青弋江流域水質評價及時空變化特征分析

吳轉璋 耿天召 伍震威 王歡

摘要 采用單因子評價法、模糊綜合評價法和主成分分析法對青弋江流域7個監測斷面2017—2019年6項水質指標的監測數據進行分析，識別了流域的主要水質指標，得出青弋江流域的綜合水質狀況和水質時空變化趨勢。結果表明：青弋江流域整體水質為優，主要水質指標為NH 3-N和TP;下游因工業污染源較多，水質最差，上游主要污染源為林地腐殖質等帶來的N、P污染，隨著水體自凈中游水質優于上游;汛期由于雨水沖刷帶來的農業面源污染加重，水質劣于其他月份，隨著對流域污染源排放管控的加強，流域水質隨時間推移呈優化趨勢。

關鍵詞 青弋江;單因子評價;模糊綜合評價;主成分分析;時空變化趨勢

中圖分類號 X 824? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）18-0079-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.18.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Water Quality Evaluation and Spatiotemporal Variation Characteristics of Qingyi River Basin

WU Zhuan-zhang1，GENG Tian-zhao2，WU Zhen-wei1 et al （1.Anhui Province Eco-Environmental Monitoring Center，Hefei， Anhui 230071;2.Suzhou Ecological Environment Bureau，Suzhou，Anhui 234000）

Abstract The single factor evaluation method， fuzzy comprehensive evaluation method and principal component analysis method were used to analyze the monitoring data of six water quality indicators of seven sections in Qingyi River Basin from 2017 to 2019. The main water quality indexes of the basin were identified. The comprehensive water quality and the spatiotemporal trends of water quality were obtained. The results showed that the overall water quality of Qingyi River Basin was excellent， and the main water quality indicators were NH 3-N and TP; the downstream water quality was the worst due to the large number of industrial pollution sources， and the main pollution source in the upstream was N and P pollution caused by forest humus. With the self purification of water body， the water quality in the middle reaches was better than that in the upper reaches; the water quality in flood season was worse than that in other months due to the agricultural non-point source pollution caused by rainwater， and the water quality of the basin tends to be optimized over time with strengthening the management of pollution discharge.

Key words Qingyi River;Single factor evaluation;Fuzzy comprehensive evaluation;Principal component analysis;Spatiotemporal trends

基金項目 第二次全國污染源普查工業源普查報表制度及普查數據質量控制實施技術支持項目（22110399005）。

作者簡介 吳轉璋（1981—），女，安徽太湖人，工程師，碩士，從事環境監測和評價方面的研究。*通信作者，正高級工程師，從事環境管理研究。

收稿日期 2020-12-16

“十三五”以來，隨著“水十條”以及相關污染防治攻堅戰行動計劃的發布實施，我國水污染防治工作取得了明顯成效，水環境質量得到顯著改善，但水環境質量形勢依然嚴峻，水生態環境保護工作依然任重道遠[1]。水環境質量評價是水生態環境保護中的一項基礎性工作，通過對監測數據的合理分析，摸清水環境質量的優劣和變化特征，能夠為制定科學的水生態環境保護措施提供有效參考[2]。因此，采用合適的方法對水環境質量現狀進行評價具有重要意義。

目前水環境質量評價的方法有很多，比較常用的有單因子評價法、綜合污染指數法、模糊綜合評價法和主成分分析法等。其中單因子評價法計算簡單，可操作性強，可以直接根據評價因子的監測值與評價標準之間的關系，得出各評價因子的達標情況、超標因子以及超標倍數等結果，能清晰明了地判斷出水體主要污染因子及超標斷面位置，因此單因子評價法適用于快速判斷水質類別，但是該方法用最差的水質指標等級作為該斷面的水質類別，評價結果過于保守，難以對同一等級水質類別進行更詳細的優劣排序。綜合污染指數法是將各評價因子的監測值與其評價標準之比作為單項污染指數，通過賦權綜合計算各單項污染指數得到綜合污染指數，該方法可以對整體水質作出定量描述，但不同的賦權方法計算出的評價結果差異較大。模糊綜合評價法通過建立隸屬函數和權重集得到水質的綜合評價結果，評價結果更加客觀全面，適用于分析水質是否達到水質目標要求，但目前隸屬度由人為主觀確定得出，評價結果會出現較大差異。主成分分析法能夠考慮到各指標間的信息關聯，在最大限度地保留原始信息的同時，對高維變量進行降維篩選出主要指標，且能根據各斷面的綜合得分值對流域水質進行時空變化特征分析，但主成分分析法難以對水質等級進行判定。以上評價方法側重點不同，各有優劣，相互結合可以優勢互補[3-9]。

為此，筆者以長江的重要一級支流青弋江作為研究對象，根據2017—2019年青弋江流域的水質監測資料，結合單因子評價法、模糊綜合評價法和主成分分析法對青弋江流域水質進行評價和分析，全面客觀地反映流域水質狀況與變化特征，從而為流域水環境管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

