常越亞 謝圓

摘要：于2017年3月、8月和11月，每月月初對綿竹市兩條典型河流（綿遠河與馬尾河）5個監(jiān)測斷面表層水樣進行采集，選取8個水質(zhì)指標進行因子特征分析，并采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和主成分分析法對河流水質(zhì)進行評價。兩條河流水體呈弱堿性。單因子評價法表明，總磷（TP）為兩條河流水質(zhì)的主要限制因子。綜合污染指數(shù)法表明，除馬尾河中間斷面外，其他水質(zhì)狀況均為輕度污染，且枯水期水質(zhì)最差。主要污染因子為氨氮（NH3-N）、TP和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。主成分分析表明，斷面水質(zhì)主要受砷（As）、溶解氧（DO）、CODMn、氟離子（F-）、TP和NH3-N等多個因子影響，出境斷面水質(zhì)優(yōu)于中間斷面。3種方法結(jié)合定性和定量評價，評價結(jié)論不一致，所以應(yīng)用多種方法來評價水質(zhì)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：綿竹市;典型河流;水質(zhì)評價;單因子評價法;綜合污染指數(shù)法;主成分分析法

中國分類號：X824 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）01-00-04

Abstract： Water samples were collected in two typical rivers （Mianyuan River and Mawei River） of Mianzhu city in March，August，November of 2017 respectively.Factor characteristics analysis were performed using pH，dissolved oxygen （DO），ammonia nitrogen （NH3-N），total phosphorus （TP），permanganate index （CODMn），Arsenic （As）， oil （TPH） and fluorine ions （F-） as the physicochemical factors.Single-factor assessment method，comprehensive pollution index method and principal component analysis method were applied to evaluate the water quality of the rivers.The water body presented weak alkalinity.The single-factor assessment indicated that the first restrictive factors of water quality was TP.The results of comprehensive pollution index assessment showed that the water quality was in a mild pollution condition except for one sample section of Mawei River，with worse water quality in dry season period than in other two periods.NH3-N， TP and CODMn were the main pollution factors.The principal component analysis method showed that indexes such as As、DO、CODMn、F-、TP and NH3-N greatly influenced the water quality of the rivers.The outbound section water quality was better than intermediate section.The three methods were a combination of qualitative and quantitative evaluation.The results of each method were not identical with each other.So it is very important to work on water quality assessment using various methods.

Key words：Mianzhu city，Typical river;Water quality assessment;Single-factor assessment method;Comprehensive pollution index method;Principal component analysis method

水環(huán)境質(zhì)量評價是環(huán)境管理與決策的重要依據(jù)。隨著工業(yè)化和人口的快速增長，發(fā)展中國家的地表水質(zhì)整體呈下降趨勢[1]。綿竹作為旅游發(fā)展城市，其廢水產(chǎn)生量相對較低，據(jù)統(tǒng)計，綿竹市2016年共計排放廢水2711萬t，其中工業(yè)源1058萬t，生活源1653萬t，其中，馬尾河與綿遠河是綿竹市兩條主河流[2]。由于地表水環(huán)境易受人類活動影響，它們的水質(zhì)評價對綿竹發(fā)展全域旅游，提高環(huán)境質(zhì)量有著重要作用。目前，關(guān)于水環(huán)境質(zhì)量評價的方法有多種，主要有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法等[3]，這些方法各有優(yōu)缺點，至今仍無統(tǒng)一和公認的評價方式。因此，采用多種評價方法，多角度結(jié)合定量和定性，對綿竹兩條河流進行水質(zhì)的全面評價及變化趨勢研究具有一定的理論和研究意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

樣品采集分別于2017年3月（枯水期）、8月（豐水期）和11月（平水期）月初完成，共設(shè)有5個監(jiān)測斷面（見圖1），包括綿遠河的漢旺絕緣橋（S1）、紅巖寺（S2）、馬尾河的馬尾河北橋（S3）、馬尾河南橋（S4）、馬尾河觀魚大橋（S5）。每個監(jiān)測斷面設(shè)1條垂線，分別采集表層（0.5 m）水樣。各監(jiān)測斷面性質(zhì)如表1所示。

