜、樣本的選取具有一定的主觀性的問題。目前，已有學(xué)者將主成分分析與聚類分析相結(jié)合的方法應(yīng)用于巢湖、向家壩等大型湖庫的水質(zhì)分析，取得了較好的效果[14-15]。將主成分分析和聚類分析相結(jié)合應(yīng)用于中線工程水質(zhì)分析，可對復(fù)雜的多元數(shù)據(jù)進行歸納和解釋，為管理者關(guān)注的水質(zhì)指標數(shù)據(jù)提供更清晰的理解，進而更明確地認知水質(zhì)時空分異特征。

本文在分析南水北調(diào)中線干渠水質(zhì)指標變化情況的基礎(chǔ)上，采用主成分分析對原始水質(zhì)指標進行簡化并提取主成分，識別影響中線水質(zhì)的首要指標，并通過主成分進行聚類分析，對中線監(jiān)測斷面進行分類，甄別各斷面水質(zhì)變化相似性特征，合理進行水質(zhì)評價與分區(qū)，為中線水質(zhì)保護和管理提供決策參考和優(yōu)化建議。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域概況

南水北調(diào)中線工程(32.67°N—39.98°N、111.71°E—116.27°E)自丹江口水庫陶岔渠首開始，跨越長江、黃河、海河、淮河四大流域，最終到達北京和天津。作為京、津、冀、豫4省市生活飲用水源，其水質(zhì)安全決定調(diào)水成敗。北京段輸水線路全長為1 276 km。中線總干渠沿途穿越亞熱帶氣候區(qū)和暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域年均降水量為542.7～1 173.4 mm，年均氣溫為14.6～21.2 ℃。這種長距離輸水工程沿程存在明顯的水溫、氣候和環(huán)境差異，使沿程水質(zhì)也呈現(xiàn)出區(qū)域性差異，所以整個工程的管理方案不能一以貫之。至2020年6月3日，中線工程已安全運行2 000 d，累計向北調(diào)水300億m3，惠及沿線6 000萬人口。中線工程沿線具有復(fù)雜的輸水工程設(shè)置。著名的南水北調(diào)穿黃隧洞是工程規(guī)模大、技術(shù)含量最高的交叉建筑物，設(shè)計流量為265 m3/s，加大流量可達320 m3/s。湍河渡槽和沙河渡槽等內(nèi)徑9 m，單跨跨度40 m，最大流量達420 m3/s。這種流量和建筑物沿程的變化，給中線工程沿程管理帶來一定的挑戰(zhàn)。

南水北調(diào)中線工程通水以后，干線管理部門(南水北調(diào)中線建設(shè)管理局)在總干渠沿線布設(shè)了三十多個水質(zhì)固定監(jiān)測斷面(圖1)，并逐月對26項水質(zhì)參數(shù)和藻密度進行監(jiān)測和分析。本文選取中線工程總干渠河南和河北段25個水質(zhì)固定監(jiān)測斷面的 2017—2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)開展水質(zhì)特征分析。24項常規(guī)監(jiān)測指標中，檢出13項，砷、汞、鎘、鉻(六價)、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、糞大腸桿菌等11項指標均未檢出。大部分斷面的化學(xué)需氧量、硫化物低于檢出限，部分斷面部分時段生化需氧量、銅、鋅等4項指標低于檢出限。根據(jù)常規(guī)水質(zhì)規(guī)范要求，本文選擇各監(jiān)測斷面檢出且有明顯變化的水溫(X1)、溶解氧(X2)、pH值(X3)、高錳酸鹽指數(shù)(X4)、氨氮(X5)、總氮(X6)、總磷(X7)、氟化物(X8)、硫酸鹽(X9)等9項水質(zhì)指標進行分析。

圖1 南水北調(diào)中線工程干渠各監(jiān)測斷面位置Fig.1 Locations of monitored sections in the main canal of the middle route of SNWDP

2.2 主成分-聚類分析

主成分分析法是一種將多指標變量轉(zhuǎn)換成綜合指標的統(tǒng)計方法，指標數(shù)量得以減少，使問題得到降維處理[10]。通過運用SPSS等大型統(tǒng)計軟件，能準確快捷得到結(jié)果。本文使用SPSS22進行主成分分析，利用Origin2021進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及制圖。

