阜陽市主要河流水質(zhì)評價(jià)及污染源解析

王 振 龍

(1. 安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院,安徽 蚌埠 233000; 2.水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 蚌埠 233000)

河流是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要因素，尤其是受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重的內(nèi)陸河。為了削減污染物，有效地控制河流污染，河流水質(zhì)評價(jià)及污染源解析越來越受到學(xué)者的關(guān)注[1]。目前國內(nèi)較常用的水質(zhì)評價(jià)方法有綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、模糊理論綜合評價(jià)法等。其中內(nèi)梅羅污染指數(shù)法較多用于重金屬評價(jià)，突出污染指數(shù)最大的重金屬污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用；模糊理論綜合評價(jià)法近年來多用于地下水水質(zhì)綜合評價(jià)，其結(jié)果不能對劣Ⅴ類水進(jìn)行準(zhǔn)確的表述。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法廣泛用于河流水質(zhì)評價(jià)，可定量分析不同因子對河流水質(zhì)的綜合影響，尤其可評價(jià)劣Ⅴ類水質(zhì)，具有適用性廣、操作簡單等特點(diǎn)[2]。石平超等[3]采用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對湟水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，并與國標(biāo)單因子標(biāo)識指數(shù)進(jìn)行比較。張媛等[4]采用客觀熵權(quán)法賦多指標(biāo)權(quán)重對綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法進(jìn)行合理性修正，分析太湖西苕溪流域水質(zhì)，有效地避免了最差因子對評價(jià)結(jié)果的影響。近年來，有學(xué)者結(jié)合環(huán)境質(zhì)量評價(jià)和多元統(tǒng)計(jì)分析，探究水體污染源，使評價(jià)更為準(zhǔn)確、全面。AM Yasir等[5]結(jié)合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法和多元統(tǒng)計(jì)對馬來西亞奇尼湖水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)。周慧平等[6]通過對水污染源解析概念的闡述，分析了國內(nèi)外水污染源解析的研究方法及進(jìn)展。李文贊等[7]通過因子分析對滏陽河不同河段的污染源進(jìn)行了源解析。雖然前人已對河流評價(jià)做了大量工作，但大多數(shù)只針對單一河流，對受人類影響嚴(yán)重的城市內(nèi)陸河的全面、系統(tǒng)的研究較少。

本次研究對象為阜陽市，阜陽市地表水污染問題嚴(yán)重，且是以超采中深層地下水為主的典型缺水城市。待“引江濟(jì)淮”工程通水后，阜陽市將逐漸實(shí)現(xiàn)地表水對地下水的置換，茨淮新河、淮河、潁河等地表水將作為阜陽市居民生活飲用水水源。本研究采用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法，并結(jié)合因子分析，對阜陽市6條主要河流進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，對污染物進(jìn)行源解析。研究結(jié)果對阜陽市污染源控制、水環(huán)境改善、水安全保障具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

阜陽市位于安徽省西北部，位于黃淮海沖積平原區(qū)，淮河以北，地處北緯32°24′～33°35′、東經(jīng)114°52′～116°30′之間。下轄界首、臨泉、太和、潁上、阜南5個(gè)縣級行政區(qū)和潁州、潁泉、潁東3個(gè)市轄區(qū)，全市總面積10 122.8 km2。區(qū)內(nèi)地勢平坦開闊，年均降水900.8 mm，降水年內(nèi)分配不均，主要集中在6～8月份，年平均氣溫14.6℃，年平均無霜期216 d。境內(nèi)河流均屬淮河水系，有淮河、潁河、泉河、茨淮新河等10多條河流從境內(nèi)穿過。

圖1 采樣點(diǎn)示意Fig.1 Sampling point

潁河是淮河最大的支流，由北向南流經(jīng)界首、太和、阜陽城區(qū)、潁上，具有多閘壩、重污染等特點(diǎn)[8]；潁河支流泉河由西向東流經(jīng)臨泉、阜陽城區(qū)，具有人口活動(dòng)密集，污染源較多，水系空間管理和控制能力相對薄弱的特點(diǎn)。近年來，阜陽市的工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致潁河、泉河、黑茨河水岸雜亂、水流不暢,污染問題嚴(yán)峻，目前僅茨淮新河作為城市地表水飲用水水源。

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集

本次研究分別于2017年1月(枯水期)和8月(豐水期)，對阜陽市境內(nèi)潁河、泉河、茨淮新河、淮河、黑茨河、谷河共34個(gè)點(diǎn)位(S1～S34)進(jìn)行了樣品采集(見圖1)。所有樣品采集使用500 mL高密度聚乙烯塑料瓶，采樣前用原水反復(fù)沖洗，氮、磷指標(biāo)樣瓶加入硫酸酸化至pH<2，于0℃～4℃密封保存。

2.2 數(shù)據(jù)分析

本次數(shù)據(jù)處理采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)分析圖采用Corel Draw x7和Origin 8.5進(jìn)行繪制。

2.3 研究方法

2.3.1綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是常用的地表水水環(huán)境評價(jià)方法[9]，其方法在單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的基礎(chǔ)上，對單個(gè)采樣點(diǎn)所測試各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，避免單因子對評價(jià)造成影響[10]，且可對劣Ⅴ類水體進(jìn)行比較和詳細(xì)評價(jià)。

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Iwq由整數(shù)位和4位或5位小數(shù)組成[11]，結(jié)構(gòu)式如下：

Iwq=X1.X2X3X4X5

(1)