1.2 測定方法

每次采樣共監(jiān)測8個指標：pH、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、氟化物、總磷、溶解氧、砷、石油類。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[4]測定，其中，pH用HANNA HI98129型pH計測量，溶解氧（DO）采用HACH HQ30D溶氧儀測定;高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）采用酸性法測定;氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法測定;總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法測定;氟化物（F-1）采用氟試劑分光光度法測定;砷（As）采用原子熒光法測定;石油類（TPH）采用重量法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與評價方法

利用SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析[5]。為體現(xiàn)評價方法一致性，本研究中的單因子評價法、主成分分析法和綜合污染指數(shù)法選取8個相同指標分析[3]。

1.3.1 單因子評價法

單因子評價法[6]依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類，按分類限值對各單項指標進行評價，由指標所在的限值范圍確定地表水類別，由單指標評價最差結(jié)果的類別判定。本次評價對不同斷面采用Ⅱ，Ⅲ類水質(zhì)標準的限值作為單因子法的控制標準。

1.3.2 綜合污染指數(shù)法

等權(quán)重綜合污染指數(shù)可以評價兩個河流5個斷面的相對污染程度[7]。即用6個水質(zhì)指標的實測值與其評價標準之比，作為單項污染指數(shù)（Pi）（除pH和DO外），然后通過等權(quán)重平均得到一個綜合污染指數(shù)（Pj），計算公式為：

式中： Pj為j斷面（水體）的綜合污染指數(shù);n為參加評價的污染物項數(shù);Pi為第i項污染物的污染分指數(shù); Ci為第i項污染物的年均值;Si為第i項污染物的水質(zhì)標準值，具體見《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）表1中的Ⅱ，Ⅲ類水質(zhì)標準限值。

其中，DO綜合污染指數(shù)Pi計算方法[8]為：

式中：CDO.f為對應(yīng)溫度下的飽和溶解氧濃度;CDO為DO的實測濃度值;Si.DO為與水體功能類別對應(yīng)的溶解氧濃度限值。

其中，pH綜合污染指數(shù)Pi計算方法[8]為：

式中：pHi為pH的實測濃度值;pHsd為評價標準中pH的下限值;pHsu為評價標準中pH的上限值。

綜合污染指數(shù)對應(yīng)的水質(zhì)分級如下：P≤0.20，清潔; 0.20

1.3.3 主成分分析法

主成分分析是通過全面分析8項指標，篩選出比原始指標少，但卻可以解釋主要原因的綜合性指標[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)因子特征

對兩條河流5個斷面豐水期、平水期和枯水期水質(zhì)的8項指標平均值并作標準偏差進行分析，結(jié)果如圖2所示。

2.1.1 理化和營養(yǎng)鹽指標

由圖2可知，各采樣斷面pH值范圍為7.57～7.77，呈弱堿性，總體表現(xiàn)為豐水期>平水期>枯水期。ρ（NH3-N）全年在0.176～0.527 mg·L-1范圍之間，S1和S3均低于0.5mg·L-1（Ⅱ類水質(zhì)標準限值），S2、S4和S5均低于1.0 mg·L-1（Ⅲ類水質(zhì)標準限值），整體趨勢為平水期>豐水期>枯水期。ρ（F-1）全年平均值均低于1.0 mg·L-1 （Ⅱ類水質(zhì)標準限值），變化范圍為0.235～0.613 mg·L-1，綿遠河斷面總體表現(xiàn)為平水期>豐水期>枯水期，馬尾河則為豐水期>枯水期>平水期。ρ（TP）全年變化范圍為0.09-0.297 mg·L-1，馬尾河各斷面均高于0.2 mg·L-1 （Ⅲ類水質(zhì)標準限值），綿遠河各斷面均低于0.1 mg·L-1 （Ⅱ類水質(zhì)標準限值），總體表現(xiàn)為枯水期>豐水期>平水期。ρ（As）各斷面全年平均值范圍為0.014-0.018 mg·L-1，均低于0.05 mg·L-1（Ⅱ類水質(zhì)標準限值），總體表現(xiàn)為平水期>枯水期>豐水期。