主成分分析法主要步驟有[16-17]：

設(shè)取得研究對象的m個樣本，每個樣本含有n個因子，由此建立變量矩陣X，即

(1)

式中Xij(i=1，2，…，m，j=1，2，…，n)為第i個樣本的第j個因子的數(shù)值。

為了消除樣本因子間的數(shù)值差異，保證量綱統(tǒng)一，簡化數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行標準化處理[18]。利用標準化常用方法Z-Score變換得到標準化后的數(shù)據(jù)Zij，其計算公式為

(2)

(3)

(4)

標準化后計算數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣，并計算出特征根。然后用雅可比法解特征方程計算特征值λi，公式為

|λi-X|=0 。

(5)

所得特征根λ1≥λ2≥…≥λm≥0。

為確定主成分個數(shù)，一般由累積貢獻率進行判斷，一般主成分累積貢獻率需達到80%，判斷公式為

(6)

對數(shù)據(jù)進行主成分分析后，利用確定的主成分對南水北調(diào)中線工程各監(jiān)測點進行聚類分析，可將干渠劃分成幾個水質(zhì)管理區(qū)段，能直觀地顯現(xiàn)出每個區(qū)段的主要污染物及污染程度的差異，以便針對性地對各區(qū)段進行水質(zhì)分析和管理規(guī)劃。

聚類的方法主要有系統(tǒng)聚類法和K-均值法兩種。本文采用系統(tǒng)聚類法，根據(jù)樣本的親疏程度，將親疏程度最高的兩類樣品合并成新的類，然后繼續(xù)分析新分類間的親疏程度，再合并，重復(fù)合并類，直至合并為一類[8]。對于已經(jīng)主成分分析的指標，無需進行標準化，直接進行指標間距離計算。本文采用歐式距離計算，公式為

(7)

式中Xik、Xjk分別表示兩主成分指標。

3 結(jié)果分析

3.1 中線工程水質(zhì)指標時空變化

依據(jù)南水北調(diào)中線工程25個斷面2017—2018年水質(zhì)指標含量，對各項水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 2017—2018年南水北調(diào)中線工程干渠斷面水質(zhì)指標沿程變化Fig.2 Changes of water quality indexes along flow direction in major sections of the main canal of the middle route of SNWDP from 2017 to 2018

3.1.1 基礎(chǔ)理化指標(水溫、溶解氧、pH值)

2017—2018年水溫總體呈現(xiàn)沿程下降的趨勢，表現(xiàn)出南高北低的規(guī)律，穿黃前后斷面水溫升降較明顯。2017、2018年年平均水溫分別為17.38、17.56 ℃，兩年水溫變化不大(圖2(a))。

2017—2018年中線工程各監(jiān)測點的pH值平均值為8.07～8.44，整體呈現(xiàn)弱堿性，沿程呈先上升再下降的趨勢，在漳河北站點pH值下降明顯，之后站點變化不明顯，河南段與河北段pH值存在一定的差異。2017、2018年年平均pH值分別為8.14、8.25，2018年pH值較2017年略有上升，兩年河南段(漳河北前)差距不大，河北段pH值差異較大，這可能反映了該地區(qū)大氣降水輸入的影響[19](圖2(b))。

2017—2018年各監(jiān)測點溶解氧(DO)從渠首開始先有所上升，隨后趨于穩(wěn)定，在北盤石監(jiān)測點后溶解氧濃度略有下降，至西黑山監(jiān)測點突然上升。部分站點溶解氧濃度高于10 mg/L。有關(guān)研究表明溶解氧的升高與水溫和藻類增殖有關(guān)[20]。干渠年平均濃度為9.03～10.53 mg/L，2017年與2018年溶解氧濃度整體差異不大，均低于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅰ類(7.5 mg/L)水質(zhì)標準(圖2(c))。

3.1.2 有機物和營養(yǎng)鹽指標(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷)

如圖2(d)所示，2017—2018年中線工程各水質(zhì)監(jiān)測點的高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)平均濃度為1.61～2.70 mg/L，各年呈現(xiàn)出明顯的沿程升高趨勢，至漳河北后，各站點平均濃度趨于穩(wěn)定，河南段與河北段之間存在差異。2017、2018年年平均高錳酸鹽指數(shù)濃度分別為1.81、1.94 mg/L，2018年年平均濃度高于2017年平均濃度，2018年部分監(jiān)測斷面超過了國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅰ類(2 mg/L)水質(zhì)標準限值。

