潘寶 王曉輝 王秀 周春財 劉桂建

摘要 在南淝河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過聚類分析，對其主要水環(huán)境污染物的空間分布特征進行了剖析，然后采用因子分析法提取影響因子，鑒別污染源并采用絕對主成分多元線性回歸分析法計算各影響因子的污染貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，南淝河整體污染較為嚴(yán)重，通過聚類分析可將南淝河大致分為A、B、C 3類，其中，A類83.32%的污染來源于點源營養(yǎng)物質(zhì)和點源有機物；B類70.16%來源于點源營養(yǎng)物質(zhì)和點源有機物；C類71.63%的污染來源于農(nóng)業(yè)面源的農(nóng)業(yè)營養(yǎng)物質(zhì)和生物化學(xué)的影響。

關(guān)鍵詞 水環(huán)境污染物；聚類分析；因子分析法；絕對主成分多元線性回歸分析法；南淝河

中圖分類號 X522 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）13-0041-03

Spatial Distribution Characteristics and Pollution Source Analysis of the Main Pollutants in Nanfei River

PAN Bao1，WANG Xiao-hui1，2，WANG Xiu1 et al

（1.School of Resource and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009； 2.School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei，Anhui 230026）

Abstract Based on the survey data of Nanfei River and cluster analysis，the spatial distribution characteristics of the main water pollutants were analyzed，and then，factor analysis method was used to extract factors to identify pollution sources and the absolute principal component analysis method to determine the impact of various factors on the contribution rate index of multivariate linear regression.The results showed that the Nanfei River pollution was very serious，the surface water can be divided into A，B，C three kinds by clustering analysis，among which 83.32% source of pollution of A was from point organic complex and nutrients； while 70.16% source of pollution of B was from point organic complex and nutrients； while 71.63% of C constitute of agricultural nutrients and biological effects of chemistry from the agricultural non-point source.

Key words Water environmental pollutants；CA；FA；APCS-MLR；Nanfei River

南淝河古稱施水，是巢湖水系的支流，被稱為合肥市的“母親河”。隨著合肥市發(fā)展進程的加快，大量工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活污水不斷排放到南淝河流域，造成南淝河水質(zhì)惡劣，已經(jīng)成為名副其實的納污河[1]。同時，由于南淝河流域上游水庫的攔蓄，改變了河流原有的水文過程，南淝河目前已經(jīng)演化成典型的缺乏生態(tài)基流的河流，而污水處理廠尾水的再生水成為干流河道的重要補給水源，尤其在城區(qū)段，污水廠尾水已成為主要的補給水源。目前，國內(nèi)研究主要集中于南淝河污染現(xiàn)狀及其污染評價[2-3]，而利用多元統(tǒng)計技術(shù)對水環(huán)境污染物的空間分布特征、識別重點污染控制區(qū)域和污染來源方面，尤其是精度解析南淝河流域污染來源及其貢獻(xiàn)份額方面的研究甚少。筆者通過全面調(diào)查分析南淝河水系現(xiàn)狀，對南淝河主要水環(huán)境污染物的基本特征進行分析，在聚類分析的基礎(chǔ)上對主要水環(huán)境污染物的空間分布特征進行了剖析，最后采用因子分析法提取影響因子，鑒別污染源并采用絕對主成分多元線性回歸分析計算各影響因子的污染貢獻(xiàn)率，以期為科學(xué)地管理南淝河流域的水質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況 南淝河是巢湖水系的支流，流經(jīng)合肥市“五區(qū)二縣”，主干河道全長71 km，流域總面積1 464 km2，共有8條支流。該研究區(qū)域包括南淝河從董鋪水庫到匯入巢湖段的干流及支流，該區(qū)域內(nèi)南淝河流域土地利用多樣、人地矛盾突出、經(jīng)濟活動強度大、人口密度大，水體污染嚴(yán)重。

1.2 采樣點設(shè)置 根據(jù)地形圖和遙感圖像，確定考察路線，工作點和采樣點主要為支流匯入處、城鄉(xiāng)交界處和水文條件有明顯改變的地區(qū)，共選取了29個采樣點，采樣點位置見圖1。

