基于PCA的巢湖抱書(shū)河污染源解析研究

單宇 陳俊 吳克

摘 要：針對(duì)巢湖抱書(shū)河流域16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的COD、NH3-N、TP，利用單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法進(jìn)行了枯水期、平水期和豐水期的水質(zhì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，枯水期COD超地表V類水標(biāo)準(zhǔn)斷面占比為50%，NH3-N為75%，TP為25%，平水期分別為100%、75%、100%，豐水期為81.25%、62.5%、75%，總體水質(zhì)屬于Ⅴ類和劣Ⅴ類水;綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，枯水期監(jiān)測(cè)斷面輕度污染占比6.25%、中度污染占比43.75%、重度污染占比43.75%、嚴(yán)重污染占比6.25%，平水期重度污染占比43.75%、嚴(yán)重污染占比56.25%，豐水期重度污染占比31.25%、嚴(yán)重污染占比68.75%，枯水期水質(zhì)略優(yōu)于平水期和豐水期;對(duì)NH3-N、TP、COD、pH、DO、濁度、電導(dǎo)率指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果顯示，氮磷為水質(zhì)惡化的主要污染源。

關(guān)鍵詞：環(huán)巢湖;水環(huán)境;源解析;水質(zhì)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào) X524文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）06-0074-03

Abstract： The COD， NH3-N and TP of 16 monitoring sections in Baoshu River Basin of Chaohu city were evaluated by single factor index method and comprehensive pollution index method in the low flow period， normal flow period and high flow period. The results showed that the proportion of COD exceeding the surface V standard section in the low flow period was 50%， NH3-N was 75%， TP was 25%， the proportion of COD was 100%， NH3-N was 75%， TP was 100% in the normal flow period， the proportion of COD was 81.25%， NH3-N was 62.5% and TP was 75% in the high flow period， respectively. The water quality belongs to class V and inferior class V water. The results of comprehensive pollution index evaluation showed that the ratio of the minor pollution in the monitoring section was 6.25%， the moderate pollution was 43.75%， and the severe pollution was 43.75% in the low flow period. The ratio of the monitoring section of the serious pollution was 6.25%， and the severe pollution was 43.75% in the normal flow period. The ratio of the monitoring section of the serious pollution was 56.25%， the severe pollution was 31.25%， and the serious pollution was 68.75% in the high flow period. The water quality in the low flow period was slightly better than that in normal flow period. The main components of NH3-N， TP， COD， pH， DO and conductivity were analyzed. The results showed that nitrogen and phosphorus were the main pollution sources.

Key words： Chaohu Lake; Water environment; Source analysis; Water quality assessment

1 引言

當(dāng)前，環(huán)巢湖小流域污染治理的重心正向污染物源頭控制轉(zhuǎn)移，控制污染物入湖的關(guān)鍵在于對(duì)污染源的精準(zhǔn)識(shí)別，各環(huán)巢湖小流域的環(huán)境差異要求對(duì)其進(jìn)行污染源解析。圍繞環(huán)巢湖治理的研究一直都在進(jìn)行中[1-2]，巢湖流域重污染水體的主要污染源有點(diǎn)源污染、面源污染和內(nèi)源污染。對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，是判斷水體污染程度的科學(xué)手段，能夠客觀有效地反映水質(zhì)情況，從而為污染控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3-9]。目前，水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，考慮到操作性和抱書(shū)河的實(shí)際情況，本研究依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》中的單因子指數(shù)和綜合污染指數(shù)，對(duì)抱書(shū)河16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，針對(duì)巢湖抱書(shū)河小流域水環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)主要污染源進(jìn)行了識(shí)別和解析，以期為控制污染物入湖量提供理論依據(jù)。

2 研究與方法

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2.1.1 監(jiān)測(cè)斷面分布 依據(jù)《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（HJ495-2009），對(duì)抱書(shū)河流域包括上游東、西撇洪溝、中游示范工程段及下游布設(shè)16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。分別在枯水期、平水期及豐水期取樣，使用亞克力水質(zhì)采樣器取樣，并低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

2.2.2 水質(zhì)分析 針對(duì)河流水質(zhì)分析，分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室分析，其中DO、pH、電導(dǎo)率使用便攜式儀器現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定，NH3-N、TP、COD根據(jù)《水質(zhì)樣品的保存與管理技術(shù)規(guī)定》（HJ493-2009）要求帶回實(shí)驗(yàn)室依據(jù)國(guó)標(biāo)進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià) 根據(jù)水體功能和治理目標(biāo)，將地表V類水作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》中單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法計(jì)算并判斷水質(zhì)[10-11]。