2017—2018年氨氮(NH3-N)年平均濃度為0.029～0.092 mg/L，所有監(jiān)測斷面均符合地表水環(huán)境質(zhì)量標準 Ⅰ 類(0.15 mg/L)水質(zhì)標準，2017、2018年年平均濃度分別為0.035、0.042 mg/L，氨氮平均濃度略有升高，北盤石至西黑山監(jiān)測站濃度上升明顯(圖2(e))。

2017—2018年各監(jiān)測點總氮(TN)平均濃度介于0.77～1.30 mg/L，各年總氮濃度呈沿程下降趨勢，北盤石至西黑山監(jiān)測點下降明顯，氨氮濃度的上升和總氮濃度的下降表明該段可能有較強的氧化還原反應(yīng)進行。2018年TN平均濃度(1.22 mg/L)高于2017年TN平均濃度(0.91 mg/L)，TN濃度有逐年升高的趨勢，與水源地的初始TN濃度關(guān)系密切(圖2(f))。

2017—2018年總磷(TP)年平均濃度差異不大，2017年總磷年平均濃度為0.011 mg/L，大多數(shù)監(jiān)測站濃度都低于總磷檢出值，而2018年總磷年平均濃度為0.012 mg/L，大部分監(jiān)測斷面總磷濃度上升，超出檢出值，說明總磷有逐年升高的趨勢，但整體濃度偏低(圖2(g))。

3.1.3 其他指標(硫酸鹽、氟化物)

兩年硫酸鹽濃度年平均值為26.74～34.03 mg/L，沿程呈上升的趨勢，河南段濃度略高于河北段濃度，河南段的變化趨勢與大氣沉降有關(guān)，河北段的變化與大氣沉降和干渠流量有關(guān)。2017年與2018年硫酸鹽平均濃度分別為29.09、27.30 mg/L，有下降趨勢(圖2(h))。硫酸鹽濃度反映水體酸堿度變化，2017年與2018年硫酸鹽濃度的差異與pH值的變化趨勢一致。由圖2(i)可知，2017—2018年氟化物濃度沿程波動較大，年平均濃度為0.188～0.218 mg/L，對比各年平均濃度，氟化物年平均濃度有逐年降低的趨勢。

3.2 中線工程渠道主干斷面環(huán)境因子主成分分析

對南水北調(diào)中線工程主干斷面水質(zhì)指標年平均值進行主成分分析，分析結(jié)果相近。利用SPSS對水質(zhì)參數(shù)進行 KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和 Bartlett 檢驗，得到2017年和2018年KMO 值分別為0.583、0.582；Bartlett 球形檢驗結(jié)果分別為 92.794(P<0.05)、93.754(P<0.05)，說明參數(shù)指標之間具有較好的相關(guān)性，適合主成分分析。兩年主成分分析結(jié)果相近，故本文以2018年南水北調(diào)中線工程主干斷面水質(zhì)指標年平均值為基礎(chǔ)，驗證主成分分析方法的適用性。

為了消除各個指標量綱不同的影響，需對原始數(shù)據(jù)經(jīng)過標準化，標準化后所得矩陣各行標準差為1，平均值為0。由于溶解氧為逆指標，即其數(shù)值越大，表征其水質(zhì)越好，故對其取倒數(shù)后再進行標準化?；跇藴驶瘮?shù)據(jù)，利用SPSS22運算得出各個水質(zhì)指標之間的相關(guān)矩陣，如表1所示。

對表1進行運算，可得到特征值，從而對主成分進行確定，并得主成分貢獻率的大小，如表2所示。

表1 2018年南水北調(diào)中線工程主干斷面水質(zhì)指標相關(guān)矩陣Table 1 Correlation matrix of important water quality objectives in major sections of the main canal of the middle route SNWDP in 2018

表2 2018年南水北調(diào)中線工程干渠斷面水質(zhì)指標特征值和主成分貢獻率及累積貢獻率Table 2 Eigenvalues，contribution rates and accumulated contribution rates of principal components of water quality indexes in major sections of the main canal of the middle route SNWDP in 2018