青弋江是長江的重要一級支流，干流全長309 km，流域面積約7 195 km2，起源于黃山市黟縣，經石臺縣、黃山區，于周家坦注入陳村水庫（太平湖），出陳村水庫流經涇縣、宣城、南陵、蕪湖等地，于蕪湖市區入長江[10-11]。

該研究數據來源于青弋江流域7個常規監測斷面2017—2019年數據，斷面設置自上游至下游分別為溪口村、城關上游、琴溪橋、涇南交界、百園新村、海南渡、寶塔根。根據青弋江地理位置特征可知，溪口村和城關上游為上游斷面，琴溪橋、涇南交界和百園新村為中游斷面，海南渡和寶塔根為下游斷面。其區位分布見圖1。

1.2 數據預處理

根據對原始數據的初步分析，剔除未檢出數據以及水溫、pH等空值較多的項目，選取溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（COD Mn）、五日生化需氧量（BOD 5）、氨氮（NH 3-N）、化學需氧量（COD Cr）和總磷（TP）6項指標進行評價分析。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子評價法。

單因子評價法是用水體各監測因子的監測結果對比該因子的水質分類標準，確定該因子水質類別;在所有因子的水質類別中選取水質類別最差的類別作為

該水體的水質類別。水質分類標準值根據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）確定。

1.3.2 模糊綜合評價法。

模糊評價法通過各因子的濃度值，除以對應的質量標準中各類別的平均值，得出權重值。再依據各監測因子在地表水環境質量標準各類別中的歸屬，得出隸屬度。最后通過矩陣復合運算，確定總體水環境的類別[12]。

1.3.3 主成分分析法。

主成分分析法是設法將原來變量重新組合成一組新的相互無關的綜合變量，同時根據實際需要從中取出幾個較少的但盡可能多地反映原來變量信息的綜合變量的統計方法。主要計算步驟如下[13-14]：①原始數據標準化;②計算各指標之間的相關系數矩陣;③計算相關系數矩陣的特征值與特征向量;④計算主成分貢獻率及累積貢獻率，確定主成分;⑤將標準化后的指標變量轉換為主成分;⑥對主成分進行加權求和，即得最終評價值并用其評判水質，權數為每個主成分的方差貢獻率。

2 結果與分析

2.1 單因子評價結果

首先采用《地表水環境質量評價辦法（試行）》（環辦〔2011〕22號文）規定的劃分水質類別的單因子評價法來評價溪口村、城關上游、琴溪橋、涇南交界、百園新村、海南渡和寶塔根7個監測斷面水質狀況。評價結果顯示，2017—2019年青弋江流域各監測斷面水質類別均穩定在Ⅱ類（表1），水質狀況為優，確定青弋江流域水質類別主要指標是TP。

2.2 模糊綜合評價結果

青弋江流域水質模糊綜合評價顯示（表1），2017—2019年青弋江流域各監測斷面水質類別均穩定在Ⅰ類，水質狀況為優。通過對權重指標分析可知，2017—2019年7個監測斷面的DO權重值均最大，分別為025、0.27、0.33、0.26、0.26、0.27、0.36、0.33、0.36、0.26、0.28、0.29、0.32、031、0.29、0.24、0.27、0.31、0.24、0.24、027，說明DO是影響青弋江流域水質的主要指標。

2.3 主成分分析結果

分別對各監測斷面不同監測指標年均值和月均值進行2個獨立的主成分分析。采用各監測斷面不同監測指標年均值進行流域主要污染指標的篩選以及水環境質量的時空變化趨勢分析，采用各監測斷面不同監測指標月均值進行各監測斷面水環境質量的時間變化趨勢分析。

運用 KMO 和 Bartlett球體檢驗進行統計，KMO檢驗是對原始變量之間的簡相關系數和偏相關系數的相對大小進行檢驗，Bartlett球性檢驗用于檢驗各變量是否各自獨立[15-16]。該研究計算得到年均值和月均值數據組KMO檢驗統計值分別為0.52和0.56，均大于0.50，Bartlett球形檢驗顯著性概率P值均小于 0.05，表明以上數據組指標間相互不獨立，相關性較強，適宜進行主成分分析。

分別對各水質指標年均值和月均值數據組進行降維處理，結果見表2和圖2。從年均值數據組降維結果來看，方差貢獻率大于10%的主成分有4個，對應的數值分別為3865%、27.12%、13.13%和10.55%，前4個主成分的累積方差貢獻率為89.45%，高于80%。主成分1與TP和NH 3-N呈顯著正相關關系，主成分2與DO呈顯著正相關關系，主成分3與COD Mn和BOD 5呈顯著正相關關系，主成分4與DO和COD Cr呈顯著正相關關系。以上主成分涉及所有水質指標。

從月均值數據組降維結果來看，方差貢獻率大于10%的主成分也有4個，對應的數值分別為31.30%、20.33%、1723%和13.58%，前4個主成分的累積方差貢獻率為8244%，高于80%。主成分1與TP、NH 3-N和COD Mn呈顯著正相關關系，主成分2與DO呈顯著正相關關系，主成分3與BOD 5呈顯著正相關關系，主成分4與COD Cr呈顯著正相關關系。以上主成分涉及所有水質指標。

