阜陽市主要河流水質評價及污染源解析

王 振 龍

(1. 安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院,安徽 蚌埠 233000; 2.水利水資源安徽省重點實驗室,安徽 蚌埠 233000)

河流是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要因素，尤其是受人類活動影響嚴重的內陸河。為了削減污染物，有效地控制河流污染，河流水質評價及污染源解析越來越受到學者的關注[1]。目前國內較常用的水質評價方法有綜合水質標識指數法、內梅羅污染指數法、模糊理論綜合評價法等。其中內梅羅污染指數法較多用于重金屬評價，突出污染指數最大的重金屬污染物對環(huán)境質量的影響和作用；模糊理論綜合評價法近年來多用于地下水水質綜合評價，其結果不能對劣Ⅴ類水進行準確的表述。綜合水質標識指數法廣泛用于河流水質評價，可定量分析不同因子對河流水質的綜合影響，尤其可評價劣Ⅴ類水質，具有適用性廣、操作簡單等特點[2]。石平超等[3]采用綜合水質標識指數法對湟水水質進行評價，并與國標單因子標識指數進行比較。張媛等[4]采用客觀熵權法賦多指標權重對綜合水質標識指數法進行合理性修正，分析太湖西苕溪流域水質，有效地避免了最差因子對評價結果的影響。近年來，有學者結合環(huán)境質量評價和多元統(tǒng)計分析，探究水體污染源，使評價更為準確、全面。AM Yasir等[5]結合水質標識指數法和多元統(tǒng)計對馬來西亞奇尼湖水質進行了評價。周慧平等[6]通過對水污染源解析概念的闡述，分析了國內外水污染源解析的研究方法及進展。李文贊等[7]通過因子分析對滏陽河不同河段的污染源進行了源解析。雖然前人已對河流評價做了大量工作，但大多數只針對單一河流，對受人類影響嚴重的城市內陸河的全面、系統(tǒng)的研究較少。

本次研究對象為阜陽市，阜陽市地表水污染問題嚴重，且是以超采中深層地下水為主的典型缺水城市。待“引江濟淮”工程通水后，阜陽市將逐漸實現地表水對地下水的置換，茨淮新河、淮河、潁河等地表水將作為阜陽市居民生活飲用水水源。本研究采用綜合水質標識指數法，并結合因子分析，對阜陽市6條主要河流進行水環(huán)境質量評價，對污染物進行源解析。研究結果對阜陽市污染源控制、水環(huán)境改善、水安全保障具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

阜陽市位于安徽省西北部，位于黃淮海沖積平原區(qū)，淮河以北，地處北緯32°24′～33°35′、東經114°52′～116°30′之間。下轄界首、臨泉、太和、潁上、阜南5個縣級行政區(qū)和潁州、潁泉、潁東3個市轄區(qū)，全市總面積10 122.8 km2。區(qū)內地勢平坦開闊，年均降水900.8 mm，降水年內分配不均，主要集中在6～8月份，年平均氣溫14.6℃，年平均無霜期216 d。境內河流均屬淮河水系，有淮河、潁河、泉河、茨淮新河等10多條河流從境內穿過。

圖1 采樣點示意Fig.1 Sampling point

潁河是淮河最大的支流，由北向南流經界首、太和、阜陽城區(qū)、潁上，具有多閘壩、重污染等特點[8]；潁河支流泉河由西向東流經臨泉、阜陽城區(qū)，具有人口活動密集，污染源較多，水系空間管理和控制能力相對薄弱的特點。近年來，阜陽市的工業(yè)發(fā)展導致潁河、泉河、黑茨河水岸雜亂、水流不暢,污染問題嚴峻，目前僅茨淮新河作為城市地表水飲用水水源。

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集

本次研究分別于2017年1月(枯水期)和8月(豐水期)，對阜陽市境內潁河、泉河、茨淮新河、淮河、黑茨河、谷河共34個點位(S1～S34)進行了樣品采集(見圖1)。所有樣品采集使用500 mL高密度聚乙烯塑料瓶，采樣前用原水反復沖洗，氮、磷指標樣瓶加入硫酸酸化至pH<2，于0℃～4℃密封保存。

2.2 數據分析

本次數據處理采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析，研究區(qū)概況及數據分析圖采用Corel Draw x7和Origin 8.5進行繪制。

2.3 研究方法

2.3.1綜合水質標識指數法

綜合水質標識指數法是常用的地表水水環(huán)境評價方法[9]，其方法在單因子水質標識指數的基礎上，對單個采樣點所測試各項指標進行綜合評價，避免單因子對評價造成影響[10]，且可對劣Ⅴ類水體進行比較和詳細評價。

綜合水質標識指數Iwq由整數位和4位或5位小數組成[11]，結構式如下：

Iwq=X1.X2X3X4X5

(1)

(2)