就TP和NH3-N而言，馬尾河各斷面不同水期之間差異較綿遠河顯著，就F-1而言，綿遠河各斷面不同水期之間差異較馬尾河顯著。

2.1.2 有機污染指標

各采樣斷面ρ（DO）平均值范圍為6.41～6.89 mg·L-1，均高于6.0 mg·L-1（Ⅱ類水質(zhì)標準限值），總體表現(xiàn)為豐水期>枯水期>平水期。ρ（CODMn）平均值均低于6.0 mg·L-1 （Ⅲ類水質(zhì)標準限值）。ρ（TPH）平均值變化范圍在0.02～0.023 mg·L-1，均低于0.05 mg·L-1（Ⅱ類水質(zhì)標準限值）。

2.2 單因子評價結(jié)果

總體來說，綿遠河和馬尾河水體呈弱堿性，各采樣斷面在枯水期TP濃度均超標，TP濃度整體上呈枯水期>豐水期>平水期。馬尾河TP超標嚴重，這可能與馬尾河流經(jīng)主城區(qū)有關(guān)[10]。

從3個不同水期的水質(zhì)評價結(jié)果來看，ρ（CODMn）和ρ（TP）在各采樣斷面均存在超標現(xiàn)象。S3和S4斷面枯水期CODMn濃度分別為7.4 mg·L-1和7.32 mg·L-1，遠大于對應(yīng)標準的4 mg·L-1和6 mg·L-1，總體上呈枯水期>平水期>豐水期。枯水期水質(zhì)相對最差，這與Yeoman等[11]的研究結(jié)果基本相符。

2.3 綜合污染指數(shù)評價結(jié)果

采用綜合污染指數(shù)法對5個采樣斷面全年及不同水期進行分析，結(jié)果見表2。由表2可知，從全年的綜合污染指數(shù)判斷，綿遠河斷面水質(zhì)級別均為輕度污染（0.454～0.539），馬尾河S3斷面在枯水期為重度污染（1.057），豐水期為中度污染（0.841），其余斷面水質(zhì)級別為輕度污染（0.471～0.600）。綿遠河入境斷面的污染程度相對較高，出境斷面污染程度較低，馬尾河出境斷面污染程度也較低，但是市中心區(qū)域斷面S3和S4的污染程度相對較高。

從不同水期來看，枯水期、豐水期和平水期的綜合污染指數(shù)范圍分別為0.486～1.057，0.311～0.843和0.489～0.604，其中平水期各斷面綜合污染指數(shù)均低于0.7，為輕度污染，枯水期40%斷面綜合污染指數(shù)高于0.7，豐水期20%斷面綜合污染指數(shù)高于0.7，可見水環(huán)境質(zhì)量整體上呈現(xiàn)平水期優(yōu)于豐水期優(yōu)于枯水期。這可能是由于枯水期水量小，水環(huán)境容量低，自凈能力較差，水體的更替速度慢而使匯入的污染物不能及時被稀釋，從而水質(zhì)最差[12-13]。而豐水期盡管水環(huán)境容量大，但面源污染加重，點面源污染的共同作用致使其水質(zhì)也較差。

8項指標因子的污染分擔率見圖3。TP的污染分擔率明顯高于其他指標，在12.40%～37.68%之間。CODMn污染分擔率次之，在11.91%～16.75%之間。這間接說明，馬尾河和綿遠河的主要污染貢獻者為磷素和有機物，這可能與當?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征與分布（磷礦開采）有關(guān)。

NH3-N的污染分擔率在4.85%～14.18%，相對TP的污染分擔率較低。F-1的污染分擔率在3.84%～16.90%之間，TPH污染分擔率在5.95%～11.02%之間，As的污染分擔率在4.07%～8.63%之間。其中，As作為化學(xué)致癌物[9]，可經(jīng)飲水途徑對人體健康造成危害，需要嚴格防控。

