南淝河主要水體污染物空間分布特征與污染源解析

潘寶 王曉輝 王秀 周春財(cái) 劉桂建

摘要 在南淝河水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)聚類(lèi)分析，對(duì)其主要水環(huán)境污染物的空間分布特征進(jìn)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(duì)主成分多元線性回歸分析法計(jì)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(guò)聚類(lèi)分析可將南淝河大致分為A、B、C 3類(lèi)，其中，A類(lèi)83.32%的污染來(lái)源于點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和點(diǎn)源有機(jī)物；B類(lèi)70.16%來(lái)源于點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和點(diǎn)源有機(jī)物；C類(lèi)71.63%的污染來(lái)源于農(nóng)業(yè)面源的農(nóng)業(yè)營(yíng)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(lèi)分析；因子分析法；絕對(duì)主成分多元線性回歸分析法；南淝河

中圖分類(lèi)號(hào) X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(chēng)施水，是巢湖水系的支流，被稱(chēng)為合肥市的“母親河”。隨著合肥市發(fā)展進(jìn)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(shí)的納污河[1]。同時(shí)，由于南淝河流域上游水庫(kù)的攔蓄，改變了河流原有的水文過(guò)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(bǔ)給水源，尤其在城區(qū)段，污水廠尾水已成為主要的補(bǔ)給水源。目前，國(guó)內(nèi)研究主要集中于南淝河污染現(xiàn)狀及其污染評(píng)價(jià)[2-3]，而利用多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)水環(huán)境污染物的空間分布特征、識(shí)別重點(diǎn)污染控制區(qū)域和污染來(lái)源方面，尤其是精度解析南淝河流域污染來(lái)源及其貢獻(xiàn)份額方面的研究甚少。筆者通過(guò)全面調(diào)查分析南淝河水系現(xiàn)狀，對(duì)南淝河主要水環(huán)境污染物的基本特征進(jìn)行分析，在聚類(lèi)分析的基礎(chǔ)上對(duì)主要水環(huán)境污染物的空間分布特征進(jìn)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(duì)主成分多元線性回歸分析計(jì)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(zhǎng)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(kù)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(jì)活動(dòng)強(qiáng)度大、人口密度大，水體污染嚴(yán)重。

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置 根據(jù)地形圖和遙感圖像，確定考察路線，工作點(diǎn)和采樣點(diǎn)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(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

1.3 指標(biāo)測(cè)定 水樣采集帶回后用0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾并加酸固定，分別測(cè)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(lèi)分析、因子分析和絕對(duì)主成分多元線性回歸分析法[4]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了消除量綱的影響，在進(jìn)行聚類(lèi)分析和因子分析前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，應(yīng)用巴特萊檢驗(yàn)（KMO）和Bartlett 球形方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)矩陣檢驗(yàn)，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(lèi)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(lèi)水質(zhì)，COD含量則為 Ⅴ 類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍。

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

A類(lèi)：包括6長(zhǎng)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(zhǎng)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(bǔ)給來(lái)源是非常規(guī)河流。

B類(lèi)：包括4北二環(huán)與四里河交口、5四里河排污口、20華東國(guó)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(lèi)：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(zhǎng)樂(lè)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(zhǎng)樂(lè)河。

A類(lèi)水體的采樣點(diǎn)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(lèi)水體主要分布于四里河、二十埠河及店埠河三大支流；C類(lèi)水體大多位于排污河流的下游和支流關(guān)鎮(zhèn)河和長(zhǎng)樂(lè)河，由于污染源頭的減少和沿途的自凈作用，污染程度相對(duì)最輕。

2.1.3 主要水環(huán)境污染物差異性分析。A類(lèi)與B類(lèi)由于主要受到非常規(guī)補(bǔ)給源的影響，水環(huán)境污染物含量與C類(lèi)差異較明顯（圖3）。其中，A類(lèi)NH3-N和TN含量平均值最高，且有極高值出現(xiàn)，C類(lèi)則NH3-N及TN含量均值及變異性較小，NH3-N及TN分布有極強(qiáng)烈的空間差異，表明點(diǎn)源排放是造成氮污染的主要原因[5]；TP的空間差異性相對(duì)較小，表明水體可能受點(diǎn)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(lèi)及B類(lèi)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(shí)別與貢獻(xiàn)率的計(jì)算

