基于PCA的巢湖抱書河污染源解析研究

單宇 陳俊 吳克

摘 要：針對巢湖抱書河流域16個監測斷面的COD、NH3-N、TP，利用單因子指數法和綜合污染指數法進行了枯水期、平水期和豐水期的水質評價。結果表明，枯水期COD超地表V類水標準斷面占比為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%，總體水質屬于Ⅴ類和劣Ⅴ類水;綜合污染指數評價結果，枯水期監測斷面輕度污染占比6.25%、中度污染占比43.75%、重度污染占比43.75%、嚴重污染占比6.25%，平水期重度污染占比43.75%、嚴重污染占比56.25%，豐水期重度污染占比31.25%、嚴重污染占比68.75%，枯水期水質略優于平水期和豐水期;對NH3-N、TP、COD、pH、DO、濁度、電導率指標進行了主成分分析，結果顯示，氮磷為水質惡化的主要污染源。

關鍵詞：環巢湖;水環境;源解析;水質評價

中圖分類號 X524文獻標識碼 A文章編號 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

當前，環巢湖小流域污染治理的重心正向污染物源頭控制轉移，控制污染物入湖的關鍵在于對污染源的精準識別，各環巢湖小流域的環境差異要求對其進行污染源解析。圍繞環巢湖治理的研究一直都在進行中[1-2]，巢湖流域重污染水體的主要污染源有點源污染、面源污染和內源污染。對水質指標進行科學評價，是判斷水體污染程度的科學手段，能夠客觀有效地反映水質情況，從而為污染控制提供數據基礎[3-9]。目前，水質評價方法主要有單因子指數評價法、內梅羅污染指數法、綜合污染指數評價法、模糊評價法、灰色評價法、人工神經網絡法等，考慮到操作性和抱書河的實際情況，本研究依據《地表水環境質量標準（GB3838-2002）》中的單因子指數和綜合污染指數，對抱書河16個監測斷面水質數據進行了評價，針對巢湖抱書河小流域水環境現狀進行了分析，對主要污染源進行了識別和解析，以期為控制污染物入湖量提供理論依據。

2 研究與方法

2.1 水質監測

2.1.1 監測斷面分布 依據《水質采樣方案設計技術規定》（HJ495-2009），對抱書河流域包括上游東、西撇洪溝、中游示范工程段及下游布設16個監測斷面。分別在枯水期、平水期及豐水期取樣，使用亞克力水質采樣器取樣，并低溫保存帶回實驗室測定。

2.2.2 水質分析 針對河流水質分析，分為現場測定和實驗室分析，其中DO、pH、電導率使用便攜式儀器現場快速測定，NH3-N、TP、COD根據《水質樣品的保存與管理技術規定》（HJ493-2009）要求帶回實驗室依據國標進行分析。

2.2 數據分析

2.2.1 水質評價 根據水體功能和治理目標，將地表V類水作為評價標準，依據《地表水環境質量標準（GB3838-2002）》中單因子指數法和綜合污染指數法計算并判斷水質[10-11]。

2.2.2 污染源解析模型 使用SPSS 25對抱書河16個采樣斷面的NH3-N、TP、COD、pH、DO、電導率指標進行主成分分析，將水質數據標準化后壓縮降維，對變量間關系進行分析，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 結果與分析

3.1 水質評價

3.1.1 單因子指數 利用單因子指數對16個監測斷面枯水期、平水期和豐水期的COD、NH3-N、TP進行水質評價，判斷抱書河水質總體污染情況。

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

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

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

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

3.1.2 綜合污染指數 根據綜合污染指數評價分級，計算得綜合污染指數評價結果（圖5）。從圖5可以看出，抱書河枯水期、平水期、豐水期重度污染及以上斷面占比分別為56.25、100%、100%，枯水期水質總體優于平水期和豐水期，且上游水質劣于下游。主要原因是上游雨污混排使平水期、豐水期進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入河道的污染物隨之減小，因此水質略好，但總體水質仍污染嚴重。

3.2 主成分分析 使用SPSS對水質指標進行主成分分析，通過KMO和Bartlett球性檢驗[12]，結果表明，KMO=0.643>0.5，Bartlett球性檢驗顯著性接近于0，說明數據適合因子分析（表1）。由圖6可知，各標準化水質指標因子提取率均超過50%，說明各變量信息大部分均得到了利用，保證了分析結果的有效性。由表2可知，各水質指標的特征值及方差貢獻率，分析結果提取2個特征值大于1的公因子，累計方差貢獻率為80.97%。因子1由NH3-N、TP、電導率構成，旋轉后的因子載荷分別為0.902、0.909、0.811，貢獻率為46.31%，與氮磷污染相關，可以看作上游生活污水排放的點源營養污染;因子2由DO、pH構成旋轉后因子載荷為0.83、0.909，貢獻率為34.66%，這可能與水生生物相關。

4 結論與討論

對抱書河水質進行枯水期、平水期、豐水期監測，結果表明，枯水期的水質總體上優于平水期和豐水期。根據單因子指數和綜合污染指數評價發現，枯水期COD超標斷面占比為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%，總體水質屬于Ⅴ類和劣Ⅴ類水。綜合污染指數評價結果表明，枯水期監測斷面輕度污染占比6.25%、中度污染占比43.75%、重度污染占比43.75%、嚴重污染占比6.25%，平水期監測斷面重度污染占比43.75%、嚴重污染占比56.25%，豐水期監測斷面重度污染占比31.25%、嚴重污染占比68.75%。出現上述現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期淤積的污染物沖刷入河，導致河流水量增大反而水質較差。

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（責編：張宏民）