方宇媛，徐正韻，謝海賓，石夢琴，李迎澳，李天貴

（池州學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，安徽池州247000）

由于人類的生活和生產(chǎn)活動，大量的生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)廢水以及各種廢棄物直接流入水體，水體所能承受污染物的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流入水體的污染物量，導(dǎo)致地表水水質(zhì)惡化，污染范圍擴大，水環(huán)境問題更加突出，水資源逐漸減少[1-2]。因此，了解地表水污染情況，分析流域主要污染物，對于控制流域主要污染物排入水體，改善水質(zhì)狀況而言尤為重要[3-4]。

針對河流水質(zhì)污染狀況，國內(nèi)學(xué)者開展了較多的研究。徐袈檬[5]等利用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法等方法研究了北方典型城市地區(qū)的地表水和地下水水質(zhì)污染情況；張瑩瑩[6]利用水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法和主成分分析法開展敖江流域水質(zhì)污染及變化趨勢。裴培[7]利用有機污染指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)法評價了渤海海域的水體污染現(xiàn)狀和富營養(yǎng)化水平。付寧[8]等以蘭州市地表水為研究對象，采用水質(zhì)模糊綜合評價法分析其水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及變化趨勢。王竹[9]等采用綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、單因子指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法及主成分分析法對海河流域灤河下游段水質(zhì)進行評價，結(jié)果顯示不同的評價方法評價結(jié)果不完全一致，其中采用單因子指數(shù)法和主成分分析法相結(jié)合的綜合評價方法不僅在計算過程中簡潔方便，同時能夠滿足流域水質(zhì)評價的要求。

綜合國內(nèi)水質(zhì)評價的相關(guān)研究結(jié)果可知，目前并無普適性的水質(zhì)評價方法。本文選用被廣泛應(yīng)用的單因子指數(shù)法和主成分分析法，針對池州市境內(nèi)的青通河開展水環(huán)境質(zhì)量評價，探討青通河流域的主要水質(zhì)污染因子。研究結(jié)論可以為青通河的治理和規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

青通河屬于大通河支流，發(fā)源于九華山東麓的岔泉嶺，主干長41km，控制面積388.7km2。根據(jù)《池州市水功能區(qū)劃》，青通河從牛橋水庫至蓉城鎮(zhèn)河段屬于保留區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅱ類，青通河從蓉城鎮(zhèn)至入江口河段屬于開發(fā)利用區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類。

青通河河口設(shè)有國家水質(zhì)控制斷面，斷面考核目標(biāo)水質(zhì)為Ⅱ類。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 單因子指數(shù)法及超標(biāo)倍數(shù)法 利用公式（1）計算各水質(zhì)指標(biāo)的單因子指數(shù)，當(dāng)單因子指數(shù)大于1時，代表該水質(zhì)指標(biāo)超過了評價標(biāo)準(zhǔn)。單因子指數(shù)法可以直觀的看出各水質(zhì)指標(biāo)濃度與評價質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，而被廣泛應(yīng)用[10-13]。其計算公式如下：

其中，Pi——第i項污染物的單因子評價指數(shù)；

Ci——第i項污染物的平均濃度，mg/L;

Si——第i項污染物的評價指標(biāo)值，mg/L

超標(biāo)倍數(shù)法主要用于評價水質(zhì)污染的程度和主要污染物的確定，其計算公式見下式：

2.1.2 主成分分析法 主成分分析是將具有一定相關(guān)性的原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)方法重新組合并設(shè)法從眾多具有一定相關(guān)性的原始變量中導(dǎo)出少數(shù)互相無關(guān)的綜合指標(biāo)的分析方法，這些綜合指標(biāo)可以盡可能多地保留原始變量的信息[14-16]。

2.2 研究數(shù)據(jù)

2017-2018年，池州市環(huán)境監(jiān)測站對青通河河口斷面進行例行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每月取樣分析一次。選用例行監(jiān)測數(shù)據(jù)中的CODCr、CODMn、NH3-N和TP共4項具有代表性的指標(biāo)進行研究。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 單因子指數(shù)法評價結(jié)果

2017年水質(zhì)單因子指數(shù)評價結(jié)果表明（圖1），除6月份外，所有月份水質(zhì)指標(biāo)均可達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2002規(guī)定的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。通過超標(biāo)倍數(shù)計算（表1），6月份中，主要的超標(biāo)因子是CODCr，超標(biāo)倍數(shù)為0.27倍。

圖1 2017年青通河河口水質(zhì)單因子指數(shù)變化趨勢圖

表1 青通河2017年超標(biāo)因子、超標(biāo)倍數(shù)和現(xiàn)狀水質(zhì)