2.2.1 水體污染源識(shí)別。分別對(duì)A、B、C類(lèi)分布進(jìn)行因子分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)特征因子大于1的原則，A類(lèi)可以提取2個(gè)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(gè)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(jī)物，因此因子1可能主要代表與有機(jī)物相關(guān)的因素對(duì)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(lèi)所在區(qū)域?yàn)楹戏食菂^(qū)主要的人口聚集區(qū)，人口密度大，人類(lèi)活動(dòng)密集，由此推測(cè)該主成分可能來(lái)自于點(diǎn)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(lèi)共提取了2個(gè)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(lèi)所在區(qū)域分布著化工、電鍍及鑄造公司等各類(lèi)型企業(yè)，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)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(lèi)共提取了2個(gè)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(dòng)頻繁，因此因子1可能主要是農(nóng)業(yè)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)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(jì)算。利用APCS-MLR計(jì)算污染源貢獻(xiàn)率[8]，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，A類(lèi)地表水體的污染主要來(lái)源于點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和點(diǎn)源有機(jī)物，點(diǎn)源營(yíng)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(diǎn)源有機(jī)物主要影響B(tài)OD5、COD，污染貢獻(xiàn)率分別為55.3%、75.4%；B類(lèi)地表水體的污染主要來(lái)源于點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和點(diǎn)源有機(jī)物，點(diǎn)源營(yíng)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(jī)物點(diǎn)源污染主要影響COD，影響貢獻(xiàn)率為84.6%；C類(lèi)地表水體的污染主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)營(yíng)養(yǎng)物面源污染和生物化學(xué)過(guò)程，農(nóng)業(yè)營(yíng)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(guò)程對(duì)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(diǎn)屬于劣V類(lèi)。

（2）聚類(lèi)分析結(jié)果，可將南淝河水體大致分為3個(gè)類(lèi)別：A類(lèi)水體采樣點(diǎn)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(lèi)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(lèi)水體大多位于排污河流的下游和支流長(zhǎng)樂(lè)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(duì)最輕。

（3）A類(lèi)地表水體的污染主要來(lái)源于點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和點(diǎn)源有機(jī)物；B類(lèi)地表水體的污染主要來(lái)源于點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和點(diǎn)源有機(jī)物；C類(lèi)地表水體的污染主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)面源營(yíng)養(yǎng)物和生物化學(xué)過(guò)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(lèi)和B類(lèi)地區(qū)建立更多的污水處理廠，減少污水的直接排放，加強(qiáng)流域內(nèi)或跨流域調(diào)水，保證其有一定的生態(tài)用水；對(duì)C類(lèi)地區(qū)則需要采取最佳管理措施，以減少非點(diǎn)源污染。同時(shí)，要加強(qiáng)流域內(nèi)河道生態(tài)綜合整治。

參考文獻(xiàn)

[1] TU J，XIA Z G，CLARKE K C，et al.Impact of urban sprawl on water quality in eastern Massachusetts，USA[J].Environmental management，2007，40 （2）：183-200.

[2] 紀(jì)嵐，楊立武，李箐.南淝河水污染現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展對(duì)策研究[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，30（4）：92-94.

[3] 汪天祥，許士國(guó)，韓成偉.改進(jìn)主要成分分析法在南淝河水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2012，30（10）：34-36.

[4] 陳彥光.地理數(shù)學(xué)方法：基礎(chǔ)和應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[5] LI W Z，LI X Y，WANG H L，et al.Spatial distribution of the main contaminations in aquatic environment in Fuyang River[J].Acta scientiae circumstantiae，2012，32 （11）：2814-2819.

[6] SIMEONOV V ，STRATIS J A，SAMARA C，et al.Assessment of the surface water quality in Northern Greece[J].Water research，2003，37（17）：4119-4124.

[7] 趙潔，徐宗學(xué)，劉星才，等.遼河河流水體污染源解析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2013，33（5）：838-842.

[8] LIU Y，GUO H C，YANG P J.Exploring the influence of lake water chemistry on chlorophyll a：A multivariate statistical model analysis[J].Ecological modelling，2010，221（4）：681-688.