1.3 指標(biāo)測定 水樣采集帶回后用0.45 μm微孔濾膜過濾并加酸固定，分別測定化學(xué)需氧量（COD）、5 d生化需氧量（BOD5）、溶解氮（DO）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）及總磷（TP）含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理 采用層次聚類分析、因子分析和絕對主成分多元線性回歸分析法[4]對數(shù)據(jù)進行處理。為了消除量綱的影響，在進行聚類分析和因子分析前，對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，應(yīng)用巴特萊檢驗（KMO）和Bartlett 球形方法對標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關(guān)矩陣檢驗，以期

符合因子分析要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境污染物的空間分布

2.1.1 基本特征。由表1可知，南淝河水環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重。TN、NH3-N、TP、DO、COD含量均值分別為15.15、6.89、1.72、4.73、60.53 mg/L，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）可知，TN含量為Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的7.6倍，NH3-N含量為其3.4倍，TP濃度為其4.3倍，DO含量則屬于 Ⅳ 類水質(zhì)，COD含量則為 Ⅴ 類水標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍。

2.1.2 聚類分析結(jié)果。根據(jù)聚類分析結(jié)果（圖2），將全部采樣點分為以下3 類：

A類：包括6長豐路橋、7亳州路橋、8板橋河與南淝河交口、9沿河路板橋河段、10嘉山路與北二環(huán)排污口、11板橋河排污口、12天水路與板橋河交口、13交通廳橋、14銅陵路大橋、15孫新莊、16關(guān)鎮(zhèn)河與南淝河交口、19二十埠河與南淝河交口，主要分布在長豐路橋到二十埠河與南淝河交口段，基本處于南淝河干流的中游段及支流板橋河上，補給來源是非常規(guī)河流。

B類：包括4北二環(huán)與四里河交口、5四里河排污口、20華東國際城、21新安江路與二十埠河交口、22朱磚井排污口、23包公大道、26南院、27包公大道和店埠河交口，主要分布在四里河、二十埠河及店埠河三大支流。

C類：包括1環(huán)湖東路橋、2合作化路橋、3四里河與南淝河交口、17南淝河與關(guān)鎮(zhèn)河交口、18關(guān)鎮(zhèn)河排污口、24環(huán)圩東路與磨余路交口、25店埠河與南淝河交口、28長樂河河口、29濱湖明珠碼頭，主要分布在南淝河干流的下游段及支流關(guān)鎮(zhèn)河和長樂河。

A類水體的采樣點主要分布于南淝河干流的中游段及支流板橋河，污水排出后未受到自然水體的稀釋作用且自凈作用較弱，污染最為嚴(yán)重；B類水體主要分布于四里河、二十埠河及店埠河三大支流；C類水體大多位于排污河流的下游和支流關(guān)鎮(zhèn)河和長樂河，由于污染源頭的減少和沿途的自凈作用，污染程度相對最輕。

2.1.3 主要水環(huán)境污染物差異性分析。A類與B類由于主要受到非常規(guī)補給源的影響，水環(huán)境污染物含量與C類差異較明顯（圖3）。其中，A類NH3-N和TN含量平均值最高，且有極高值出現(xiàn)，C類則NH3-N及TN含量均值及變異性較小，NH3-N及TN分布有極強烈的空間差異，表明點源排放是造成氮污染的主要原因[5]；TP的空間差異性相對較小，表明水體可能受點源污染的影響較?。籆OD代表著水體受還原性物質(zhì)的污染。A類及B類水體處于厭氧環(huán)境狀態(tài)，水體惡臭，還原性物質(zhì)難以得到有效的降解。

2.2 水環(huán)境污染物的識別與貢獻(xiàn)率的計算

2.2.1 水體污染源識別。分別對A、B、C類分布進行因子分析，結(jié)果見表2。

根據(jù)特征因子大于1的原則，A類可以提取2個特征值大于1的因子，積累貢獻(xiàn)率達(dá)到83.32%，因子1主要由COD、BOD5 2個指標(biāo)組成，由于因子1主要與化學(xué)、生物需氧量相關(guān)，主要源于有機物，因此因子1可能主要代表與有機物相關(guān)的因素對地表水體的影響，這部分因素占水質(zhì)因素的45.55%；因子2主要由TN、NH3-N、TP指標(biāo)組成，A類所在區(qū)域為合肥城區(qū)主要的人口聚集區(qū)，人口密度大，人類活動密集，由此推測該主成分可能來自于點源的生活污水和工業(yè)廢水的影響[6]，這部分占比37.77%。