對比分析青弋江流域各監測斷面年均值數據組和月均值數據組降維結果，可知2組數據的主成分分析結果基本一致，篩選出青弋江流域主要水質指標為TP和NH 3-N。

青弋江流域年均值數據組水質主成分綜合評價結果見表3，月均值數據組水質主成分綜合評價結果見表4。

2.4 水質時空變化特征分析

對青弋江流域年均值和月均值數據組水質主成分綜合評價結果進行分析，得出青弋江流域水質時空變化趨勢及各斷面水質時間變化趨勢（圖3）。

2017—2019年青弋江流域年均值數據組水質主成分綜合評價結果表明（表3）：青弋江流域下游水質最差，中游優于上游;2019年各斷面水質均優于2017年水質，青弋江流域整體水質隨時間推移呈優化趨勢;2018年整體水質變化趨勢不明顯，溪口村和琴溪橋2018年水質在2017—2019年中最優，百園新村和寶塔根水質在3年中最差。

2017—2019年青弋江流域月均值數據組水質主成分綜合評價結果表明（表4）：溪口村斷面2017年5、6月水質最差，10、12月份水質最優;2018年4、9月水質最差，10—12月水質最優;2019年2、6、9月水質最差，5、10—12月水質最優。城關上游斷面2017年7、8月水質最差，1月次之，其他月份曲線基本平穩;2018年9月水質最差，6月次之，2月水質最優;2019年5—8、11月水質最差，1月水質最優。琴溪橋斷面2017年9月水質最差，11、12月水質最優;2018年水質曲線基本平穩;2019年6月水質最差，12月水質最優。涇南交界斷面2017年9月水質最差，其他月份曲線基本平穩;2018年10月水質最差，7、12月次之，其他月份曲線基本平穩;2019年8、9月水質最差，1月最優。百園新村斷面連續3年水質變化曲線基本一致，7月份最差，其他月份曲線基本平穩。海南渡斷面2017年7月水質最差，12月次之，其他月份基本平穩;2018年9月水質最差，12月次之，7月最優;2019年9月水質最差，6月次之，1月最優。寶塔根斷面連續3年水質變化基本一致，6—9月最差，12月次之，其他月份基本平穩。綜合分析各斷面水質變化，得出青弋江流域汛期水質明顯劣于其他月份。

3 討論

3.1 評價結果對比分析

該研究的3種水質評價方法側重點不同，評價結果也略有差異。單因子評價法用最差的水質等級代表評價結果，根據各采樣點位的TP濃度評價青弋江水質為Ⅱ類，評價結果不夠全面，但計算結果安全性高。模糊綜合評價結果與單因子評價結果相差1個等級，評價結果顯示青弋江水質為Ⅰ類，模糊綜合評價法充分考慮了各評價因子的綜合影響，評價結果更加客觀全面，但模糊綜合評價對指標權重矢量的確定主觀性較強，會掩蓋一些重要水質指標的影響。主成分分析法難以對水質等級進行判定。

影響單因子評價結果的主要水質指標是TP，模糊綜合評價中DO權重值最大，DO對模糊綜合評價結果的影響最大，主成分分析法結果顯示第1個主成分對應水質指標為TP和NH 3-N，第2個主成分對應水質指標為DO，主成分分析法與單因子評價法和模糊綜合評價法的評價結果基本一致，且包含單因子和模糊綜合評價的主要水質指標，因此主成分分析法更為客觀、全面。

單因子和模糊綜合評價法只能對水體進行定性評價，主成分分析法能對水體質量進行定量描述，且能根據描述結果進行時空變化特征分析。

3.2 評價結果與實際調查情況對比分析

青弋江流域上游主要污染源是林地和農村生活源，中游主要為農村生活源和農業面源，下游進入蕪湖市段主要為工業污染源，因此整個流域以富營養污染為主，流域下游由于工業污染源較多，水質最差，上游主要污染源為林地腐殖質等帶來的N、P污染，隨著水體自凈，中游水質優于上游，汛期由于雨水沖刷帶來的農業面源污染加重水質劣于其他月份;隨著對流域污染源排放管控的加強，流域水質隨時間推移呈優化趨勢。以上調查結果均與評價結果一致。

4 結論

（1）單因子、模糊綜合和主成分分析相結合的評價方法可用于青弋江流域水質評價和時空變化特征的綜合分析。結果顯示，青弋江流域整體水質狀況穩定在Ⅱ類以上，主要水質指標為NH 3-N和TP;青弋江流域下游水質最差，中游水質優于上游;2019年各斷面水質均優于2017年，青弋江流域整體水質隨時間的推移呈優化趨勢，青弋江流域汛期水質明顯劣于其他月份。

（2）青弋江流域整體水質為優，但中上游農業面源及蕪湖市段工業點源污染仍是該流域兩大污染風險。因此，該流域仍需加強農業面源污染控制和下游蕪湖市段工業污染末端治理，注重污染預防，從源頭和全過程減少污染物的產生。

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