由表2所知，第一主成分的特征值為3.505，第二主成分的特征值為1.552，第三主成分的特征值為1.142，第四主成分的特征值為1.022，均>1，而從第五主成分開始，特征值均<1，這說明前4個主成分對解釋原有變量的貢獻最大，符合主成分挑選條件，第五主成分己經(jīng)不滿足要求。由于第一至第四主成分己經(jīng)包含了9個指標的全部信息，且這兩者的累積貢獻率已達80.23%，其對水質(zhì)變化的影響最大。因此，本文確定前4個主成分開展進一步的分析。

為確定各主成分所包含的水質(zhì)指標信息，需計算各主成分在單個指標上的載荷。表3為2018年南水北調(diào)中線工程各斷面水質(zhì)指標旋轉(zhuǎn)成分矩陣，由表3得出，第一主成分在pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽上有較大載荷，其載荷分別為 0.737、-0.797、0.891、0.745；第二主成分主要在水溫上有較大載荷，其載荷為0.913；第三主成分主要在總氮上有較大荷載，其荷載為0.716；第四主成分主要在總磷上有較大的荷載，其荷載為0.886。

表3 2018年南水北調(diào)中線工程干渠斷面水質(zhì)指標旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 3 Rotated component matrix of water quality indexes in major sections of the main canal of the middle route SNWDP in 2018

3.3 中線工程渠道主干斷面聚類分析

在主成分分析的基礎(chǔ)上，對各監(jiān)測斷面水質(zhì)指標進行聚類分析。以2018年南水北調(diào)中線工程干流斷面主成分分析中各斷面主成分為基礎(chǔ)，聚類方法采用組間聯(lián)接法，對等間隔測度的變量使用歐式距離平方作為類間距離，得到2018年南水北調(diào)中線工程主干渠斷面聚類分析結(jié)果樹狀圖，如圖3所示。

圖3 2018年南水北調(diào)中線工程采樣點聚類樹狀圖Fig.3 Dendrogram of sampling points in the middle route of SNWDP in 2018

在對主成分進行聚類分析后，將南水北調(diào)中線工程總干渠劃分成4類區(qū)段，如圖4所示。第一渠段為位于渠首的陶岔、姚營、程溝和方城4個斷面；第二渠段包括庫區(qū)大部分斷面，為中線總干渠中間，有沙河南、蘭河北、新峰、穿黃后、紙坊河北、趙莊東南、西寺門東北、侯小屯西、漳河北、南營村、侯莊、北盤石、東瀆、大安舍、北大岳、蒲王莊和柳家佐17個斷面；第三渠段為蘇張、鄭灣和穿黃前3個斷面；第四渠段為西黑山斷面。

圖4 南水北調(diào)中線工程聚類分析分區(qū)渠段示意圖Fig.4 Schematic diagram of divided four segments of the main canal of the middle route SNWDP

為了驗證上述聚類分析的結(jié)果，應(yīng)用判別分析(Discriminant Analysis，DA)方法進行聚類分析正確率檢驗。檢驗結(jié)果表明，聚類分析正確率結(jié)果為80.65%，選擇分成4類能合理反映各渠段差異。

4 分析與討論

4.1 總干渠關(guān)鍵水質(zhì)指標識別與分析

第一主成分結(jié)果包含高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、pH值、硫酸鹽指標、氨氮，貢獻率達38.94%，反映水體中耗氧程度和酸堿平衡狀態(tài)。根據(jù)水質(zhì)指標時空變化趨勢可知，總干渠水體中的高錳酸鹽指數(shù)沿程呈上升趨勢，且存在部分斷面超過國家Ⅰ類水質(zhì)標準，與文獻[2]和文獻[21]的研究結(jié)果一致，是總干渠耗氧程度關(guān)鍵水質(zhì)指標之一。pH值逐年呈下降趨勢，且沿程波動較大，趨勢與硫酸鹽濃度變化趨勢一致，是反映總干渠酸化趨勢水質(zhì)指標之一。上述表明總干渠最主要的水質(zhì)變化趨勢為水體耗氧及酸化趨勢。

第二主成分為水溫，反映水體熱力學(xué)狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測分析，水溫南北差異較大，且沿程波動明顯，對沿程各站點的影響較大，水溫對水體中的營養(yǎng)物質(zhì)有著重要影響，影響整個水體的營養(yǎng)鹽時空分布，因此，中線工程的水溫對水質(zhì)有一定影響。

