滕云梅，李傳章，尹娟

（1.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣西 南寧 530028；2.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣西 南寧 530007；3.廣西財經(jīng)學院 管理科學與工程學院，廣西 南寧 530007）

水體黑臭是有機污染的一種極端現(xiàn)象[1]。所謂黑臭可以從視覺感官和內(nèi)在形成機理兩個方面去解釋。視覺感官主要圍繞黑和臭，往往是受主觀因素影響較大；從內(nèi)在發(fā)生機理方面看，黑臭發(fā)生與水體有機污染、底泥污染源與底泥再懸浮并向水中釋放污染物、水溫和水動力條件變化等因素有關(guān)[1-3]。由于城市黑臭水體污染影響因素多，且各地區(qū)存在差異，需要進一步對南寧市黑臭水體污染特征開展研究，有針對性的開展整治工作，才能起到事半功倍的效果。

鑒于黑臭水體的復(fù)雜性，水質(zhì)污染指標也較多，找出水體污染主要成因可從眾多污染指標中提取綜合變量，把多個指標轉(zhuǎn)換成更能反映污染特點和本質(zhì)的綜合指標。因子分析法則是從研究變量內(nèi)部相關(guān)的依賴關(guān)系出發(fā)，把一些具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個公共因子的一種多變量統(tǒng)計分析方法，其核心是對若干綜合指標進行因子分析并提取公共因子，該方法能夠在適當減少指標的同時盡可能地降低原有指標包含的信息損失，從眾多水質(zhì)污染指標提取出少數(shù)綜合指標，并使綜合指標更具有可解釋性，在環(huán)境學、生物學等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[6]。

本文基于南寧市18 個典型黑臭河段監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用因子分析法開展南寧市黑臭水體污染評價并深入分析水體黑臭的根本原因，探究不同水體的主要污染成因，輔以綜合水質(zhì)標識指數(shù)法驗證評價結(jié)果的準確性，并針對性的提出不同黑臭河流的治理建議，為下一步黑臭水體整治提供方向和技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1 樣品采集與分析

本研究在南寧市38 個黑臭河段中，選取水質(zhì)較差的18 個典型河段作為研究對象，具體監(jiān)測河段點位詳見圖1。2020 年7 月開展水質(zhì)監(jiān)測，每個河段原則上在上、中、下游分別設(shè)置1 個監(jiān)測斷面，每個河段連續(xù)監(jiān)測3d，每天取樣一次。水質(zhì)采樣按照《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 91-2002）執(zhí)行。

圖1 黑臭河段的監(jiān)測點位分布圖Fig.1 Monitoring sites of the black and odorous urban rivers

監(jiān)測指標和分析方法如下：

水溫（K）采用水質(zhì)水溫的測定溫度計或顛倒溫度計測定法（GB13195-91）；

pH 值 采用水質(zhì)pH 值的測定玻璃電極法（GB/T 6920-1986）；

溶解氧（DO）（mg·L-1）采用水質(zhì)溶解氧的測定電化學探頭法（HJ 506-2009）；

氧化還原電位（ORP）（mV）采用氧化還原電位電極法《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）國家環(huán)境保護總局（2002 年）；

化學需氧量（CODCr）（mg·L-1）采用水質(zhì)化學需氧量的測定重鉻酸鹽法（HJ 828-2017）；

生化需氧量（BOD5）（mg·L-1）采用水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測定稀釋與接種法（HJ 505-2009）；

高錳酸鹽指數(shù)（KMnO4）（mg·L-1）采用水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的測定（GB/T 11892-1989）；

氨氮（NH3-N）（mg·L-1）采用水質(zhì)氨氮的測定納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）；

總磷（TP）（mg·L-1）采用水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893-1989）；

硫化物（mg·L-1）采用水質(zhì)硫化物的測定亞甲基藍分光光度法（GB/T 16489-1996）。

1.2 水體污染評價方法

（1）因子分析方法 用較少的相互獨立的因子變量代替原來變量的大部分信息，可以用數(shù)學模型表示（式1）。為消除不同量綱及單位的影響，對指標的原始數(shù)據(jù)進行Z 標準化處理，其中溶解氧和氧化還原電位逆向標準化處理[4]。