式中，X1，X2分別表示水質類別和在此類水質區(qū)間所處的位置，X3表示參與評價的指標中劣勢于水功能區(qū)目標水質的個數，X4為判別綜合水質類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)類別，X5表示參與評價的因子數量。

2.3.2因子分析法

因子分析法(PCA)是常用的多元統(tǒng)計方法[12]，通過在樣點指標數據中篩選有代表性的因子，采用Varimax(最大正交旋轉法)對因子載荷進行旋轉，闡明數據提供的主要污染源信息。因子分析法適用性檢驗采用Kaiser-Meye-Olkin(KMO)和Bartlett球形法對水體標準化的監(jiān)測數據進行相關矩陣檢驗[13]，KMO檢測大于0.5，Bartlett球形度檢驗概率為0，則表明在99%置信區(qū)間內顯著相關[14]。

3 結果與討論

3.1 水質評價

圖2 單因子水質標識指數結果比較Fig.2 Comparison of single factor water quality identification index

對阜陽市境內6條河流按豐水期、枯水期進行綜合水質標識指數評分，結果見圖3。

圖3反映了阜陽市主要河流污染水平時空分布規(guī)律。① 采樣點S1～S11分別位于潁河豫皖緩沖區(qū)至下段入淮河口。潁河水質從上游至下游呈好轉趨勢，S11采樣點水質達到Ⅲ類水標準。潁河作為工業(yè)、農業(yè)用水區(qū)，從西北流經界首、太和、阜陽市區(qū)、潁上，流域面積廣，受人類活動影響較大，尤其在上游豫皖緩沖區(qū)水質污染較為嚴重。② 泉河(S12～S22)從豫皖省界由西向東流經臨泉，最后匯入潁河。泉河水質豐水期和枯水期變化相似，水質指數呈現先降低后增加的趨勢，在流經城區(qū)水質污染最為嚴重。③ S24位于茨淮新河插花閘下，是阜陽市唯一的地表水飲用水水源取水口，水質滿足Ⅲ類水目標要求；茨淮新河與潁河建有茨河鋪閘，除特大暴雨導致閘上水位升高需茨淮新河分洪情況下，茨河鋪閘基本關閉，因此上游來水主要為黑茨河水。④ 黑茨河河水豐水期、枯水期基本為Ⅳ～Ⅴ類水。根據調研，黑茨河本干沿線有33條直排河溝，主要排泄面上雨污，由于縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和河南下泄污水排放，汛期開啟溝口涵閘隨雨水混流排入本干，對飲用水水源地茨淮新河造成一定程度污染。遠期“引江濟淮”工程實施后，阜陽市境內茨淮新河將全部劃為飲用水水源保護區(qū)，因此對黑茨河的治理迫在眉睫。⑤ 淮河與谷河水質表現相似，豐水期水質基本為Ⅲ類，枯水期為Ⅳ類。

3.2 污染源解析

采用因子分析法對阜陽市潁河、泉河豐水期、枯水期污染源進行分析，定量反映各污染源對河流水體總體污染的貢獻大小，結果見表1～2。通過檢驗，豐水期、枯水期KMO值均大于0.5，Sig檢驗概率為0.00，結果顯著，表示數據呈現正態(tài)分布，適合因子分析。

圖3 綜合水質標識指數評分結果Fig.3 Comprehensive water quality identification index score results

表1 潁河污染因子分析的旋轉載荷矩陣和貢獻率Tab.1 Rotation component matrix and factor contribution from pollution factor analysis

注：采用主成分分析法、正交旋轉；F1、F2、F3表示主成分因子1、2、3；*表示旋轉公因子載荷<0.5，下同。

表2 泉河污染因子分析的旋轉載荷矩陣和貢獻率Tab.2 Rotation component matrix and factor contribution from pollution factor analysis

4 結 論

(1) 綜合水質標識指數法研究表明：總體上，阜陽市6條主要地表河流豐水期水質優(yōu)于枯水期，主要污染物為TN、TP，CODCr、CODMn次之，表明有機污染物為阜陽市地表河流的主要污染物，河流具有富營養(yǎng)化風險。

(2) 綜合豐水期、枯水期分析阜陽市主要地表河流污染狀況，潁河河水總體呈Ⅳ類，從上游至下游呈好轉趨勢；潁河、泉河緩沖區(qū)水質污染較重，超出目標水質。茨淮新河飲用水保護區(qū)水質較好，但上游黑茨河污染較重，主要與支流雨污直排有關。

(3) 因子分析結果顯示，潁河豐水期最大影響因子F1與DO、TP和CODMn呈正相關，反映出農業(yè)面源污染對水環(huán)境的影響，枯水期最大影響因子與泉河相似，均反映水體富營養(yǎng)化狀況；泉河豐水期最大影響因子F1主要受CODCr、CODMn和F-控制，反映了污水處理廠排放的生活、工業(yè)污水對水環(huán)境的影響。