第三、第四主成分分別為總氮、總磷，反映水體營養(yǎng)狀態(tài)。總氮濃度沿程變化不大，但有較明顯年際差異，這與文獻[3]的總氮分析結(jié)果一致。年際差異與水源地丹江口水庫總氮濃度變化有關(guān)?？偟獫舛鹊拇笮∮绊懼芯€總干渠富營養(yǎng)化狀態(tài)，是總干渠富營養(yǎng)化關(guān)注的主要因素之一[22]?？偭自谥芯€工程濃度較低，2017年大多數(shù)斷面都低于檢出值，但在2018年較2017年有上升趨勢，因此總磷也是中線工程營養(yǎng)狀態(tài)的影響因素之一。

綜上，9項水質(zhì)指標通過主成分分析降維到4項，前4個主成分能夠充分代表中線水質(zhì)狀況。中線工程總干渠的首要水質(zhì)指標為高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、pH值、硫酸鹽，應(yīng)重點關(guān)注中線工程耗氧程度和酸化趨勢；其次是水溫、總氮、氨氮、總磷，應(yīng)關(guān)注水溫季節(jié)性變化和南北空間差異及總磷等營養(yǎng)物的逐年上升趨勢。

4.2 中線干渠各區(qū)段主要指標的時空分異特性

聚類分析將25個監(jiān)測斷面聚成4類，計算出各區(qū)段的各水質(zhì)指標的年平均值，并對4類渠段各水質(zhì)指標之間的差異進行比較，如圖5所示。

圖5 2018年南水北調(diào)中線工程各分渠段水質(zhì)監(jiān)測點水質(zhì)指標比較Fig.5 Comparison of water quality indexes among monitoring site segments of the main canal of middle route SNWDP in 2018

由圖5可知，第一渠段比較突出的水質(zhì)指標為總氮和總磷兩項指標，對整個總干渠而言，總氮濃度差異不大。該渠段位于河南境內(nèi)，連接丹江口水庫。有研究表明，丹江口水庫總氮濃度平均值為1.5 mg/L，總磷濃度大部分<0.04 mg/L，是南水北調(diào)總干渠總氮、總磷營養(yǎng)鹽的主要輸入源[23]。因為處于整個工程的渠首段，其他水質(zhì)指標整體較好。第二渠段主要包括中線工程大部分站點，這些站點水質(zhì)較第一區(qū)段有變差趨勢，應(yīng)加強管理檢測，及時防治，其中高錳酸鹽指數(shù)有所升高，這與文獻[2]的研究結(jié)果相一致，應(yīng)重點關(guān)注該段高錳酸鹽指數(shù)的升高原因。第三渠段位于第二渠段中間，主要包括穿黃前3個斷面，與其他渠段相比，這3個站點的水溫較其他渠段高，且pH值略高于其他渠段。第四渠段只有西黑山一個站點，水質(zhì)問題最為嚴重，西黑山大多數(shù)水質(zhì)指標都明顯高于其他站點，作為送往北京和天津前最后一級，高錳酸鹽指數(shù)超過國家水質(zhì)Ⅱ類標準，硫酸鹽濃度也高于其他渠段，其水質(zhì)的變化應(yīng)引起重視。

綜上所述，第一渠段應(yīng)重點關(guān)注總氮、總磷濃度變化，對第一渠段總氮、總磷濃度的控制有助于中線整個總干渠總氮、總磷濃度的管理。對于第二渠段和第三渠段，應(yīng)重點關(guān)注沿程高錳酸鹽指數(shù)變化情況，增加高錳酸鹽指數(shù)的監(jiān)測手段，加強高錳酸鹽指數(shù)沿程升高因素識別及主要因子加密監(jiān)測。對于第四渠段，應(yīng)重點關(guān)注高錳酸鹽指數(shù)及硫酸鹽濃度的變化，識別變化影響因素。

4.3 典型區(qū)段關(guān)鍵水質(zhì)指標影響因素識別

第四渠段(西黑山)水質(zhì)變化較為顯著，以第四渠段為分析對象，結(jié)合同期水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，對主要水質(zhì)指標高錳酸鹽指數(shù)和硫酸鹽的影響因素進行探討。