式中 χ1，χ2，...,χp：p 個原有變量，F(xiàn)1、F2，...Fm：m 個因子變量，m＜p，α：因子系數(shù)。

（2）綜合水質(zhì)標識指數(shù)法 以單因子水質(zhì)標識指數(shù)為基礎(chǔ)，對河流水質(zhì)進行綜合分析評價的方法。在黑臭水體污染程度分級和綜合水質(zhì)時空間變化的評價中，僅需計算綜合水質(zhì)標識指數(shù)中的綜合水質(zhì)指數(shù)（WQI）即可[5]。

式中 n：參加與綜合水質(zhì)評價指數(shù)計算的指標個數(shù)；I1，I2，…，In分別為第1，2，…，n 個水質(zhì)指標的單因子水質(zhì)指數(shù)（I）。單因子水質(zhì)指數(shù)由整數(shù)位和小數(shù)位組成：整數(shù)位表示單因子水質(zhì)指標的水質(zhì)類別；小數(shù)位代表該水質(zhì)指標在該水質(zhì)類別的水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置。綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價指標為溶解氧（DO）、化學需氧量（CODCr）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）。

1.3 數(shù)據(jù)分析和處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理和多元統(tǒng)計過程采用Microsoft Excel 2010 和IBM SPSS 20 對數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計，圖形采用Origin Pro 15 繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 因子分析結(jié)果

2.1.1 公因子確定 對上述18 個黑臭斷面的9 個水質(zhì)指標進行因子分析并進行KMO 和Bartlett 檢驗，KMO 度量值為0.674，Bartlett 球形度檢驗結(jié)果顯著（P＜0.05），可進行因子分析。抽取運用主成分法計算相關(guān)系數(shù)矩陣R 的特征值、解釋方差的貢獻率及累積貢獻率，結(jié)果見表1。特征值大于1 為前3 個因子（即F1、F2、F3），分別是4.921、1.858、1.050，對應(yīng)方差貢獻率分別為54.717%、20.643%和11.666%。前3 個因子累積貢獻率87.026%，反映了原始指標的87.026%信息量。

表1 因子分析的特征值和貢獻率Tab.1 Eigenvalues and squared loadings of factor analysis

2.1.2 公因子的解釋 運用具有Kaiser 標準化的正交旋轉(zhuǎn)法對因子載荷矩陣進行旋轉(zhuǎn)迭代4 次得到旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣（見表2）。

表2 監(jiān)測指標的旋轉(zhuǎn)成分矩陣Tab.2 Rotated component matrix of monitoring indicators

由圖2 和表2 可見，化學需氧量（CODCr）、高錳酸鹽指數(shù)、NH3-N、TN、TP 在F1 上載荷很大，這些指標表征水體綜合有機污染和富營養(yǎng)化程度[6]，因此，認為F1 表示城市河流受沿程有機污染廢水的影響。水中的硫化物主要是由細菌作用使硫酸鹽還原[7-9]及含硫有機物分解而產(chǎn)生的，但因是在厭氧條件下產(chǎn)生，所以硫化物越高說明該水體DO 越低，因此，硫化物和DO 在F2 的載荷很大，表征水體中DO 含量，也就是象征水體的復(fù)氧能力。氧化還原電位在F3 上載荷高，該因子表征水體綜合氧化還原能力，即對有機物的降解能力，體現(xiàn)了水體的自凈能力。

圖2 監(jiān)測指標旋轉(zhuǎn)空間中的成分圖Fig.2 Component plot of monitoring indicators in rotated space

2.2 黑臭水體污染評價和驗證

基于因子分析法18 個黑臭段的水體污染評價及排名結(jié)果見圖3 和表3。

表3 各黑臭段的污染評價結(jié)果Tab.3 Evaluation results of the black and odorous river sections