(2)

式中，X1，X2分別表示水質(zhì)類別和在此類水質(zhì)區(qū)間所處的位置，X3表示參與評價(jià)的指標(biāo)中劣勢于水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)的個(gè)數(shù)，X4為判別綜合水質(zhì)類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)類別，X5表示參與評價(jià)的因子數(shù)量。

2.3.2因子分析法

因子分析法(PCA)是常用的多元統(tǒng)計(jì)方法[12]，通過在樣點(diǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)中篩選有代表性的因子，采用Varimax(最大正交旋轉(zhuǎn)法)對因子載荷進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，闡明數(shù)據(jù)提供的主要污染源信息。因子分析法適用性檢驗(yàn)采用Kaiser-Meye-Olkin(KMO)和Bartlett球形法對水體標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)矩陣檢驗(yàn)[13]，KMO檢測大于0.5，Bartlett球形度檢驗(yàn)概率為0，則表明在99%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)[14]。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)評價(jià)

圖2 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)結(jié)果比較Fig.2 Comparison of single factor water quality identification index

對阜陽市境內(nèi)6條河流按豐水期、枯水期進(jìn)行綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評分，結(jié)果見圖3。

圖3反映了阜陽市主要河流污染水平時(shí)空分布規(guī)律。① 采樣點(diǎn)S1～S11分別位于潁河豫皖緩沖區(qū)至下段入淮河口。潁河水質(zhì)從上游至下游呈好轉(zhuǎn)趨勢，S11采樣點(diǎn)水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。潁河作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，從西北流經(jīng)界首、太和、阜陽市區(qū)、潁上，流域面積廣，受人類活動(dòng)影響較大，尤其在上游豫皖緩沖區(qū)水質(zhì)污染較為嚴(yán)重。② 泉河(S12～S22)從豫皖省界由西向東流經(jīng)臨泉，最后匯入潁河。泉河水質(zhì)豐水期和枯水期變化相似，水質(zhì)指數(shù)呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，在流經(jīng)城區(qū)水質(zhì)污染最為嚴(yán)重。③ S24位于茨淮新河插花閘下，是阜陽市唯一的地表水飲用水水源取水口，水質(zhì)滿足Ⅲ類水目標(biāo)要求；茨淮新河與潁河建有茨河鋪閘，除特大暴雨導(dǎo)致閘上水位升高需茨淮新河分洪情況下，茨河鋪閘基本關(guān)閉，因此上游來水主要為黑茨河水。④ 黑茨河河水豐水期、枯水期基本為Ⅳ～Ⅴ類水。根據(jù)調(diào)研，黑茨河本干沿線有33條直排河溝，主要排泄面上雨污，由于縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和河南下泄污水排放，汛期開啟溝口涵閘隨雨水混流排入本干，對飲用水水源地茨淮新河造成一定程度污染。遠(yuǎn)期“引江濟(jì)淮”工程實(shí)施后，阜陽市境內(nèi)茨淮新河將全部劃為飲用水水源保護(hù)區(qū)，因此對黑茨河的治理迫在眉睫。⑤ 淮河與谷河水質(zhì)表現(xiàn)相似，豐水期水質(zhì)基本為Ⅲ類，枯水期為Ⅳ類。

3.2 污染源解析

采用因子分析法對阜陽市潁河、泉河豐水期、枯水期污染源進(jìn)行分析，定量反映各污染源對河流水體總體污染的貢獻(xiàn)大小，結(jié)果見表1～2。通過檢驗(yàn)，豐水期、枯水期KMO值均大于0.5，Sig檢驗(yàn)概率為0.00，結(jié)果顯著，表示數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布，適合因子分析。

圖3 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評分結(jié)果Fig.3 Comprehensive water quality identification index score results

表1 潁河污染因子分析的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣和貢獻(xiàn)率Tab.1 Rotation component matrix and factor contribution from pollution factor analysis

注：采用主成分分析法、正交旋轉(zhuǎn)；F1、F2、F3表示主成分因子1、2、3；*表示旋轉(zhuǎn)公因子載荷<0.5，下同。

表2 泉河污染因子分析的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣和貢獻(xiàn)率Tab.2 Rotation component matrix and factor contribution from pollution factor analysis

4 結(jié) 論

(1) 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法研究表明：總體上，阜陽市6條主要地表河流豐水期水質(zhì)優(yōu)于枯水期，主要污染物為TN、TP，CODCr、CODMn次之，表明有機(jī)污染物為阜陽市地表河流的主要污染物，河流具有富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 綜合豐水期、枯水期分析阜陽市主要地表河流污染狀況，潁河河水總體呈Ⅳ類，從上游至下游呈好轉(zhuǎn)趨勢；潁河、泉河緩沖區(qū)水質(zhì)污染較重，超出目標(biāo)水質(zhì)。茨淮新河飲用水保護(hù)區(qū)水質(zhì)較好，但上游黑茨河污染較重，主要與支流雨污直排有關(guān)。

(3) 因子分析結(jié)果顯示，潁河豐水期最大影響因子F1與DO、TP和CODMn呈正相關(guān)，反映出農(nóng)業(yè)面源污染對水環(huán)境的影響，枯水期最大影響因子與泉河相似，均反映水體富營養(yǎng)化狀況；泉河豐水期最大影響因子F1主要受CODCr、CODMn和F-控制，反映了污水處理廠排放的生活、工業(yè)污水對水環(huán)境的影響。