基于PCA的巢湖抱书河污染源解析研究

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　　摘 要：针对巢湖抱书河流域16个监测断面的COD、NH3-N、TP，利用单因子指数法和综合污染指数法进行了枯水期、平水期和丰水期的水质评价。结果表明，枯水期COD超地表V类水标准断面占比为50%，NH3-N为75%，TP为25%，平水期分别为100%、75%、100%，丰水期为81.25%、62.5%、75%，总体水质属于Ⅴ类和劣Ⅴ类水;综合污染指数评价结果，枯水期监测断面轻度污染占比6.25%、中度污染占比43.75%、重度污染占比43.75%、严重污染占比6.25%，平水期重度污染占比43.75%、严重污染占比56.25%，丰水期重度污染占比31.25%、严重污染占比68.75%，枯水期水质略优于平水期和丰水期;对NH3-N、TP、COD、pH、DO、浊度、电导率指标进行了主成分分析，结果显示，氮磷为水质恶化的主要污染源。
　　关键词：环巢湖;水环境;源解析;水质评价
　　中图分类号 X524 文献标识码 A 文章编号 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，环巢湖小流域污染治理的重心正向污染物源头控制转移，控制污染物入湖的关键在于对污染源的精准识别，各环巢湖小流域的环境差异要求对其进行污染源解析。围绕环巢湖治理的研究一直都在进行中[1-2]，巢湖流域重污染水体的主要污染源有点源污染、面源污染和内源污染。对水质指标进行科学评价，是判断水体污染程度的科学手段，能够客观有效地反映水质情况，从而为污染控制提供数据基础[3-9]。目前，水质评价方法主要有单因子指数评价法、内梅罗污染指数法、综合污染指数评价法、模糊评价法、灰色评价法、人工神经网络法等，考虑到操作性和抱书河的实际情况，本研究依据《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》中的单因子指数和综合污染指数，对抱书河16个监测断面水质数据进行了评价，针对巢湖抱书河小流域水环境现状进行了分析，对主要污染源进行了识别和解析，以期为控制污染物入湖量提供理论依据。
　　2 研究与方法
　　2.1 水质监测
　　2.1.1 监测断面分布 依据《水质采样方案设计技术规定》（HJ495-2009），对抱书河流域包括上游东、西撇洪沟、中游示范工程段及下游布设16个监测断面。分别在枯水期、平水期及丰水期取样，使用亚克力水质采样器取样，并低温保存带回实验室测定。 　　2.2.2 水质分析 针对河流水质分析，分为现场测定和实验室分析，其中DO、pH、电导率使用便携式仪器现场快速测定，NH3-N、TP、COD根据《水质样品的保存与管理技术规定》（HJ493-2009）要求带回实验室依据国标进行分析。
　　2.2 数据分析
　　2.2.1 水质评价 根据水体功能和治理目标，将地表V类水作为评价标准，依据《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》中单因子指数法和综合污染指数法计算并判断水质[10-11]。
　　2.2.2 污染源解析模型 使用SPSS 25对抱书河16个采样断面的NH3-N、TP、COD、pH、DO、电导率指标进行主成分分析，将水质数据标准化后压缩降维，对变量间关系进行分析，以具有代表性的因子解释从众多变量中提取出的信息，从而判断出疑似污染源。
　　3 结果与分析
　　3.1 水质评价
　　3.1.1 单因子指数 利用单因子指数对16个监测断面枯水期、平水期和丰水期的COD、NH3-N、TP进行水质评价，判断抱书河水质总体污染情况。
　　3.1.1.1 枯水期 从图2可以看出，枯水期COD、NH3-N、TP指标以劣V类为主，占比分别为50%、75%、25%，上游东、西撇洪沟水质较差，其中西撇洪沟COD、NH3-N、TP污染较严重，7号断面NH3-N、TP污染异常严重与枯水期西撇洪沟断流有关，水质总体上游劣于下游。
　　3.1.1.2 平水期 从图3可以看出，COD、NH3-N、TP指标劣V类断面占比分别为100%、75%、93.75%，水质较枯水期更加恶化，COD、TP超标严重，上游东、西撇洪沟段仍为污染严重段。
　　3.1.1.3 丰水期 从图4可以看出，COD、NH3-N、TP指标劣V类断面占比分别为93.75%、75%、87.5%，较平水期COD、TP超标情况有所好转，可能与夏季流量增大有关，但总体水质仍不容乐观。
　　由枯水期、平水期和丰水期水质单因子指数可以看出，抱书河污染特征如下：上游污染较下游严重，平水期和丰水期污染较枯水期严重，造成此特征的原因主要与上游居民生活污水排放有关。
　　3.1.2 综合污染指数 根据综合污染指数评价分级，计算得综合污染指数评价结果（图5）。从图5可以看出，抱书河枯水期、平水期、丰水期重度污染及以上断面占比分别为56.25、100%、100%，枯水期水质总体优于平水期和丰水期，且上游水质劣于下游。主要原因是上游雨污混排使平水期、丰水期进入河道的污染物增加，枯水期由于降水量和居民用水量小进入河道的污染物随之减小，因此水质略好，但总体水质仍污染严重。
　　3.2 主成分分析 使用SPSS对水质指标进行主成分分析，通过KMO和Bartlett球性检验[12]，结果表明，KMO=0.643>0.5，Bartlett球性检验显著性接近于0，说明数据适合因子分析（表1）。由图6可知，各标准化水质指标因子提取率均超过50%，说明各变量信息大部分均得到了利用，保证了分析结果的有效性。由表2可知，各水质指标的特征值及方差贡献率，分析结果提取2个特征值大于1的公因子，累计方差贡献率为80.97%。因子1由NH3-N、TP、电导率构成，旋转后的因子载荷分别为0.902、0.909、0.811，贡献率为46.31%，与氮磷污染相关，可以看作上游生活污水排放的点源营养污染;因子2由DO、pH构成旋转后因子载荷为0.83、0.909，贡献率为34.66%，这可能与水生生物相关。
　　4 结论与讨论
　　对抱书河水质进行枯水期、平水期、丰水期监测，结果表明，枯水期的水质总体上优于平水期和丰水期。根据单因子指数和综合污染指数评价发现，枯水期COD超标断面占比为50%，NH3-N为75%，TP为25%，平水期分别为100%、75%、100%，丰水期为81.25%、62.5%、75%，总体水质属于Ⅴ类和劣Ⅴ类水。综合污染指数评价结果表明，枯水期监测断面轻度污染占比6.25%、中度污染占比43.75%、重度污染占比43.75%、严重污染占比6.25%，平水期监测断面重度污染占比43.75%、严重污染占比56.25%，丰水期监测断面重度污染占比31.25%、严重污染占比68.75%。出现上述现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，降水量增加将沿岸和西撇洪沟断流时期淤积的污染物冲刷入河，导致河流水量增大反而水质较差。
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　　（责编：张宏民）
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