圖3 18 個黑臭段因子得分堆積柱狀圖Fig.3 Accumulation factors score of the black and odorous river sections

由表3 可知，亭子沖、心圩江d、鳳凰江b、朝陽溪c、良慶河a 和鳳凰江支流c 的F 值較高，實際監(jiān)測水質(zhì)明顯低于其他斷面，故出現(xiàn)黑臭的可能性較大。采用綜合標識指數(shù)法（WQI）對因子分析法污染程度排名進行驗證，18 個黑臭段的污染排名中有8條河段排序完全吻合，其余河段排名前后略有差異，故基于因子分析法的黑臭水體污染評價結(jié)果可用于指導(dǎo)實際工作。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)不同黑臭段表現(xiàn)在公因子的值衡量不同河段主要污染源的組成和貢獻，從而制定科學合理的治理方案。從F1有機污染和富營養(yǎng)化情況分析，西明江a、b、c 3 段的有機負荷都很低，而亭子沖、心圩江d 和鳳凰江b 有機污染負荷最為嚴重，這幾個水體主要表現(xiàn)為有機污染負荷高，與實際情況相吻合。因此，在亭子沖等黑臭水體整治中應(yīng)以控源截污為主，減少以NH3-N、COD、TP 的有機污染物排放為主。其中亭子沖有機污染負荷占比最大，其他負荷污染均較低，只要截斷水中有機污染來源，水體污染將明顯減輕。從F2水體復(fù)氧能力分析，明月湖和可利江（支流）復(fù)氧能力最好，而F2對鳳凰江b、鳳凰江（支流）c 和西明江b 的貢獻明顯高于其他斷面，因此，當溶解氧對水體黑臭的影響較大時，在黑臭水體整治過程中，應(yīng)注重改善水利條件，增加曝氣裝置，改善復(fù)氧能力為主要方向。從F3有機物的降解能力分析，以朝陽溪b、朝陽溪c、鳳凰江b 和心圩江d 受氧化還原電位的影響較大，這些斷面綜合水質(zhì)標識指數(shù)較低，水質(zhì)本身較好，但存在明顯的底泥污染。其中朝陽溪b 為綠偏白、微混、微臭，水質(zhì)本身有機污染很低，但朝陽溪b 因受入江泵站閘壩的影響，水流速度低，長期富集底泥處于極度缺氧狀況，還會造成翻泥現(xiàn)象，厭氧條件下厭氧性微生物繁殖，造成水體發(fā)黑發(fā)臭。朝陽溪c、鳳凰江b 和心圩江d 都位于入江口，流速慢、長期污染造成底泥污染嚴重，也常有翻泥現(xiàn)象。因此，對于該類污染的黑臭水體應(yīng)重點整治內(nèi)源污染。

3 結(jié)論

（1）通過因子分析，9 個水質(zhì)指標可提取為3 個公因子，并可以解釋87%的結(jié)果，根據(jù)綜合得分可有效評價水質(zhì)污染狀況。水質(zhì)評價結(jié)果表明，因子分析方法污染排名與綜合標識指數(shù)法污染排名基本一致，其中亭子沖、心圩江d、鳳凰江b、朝陽溪c、良慶河a 和鳳凰江（支流）c 污染明顯高于其他斷面，出現(xiàn)黑臭的可能性較大。

（2）結(jié)合實際情況對公因子進行解釋，可以將南寧市黑臭河段污染原因歸結(jié)為水體有機污染和富營養(yǎng)化程度、水體復(fù)氧能力、對有機物的降解能力即水體的自凈能力3 類因素，基于綜合污染特征和污染源解析結(jié)果，南寧市黑臭水體主要應(yīng)從控源截污、改善水利條件及增加曝氣提升水體中溶解氧濃度、消減內(nèi)源污染等核心治理措施著手，以期達到良好的整治效果。