2.4 主成分分析評價結(jié)果

利用SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)作標準化處理，并進行主成分分析。用最大方差法進行因子旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后提取的因子載荷量見表3。按照特征值大于1的原則選取前三個成分進行分析，主成分1、2和3的累積貢獻率達到93.998%。主成分1攜帶的信息最多，占39.692%，與其相關(guān)聯(lián)的主要因子是As、DO、CODMn、F-、TP和NH3-N，載荷量絕對值分別為0.981、0.869、0.688、0.666、0.59和0.43，反映河流的水質(zhì)受多因素綜合影響[14];與主成分2相關(guān)聯(lián)的主要因子是TPH、NH3-N和TP，對應(yīng)的載荷量分別為0.843、0.836和0.835，該主成分在主成分1的基礎(chǔ)上進一步反映水體受到有機污染物的影響;與主成分3相關(guān)聯(lián)的主要因子是pH和CODMn，反映了水體pH和無機污染物有關(guān)系。

由成分得分系數(shù)矩陣等相關(guān)公式，計算得出5個監(jiān)測斷面的主成分得分（表4），可以定量描述各斷面的水質(zhì)污染程度。綜合得分越高，水質(zhì)越差[15]。由評價結(jié)果可知，馬尾河通過城市后控制斷面S4水質(zhì)最差，這主要可能是由于馬尾河流經(jīng)綿竹主城區(qū)，受工業(yè)污染與生活污染影響較大。S1斷面水質(zhì)也較差，這可能是由于綿遠河市控斷面也距離生活區(qū)較近所致。S3斷面水質(zhì)相對優(yōu)于S4，且對每條河流而言，出境斷面水質(zhì)優(yōu)于入境斷面，這主要是由于經(jīng)過水體自凈作用，出境水質(zhì)變優(yōu)。

2.5 三種方法的對比

綜上，單因子評價法可以直接對河流斷面水質(zhì)進行定性評價，判定各斷面的水質(zhì)級別，但是不能對同一級別水質(zhì)斷面進行更詳細的區(qū)分。綜合污染指數(shù)法和主成分分析法的計算方法相對復(fù)雜，能夠?qū)λ|(zhì)進行定量判斷，并對各斷面水質(zhì)進行排序，卻不可以對各斷面水質(zhì)進行級別劃分。

綜合污染指數(shù)法和主成分分析法，均能清楚地反映河流某斷面的污染程度。其中，綜合污染指數(shù)法得出了TP、NH3-N和CODMn對水質(zhì)影響較大的結(jié)論，而主成分分析法篩選出了As、DO、CODMn、F-、TP和NH3-N等多個因子的綜合作用。造成污染因子差異的原因在于因子權(quán)重，綜合污染指數(shù)法采用了均權(quán)處理沒有考慮因子權(quán)重，主成分分析法則是利用方差累計貢獻率作為因子權(quán)重進行計算的。

這3種評價方法各有優(yōu)缺點，能夠從不同角度反映各斷面水質(zhì)狀況。所以，運用多種評價方法能全面地反映某流域水質(zhì)狀況與污染特征。

3 結(jié)論

綿遠河和馬尾河水體呈弱堿性，TP為主要超標污染物，其次是CODMn，枯水期水質(zhì)相對最差。

兩條河流5個斷面的全年綜合污染指數(shù)在0.454～0.841之間，綿遠河為輕度污染，馬尾河除S3斷面外，其他斷面也均為輕度污染。平水期水質(zhì)整體上優(yōu)于豐水期優(yōu)于枯水期水質(zhì)。TP、NH3-N和CODMn的污染分擔率之和在70%左右，這對兩條河流的水質(zhì)影響較大，應(yīng)引起足夠重視。

主成分分析法篩選出了As、DO、CODMn、F-、TP和NH3-N等多個因子，綜合得分表明水質(zhì)最好的是馬尾河出境斷面，水質(zhì)最差的為馬尾河通過城市后的控制斷面。

單因子評價法采取的是最差指標比對定性法，綜合污染指數(shù)法和主成分分析法則是采用定量分析法。三種評價方法得出的結(jié)論不一致，但是采用定量和定性的不同方式可以更全面的分析水質(zhì)及其污染特征。

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收稿日期：2019-12-02

項目信息：該項目由綿竹市PPP項目支持完成

作者簡介：常越亞，博士，研究方向為突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案、場地調(diào)查、危險廢物鑒別、排污許可證申領(lǐng)與核發(fā)、環(huán)保管家等項目。