B類共提取了2個公因子，貢獻(xiàn)率達(dá)到70.16%，因子1主要由TN、NH3-N、TP 指標(biāo)組成，B類所在區(qū)域分布著化工、電鍍及鑄造公司等各類型企業(yè)，在生產(chǎn)過程中會向河流中排放大量的氮和磷[7]，因子1大致受到工業(yè)廢水的影響，這部分因素占水質(zhì)因素的43.68%；因子2主要由COD組成，因子2可能受規(guī)?；B(yǎng)殖區(qū)的生活污水影響，這部分因素占水質(zhì)因素的26.48%。

C類共提取了2個公因子，貢獻(xiàn)率達(dá)到71.63%，因子1主要由TN、NH3-N、TP組成，該區(qū)農(nóng)業(yè)活動頻繁，因此因子1可能主要是農(nóng)業(yè)營養(yǎng)物質(zhì)對地表水體的影響，這部分因素占比48.20%；因子2主要由pH、DO組成，應(yīng)該是河段內(nèi)生物化學(xué)因素的影響，這部分因素占水質(zhì)因素的23.43%。

2.2.2 污染源的貢獻(xiàn)率計算。利用APCS-MLR計算污染源貢獻(xiàn)率[8]，結(jié)果見表3。由表3可知，A類地表水體的污染主要來源于點源營養(yǎng)物質(zhì)和點源有機物，點源營養(yǎng)物質(zhì)主要影響TN、NH3-N、TP、COD，貢獻(xiàn)率分別為68.9%、72.5%、78.7%、58.0%；點源有機物主要影響B(tài)OD5、COD，污染貢獻(xiàn)率分別為55.3%、75.4%；B類地表水體的污染主要來源于點源營養(yǎng)物質(zhì)和點源有機物，點源營養(yǎng)物質(zhì)主要影響TN、TP、NH3-N，貢獻(xiàn)率分別為66.4%、74.3%、72.6%；有機物點源污染主要影響COD，影響貢獻(xiàn)率為84.6%；C類地表水體的污染主要來源于農(nóng)業(yè)營養(yǎng)物面源污染和生物化學(xué)過程，農(nóng)業(yè)營養(yǎng)物面源污染主要影響TN、NH3-N、TP，定量化的污染貢獻(xiàn)率分別為69.5%、63.9%、78.9%；生物化學(xué)過程對pH、BOD5的影響貢獻(xiàn)率為88.4%、76.1%。

3 結(jié)論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

（1）南淝河整體上污染比較嚴(yán)重，大多數(shù)采樣點屬于劣V類。

（2）聚類分析結(jié)果，可將南淝河水體大致分為3個類別：A類水體采樣點分布于南淝河干流的中游段及支流板橋河上，NH3-N及TN污染最為嚴(yán)重；B類水體分布在在四里河、二十埠河及店埠河三大支流，COD污染較嚴(yán)重；C類水體大多位于排污河流的下游和支流長樂河上，由于污染源頭的減少和沿途的自凈作用，污染情況相對最輕。

（3）A類地表水體的污染主要來源于點源營養(yǎng)物質(zhì)和點源有機物；B類地表水體的污染主要來源于點源營養(yǎng)物質(zhì)和點源有機物；C類地表水體的污染主要來源于農(nóng)業(yè)面源營養(yǎng)物和生物化學(xué)過程。

（4）今后要根據(jù)不同河段的具體情況改善南淝河的水質(zhì)，在A類和B類地區(qū)建立更多的污水處理廠，減少污水的直接排放，加強流域內(nèi)或跨流域調(diào)水，保證其有一定的生態(tài)用水；對C類地區(qū)則需要采取最佳管理措施，以減少非點源污染。同時，要加強流域內(nèi)河道生態(tài)綜合整治。

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