分析高錳酸鹽指數(shù)與水動力參數(shù)的關(guān)系，如圖6(a)所示，高錳酸鹽指數(shù)與流量呈一定的相關(guān)關(guān)系，70%的數(shù)據(jù)點落在95%置信區(qū)間內(nèi)，表明流量對高錳酸鹽指數(shù)有影響。高錳酸鹽指數(shù)作為反映水體耗氧污染程度的重要指標，代表了水體中可被高錳酸鹽氧化的有機和無機物質(zhì)濃度[24]。范傲翔等[21]研究結(jié)果表明，總干渠藻密度突變點與高錳酸鹽指數(shù)的突變點高度吻合，表明水體自身藻類及微生物活動等自生源過程中向水體釋放的蛋白質(zhì)和微生物殘體增加了高錳酸鹽指數(shù)。中線渠道沿程環(huán)境復(fù)雜，水動力特征會發(fā)生顯著變化，物質(zhì)在水體中的各種相態(tài)、遷移轉(zhuǎn)化過程都會發(fā)生改變，影響藻類生長速度及分布特征，從而可能影響高錳酸鹽指數(shù)。流量增加，引水渠中的流速會增大，更容易破壞渠道內(nèi)的藻類生長環(huán)境，導(dǎo)致大量的藻類死亡和藻細胞破碎，增加水體中有機物質(zhì)濃度。因此，解決該站點高錳酸鹽指數(shù)升高的問題應(yīng)考慮控制流量。

分析硫酸鹽與水動力參數(shù)的關(guān)系，如圖6(b)所示，隨著流量的增加，硫酸鹽濃度具有下降趨勢，75%的數(shù)據(jù)點落在95%置信區(qū)間內(nèi)，表明流量對該渠段硫酸鹽濃度有影響，其濃度的降低主要受到來水的稀釋作用。硫酸鹽濃度表征干渠的酸化趨勢，來源主要包括大氣沉降(酸雨、降塵)及其他人類活動的輸入(農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)、礦業(yè)等)[25]。對于相對封閉的中線總干渠而言，其主要來源為大氣沉降，并與渠段周圍的重工業(yè)發(fā)達程度有著密切的關(guān)系。因此，在密切關(guān)注大氣沉降對總干渠的影響的同時，流量調(diào)節(jié)對硫酸鹽的控制有積極作用。

圖6 高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽與流量的關(guān)系Fig.6 Relations of permanganate index and sulfate content versus flow rate

綜上所述，對于第四渠段，流量與關(guān)鍵水質(zhì)指標高錳酸鹽指數(shù)和硫酸鹽有相關(guān)性，在渠段管理過程中可以通過調(diào)節(jié)該段流量控制相關(guān)指標。由于數(shù)據(jù)收集有限，本文未對大氣沉降、氣溫、降水等因素進行討論。

5 結(jié) 論

(1)數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果顯示，總干渠水溫、總磷呈下降趨勢，其中水溫、pH值在河北段下降更為顯著，生化需氧量則在河南段下降更為顯著；溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、氟化物等指標呈上升趨勢，其中高錳酸鹽指數(shù)和氟化物在河南段上升更為顯著，氟化物僅在河南沿線顯著上升。除總氮、總磷外，其余指標2017年與2018年差距不大。

(2)以主成分分析方法提取的4個主成分，其累積貢獻率達到 80%以上，4個主成分幾乎包含了原始數(shù)據(jù)所有的信息量。4個主成分載荷的分析結(jié)果表明中線工程應(yīng)重點關(guān)注總干渠耗氧污染程度和酸堿平衡狀態(tài)，其次考慮水溫等水熱狀態(tài)，再次關(guān)注氮磷等水體營養(yǎng)狀態(tài)。

(3)以4個主成分對監(jiān)測斷面進行分類，較好地識別出總干渠各段水質(zhì)指標特征，將中線總干渠分為4類渠段。第一渠段重點關(guān)注總氮、總磷濃度變化，有助于中線整個總干渠總氮、總磷濃度的管理。對于第二渠段，可以適當減少測站數(shù)量，方便管理。對于第四渠段，應(yīng)重點關(guān)注高錳酸鹽指數(shù)及硫酸鹽濃度的變化，識別變化影響因素。

(4)重點分析討論了第四渠段西黑山斷面的變化，流量與該渠段的高錳酸鹽指數(shù)呈正相關(guān)，與硫酸鹽呈負相關(guān)。水動力變化對第四渠段的主要水質(zhì)指標影響明顯，可通過水動力調(diào)控對水質(zhì)指標進行調(diào)控。