2.2.2 污染源解析模型 使用SPSS 25對(duì)抱書(shū)河16個(gè)采樣斷面的NH3-N、TP、COD、pH、DO、電導(dǎo)率指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，將水質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后壓縮降維，對(duì)變量間關(guān)系進(jìn)行分析，以具有代表性的因子解釋從眾多變量中提取出的信息，從而判斷出疑似污染源。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1.1 單因子指數(shù) 利用單因子指數(shù)對(duì)16個(gè)監(jiān)測(cè)斷面枯水期、平水期和豐水期的COD、NH3-N、TP進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，判斷抱書(shū)河水質(zhì)總體污染情況。

3.1.1.1 枯水期 從圖2可以看出，枯水期COD、NH3-N、TP指標(biāo)以劣V類為主，占比分別為50%、75%、25%，上游東、西撇洪溝水質(zhì)較差，其中西撇洪溝COD、NH3-N、TP污染較嚴(yán)重，7號(hào)斷面NH3-N、TP污染異常嚴(yán)重與枯水期西撇洪溝斷流有關(guān)，水質(zhì)總體上游劣于下游。

3.1.1.2 平水期 從圖3可以看出，COD、NH3-N、TP指標(biāo)劣V類斷面占比分別為100%、75%、93.75%，水質(zhì)較枯水期更加惡化，COD、TP超標(biāo)嚴(yán)重，上游東、西撇洪溝段仍為污染嚴(yán)重段。

3.1.1.3 豐水期 從圖4可以看出，COD、NH3-N、TP指標(biāo)劣V類斷面占比分別為93.75%、75%、87.5%，較平水期COD、TP超標(biāo)情況有所好轉(zhuǎn)，可能與夏季流量增大有關(guān)，但總體水質(zhì)仍不容樂(lè)觀。

由枯水期、平水期和豐水期水質(zhì)單因子指數(shù)可以看出，抱書(shū)河污染特征如下：上游污染較下游嚴(yán)重，平水期和豐水期污染較枯水期嚴(yán)重，造成此特征的原因主要與上游居民生活污水排放有關(guān)。

3.1.2 綜合污染指數(shù) 根據(jù)綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)，計(jì)算得綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果（圖5）。從圖5可以看出，抱書(shū)河枯水期、平水期、豐水期重度污染及以上斷面占比分別為56.25、100%、100%，枯水期水質(zhì)總體優(yōu)于平水期和豐水期，且上游水質(zhì)劣于下游。主要原因是上游雨污混排使平水期、豐水期進(jìn)入河道的污染物增加，枯水期由于降水量和居民用水量小進(jìn)入河道的污染物隨之減小，因此水質(zhì)略好，但總體水質(zhì)仍污染嚴(yán)重。

3.2 主成分分析 使用SPSS對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，通過(guò)KMO和Bartlett球性檢驗(yàn)[12]，結(jié)果表明，KMO=0.643>0.5，Bartlett球性檢驗(yàn)顯著性接近于0，說(shuō)明數(shù)據(jù)適合因子分析（表1）。由圖6可知，各標(biāo)準(zhǔn)化水質(zhì)指標(biāo)因子提取率均超過(guò)50%，說(shuō)明各變量信息大部分均得到了利用，保證了分析結(jié)果的有效性。由表2可知，各水質(zhì)指標(biāo)的特征值及方差貢獻(xiàn)率，分析結(jié)果提取2個(gè)特征值大于1的公因子，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為80.97%。因子1由NH3-N、TP、電導(dǎo)率構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)后的因子載荷分別為0.902、0.909、0.811，貢獻(xiàn)率為46.31%，與氮磷污染相關(guān)，可以看作上游生活污水排放的點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)污染;因子2由DO、pH構(gòu)成旋轉(zhuǎn)后因子載荷為0.83、0.909，貢獻(xiàn)率為34.66%，這可能與水生生物相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

對(duì)抱書(shū)河水質(zhì)進(jìn)行枯水期、平水期、豐水期監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，枯水期的水質(zhì)總體上優(yōu)于平水期和豐水期。根據(jù)單因子指數(shù)和綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，枯水期COD超標(biāo)斷面占比為50%，NH3-N為75%，TP為25%，平水期分別為100%、75%、100%，豐水期為81.25%、62.5%、75%，總體水質(zhì)屬于Ⅴ類和劣Ⅴ類水。綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，枯水期監(jiān)測(cè)斷面輕度污染占比6.25%、中度污染占比43.75%、重度污染占比43.75%、嚴(yán)重污染占比6.25%，平水期監(jiān)測(cè)斷面重度污染占比43.75%、嚴(yán)重污染占比56.25%，豐水期監(jiān)測(cè)斷面重度污染占比31.25%、嚴(yán)重污染占比68.75%。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的可能原因主要是夏季居民用水量增加造成直排入河的污染物增多，降水量增加將沿岸和西撇洪溝斷流時(shí)期淤積的污染物沖刷入河，導(dǎo)致河流水量增大反而水質(zhì)較差。

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（責(zé)編：張宏民）