2018年，青通河水質(zhì)出現(xiàn)了顯著下降的趨勢（圖 2），CODCr、CODMn、NH3-N 和 TP四項指標(biāo)在2018年的不同月份均出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)。超標(biāo)倍數(shù)計算結(jié)果表明（表2），超標(biāo)倍數(shù)最大的三項指標(biāo)為 CODCr、CODMn和 NH3-N，分別為 2.20 倍、1.48倍和0.70倍，為該斷面的主要污染物。

圖2 2018年青通河河口水質(zhì)單因子指數(shù)變化趨勢圖

表2 青通河2018年超標(biāo)因子、超標(biāo)倍數(shù)和水質(zhì)現(xiàn)狀

3.2 青通河水質(zhì)主成分分析

為了能夠與根據(jù)單因子指數(shù)分析結(jié)果進行對比分析，選取的分析指標(biāo)為 CODCr、CODMn、NH3-N和TP。

利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對這些數(shù)據(jù)進行主成分分析，經(jīng)軟件計算得出2017年的水質(zhì)指標(biāo)的主成分及特征值如表3所示。分析數(shù)據(jù)顯示，青通河河口斷面水質(zhì)指標(biāo)的第1和第2主成分的特征值均大于1，且第1和第2主成分的累計貢獻率達70.733%。因此，通過前2個主成分可以總體上反映出水質(zhì)數(shù)據(jù)信息，可以利用前2個主成分評價2017年青通河水質(zhì)。選擇主成分1和2，計算4種水質(zhì)指標(biāo)與之所對應(yīng)的載荷系數(shù)形成主成分得分，結(jié)果如表4所示。將4種指標(biāo)的各個主成分得分與相應(yīng)的方差貢獻率相乘，然后將各指標(biāo)的得分相加得到各個指標(biāo)主成分綜合得分，并對結(jié)果進行從大到小的排序。如表5所示。

由前文的分析可知，2017年影響青通河水環(huán)境因子分為2類：主成分1貢獻率為41.836%；主成分2貢獻率為28.897%；影響水環(huán)境的各因子主成分綜合得分按從大到小的順序排列為CODCr、CODMn、TP和NH3-N?？梢?，2017年青通河河口斷面水質(zhì)主成分分析的結(jié)果與前面的單因子指數(shù)分析結(jié)果一致。

表3 2017年水質(zhì)指標(biāo)主成分及特征值

表4 2017年各水質(zhì)指標(biāo)與主成分得分

表5 2017年各水質(zhì)因子得分及排序

利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對這些數(shù)據(jù)進行主成分分析，得出2018年的水質(zhì)指標(biāo)的主成分及特征值，見表6。結(jié)果表明，青通河的第1和第2主成分的特征值均大于1，且第1和第2主成分的累計貢獻率達88.554%。因此，可以選擇前2個主成分評價2018年青通河水質(zhì)。選擇主成分1和2，計算4種水質(zhì)指標(biāo)與之所對應(yīng)的載荷系數(shù)形成的主成分得分，見表7。將4種指標(biāo)的主成分1和主成分2的得分與相應(yīng)的方差貢獻率相乘，并將其乘積相加得到各個指標(biāo)的主成分綜合得分，并對結(jié)果進行從大到小的排序，結(jié)果見表8。

表6 2018年水質(zhì)指標(biāo)主成分及特征值

表7 2018年各水質(zhì)指標(biāo)與主成分的得分

表8 2018年各水質(zhì)因子得分及排序

從前面的分析結(jié)果可知，2018年影響青通河水環(huán)境因子分為2類：主成分1貢獻率為58.017%；主成分2貢獻率為30.537%；影響2018年青通河河口斷面水環(huán)境的各因子主成分綜合得分按從大到小排列為 CODMn、CODCr、NH3-N和TP。該結(jié)果與單因子指數(shù)分析的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

利用斷面例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用單因子指數(shù)法分析了青通河河口斷面水質(zhì)現(xiàn)狀，并利用主成分分析法分析斷面的主要水污染因子，得出了2017年和2018年青通河的總體污染情況。研究結(jié)果表明，2017年青通河河口斷面水質(zhì)總體較好，但2018年出現(xiàn)了明顯下降趨勢，2018年1月-5月，分別有不同水質(zhì)指標(biāo)出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)。2018年6-8月水質(zhì)總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，但進入9月份后，水質(zhì)又出現(xiàn)惡化趨勢。主成分分析結(jié)果表明，2018年青通河河口斷面主要水質(zhì)污染因子為CODMn、CODCr，表明河流受有機物污染較嚴(yán)重。