合肥市二十埠河干支流河道水質(zhì)污染特征分析與評(píng)價(jià)

鐘美 陳義飛 祝琳 萬田

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）第六設(shè)計(jì)院有限公司，安徽合肥 230031］

1 引言

二十埠河發(fā)源自合肥市長(zhǎng)豐縣三十頭鄉(xiāng)南部，途經(jīng)新站區(qū)、瑤海區(qū)、肥東縣，是南淝河重要的一級(jí)支流，最終入巢湖［1］。二十埠河流域面積136 km2，河道長(zhǎng)約27 km。其支流有陶沖河、小板橋河、三十埠河。其中，鐘油坊上游區(qū)域?yàn)榍鹆陯彽?，鐘油坊下游為平畈圩區(qū)，地面高程一般在8～50 m。二十埠河的水質(zhì)優(yōu)劣會(huì)對(duì)巢湖水環(huán)境產(chǎn)生較大影響［1］。目前水質(zhì)評(píng)價(jià)方法較多，常用的有單因子指數(shù)評(píng)價(jià)方法、綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法、主成分分析法、水污染指數(shù)法［2］。單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法操作簡(jiǎn)單，但不能整體反映水環(huán)境變化情況；而綜合污染指數(shù)法可以反映多個(gè)參數(shù)對(duì)水質(zhì)的綜合影響，是水質(zhì)評(píng)價(jià)中最常用的方法；主成分分析法采用降維思想對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行變換，可以降低主觀隨意性［3］；水污染指數(shù)法可以進(jìn)行主要污染物識(shí)別以及比較劣Ⅴ類水質(zhì)［2］。

在2020 年9 月至2021 年2 月間，對(duì)二十埠河流域內(nèi)河道共計(jì)36 個(gè)斷面的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。本文運(yùn)用綜合污染指數(shù)法與主成分分析法評(píng)價(jià)河道水質(zhì)污染程度，識(shí)別干、支流的重點(diǎn)污染物，結(jié)合流域污染調(diào)查情況，分析水質(zhì)變化成因。

2 研究方法

2.1 樣品采集與檢測(cè)

在二十埠河干流布設(shè)21 個(gè)（編號(hào)E1～E21），監(jiān)測(cè)斷面支流布設(shè)15 個(gè)（編號(hào)Y1～Y15）監(jiān)測(cè)斷面，見圖1。采樣時(shí)間為2020 年9 月至2021 年2 月，每個(gè)月取樣1 次，共計(jì)6 次。取樣嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》［4］要求進(jìn)行。水樣檢測(cè)指標(biāo)包括COD、氨氮、總磷、總氮。COD 采用COD 重鉻酸鹽法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，總磷采用鉬酸銨分光光度法，總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。

圖1 采樣點(diǎn)位

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

2.2.1 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是對(duì)各污染指標(biāo)的相對(duì)污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出代表水體污染程度的數(shù)值，該方法可以確定主要污染物，反映多個(gè)水質(zhì)參數(shù)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之間的綜合對(duì)應(yīng)關(guān)系［5］，計(jì)算簡(jiǎn)便，可以定量化分析水環(huán)境質(zhì)量。均值污染指數(shù)公式如下：

式中，p 為水體的綜合污染指數(shù)；pi為i 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的污染分指數(shù)；Ci為i 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的濃度值；Cs為i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；n 為參與評(píng)價(jià)的指數(shù)項(xiàng)數(shù)。

p≤0.40，水質(zhì)級(jí)別屬于尚清潔；0.40＜p≤0.70，水質(zhì)級(jí)別屬于輕度污染；0.70＜p≤1.00，水質(zhì)級(jí)別屬于中度污染；1.00＜p≤2.00，水質(zhì)級(jí)別屬于重污染；p＞2.00，水質(zhì)級(jí)別屬于嚴(yán)重污染［6］。

本文選取4 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)作為該河道治理工程中的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)一干三支的36 個(gè)斷面進(jìn)行河道水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。二十埠河執(zhí)行地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)［7］。

2.2.2 主成分分析法

根據(jù)一組樣品多個(gè)參數(shù)的原始數(shù)據(jù)，得出幾個(gè)綜合指標(biāo)，即主成分。這些主成分既包含了原始變量的信息，又相互獨(dú)立，對(duì)其中具有代表性的主成分進(jìn)行以其貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)的加權(quán)平均，形成了一個(gè)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，用來評(píng)價(jià)研究對(duì)象［2］。李靜等對(duì)主成分分析具體步驟與原理做出詳細(xì)描述［8］。劉偉等采用主成分分析法對(duì)大溪河干、支流的6 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)提取2 個(gè)主成分，通過綜合得分判斷水質(zhì)優(yōu)劣［9］。王睿等對(duì)北京市通州區(qū)6 條主要河道的SS、COD、BOD5、氨氮、總氮、總磷等指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維變量數(shù)據(jù)降維來評(píng)價(jià)河道水質(zhì)狀況［10］。趙建國(guó)等對(duì)永定河懷來段枯水期支干流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，運(yùn)用主成分分析法等方法，確定了流域主要污染因子及區(qū)域水質(zhì)空間變化特征［11］。

本研究選取二十埠河一干三支的36 個(gè)斷面的COD、氨氮、總磷、總氮指標(biāo)作為研究對(duì)象，采用KMO 統(tǒng)計(jì)量和Bartlett 球形檢驗(yàn)判定分析方法的適用性，對(duì)多維變量數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，選取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率89%作為主成分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)主要污染因子。

3 結(jié)果與討論

3.1 綜合污染指數(shù)法

按照上述方法計(jì)算得出二十埠河干支流的綜合污染指數(shù)。二十埠河干流21 個(gè)斷面的綜合污染指數(shù)介于1.12～1.72，屬于重污染河道；陶沖支流斷面的綜合污染指數(shù)介于1.00～2.47，屬于嚴(yán)重污染河道；小板橋河斷面的綜合污染指數(shù)介于0.82～2.22，屬于嚴(yán)重污染河道；三十埠河斷面的綜合污染指數(shù)介于0.78～1.85，屬于重污染河道。綜上，二十埠河流域水體水質(zhì)處于重污染狀態(tài)，部分支流如陶沖支流、小板橋河水體水質(zhì)處于嚴(yán)重污染狀態(tài)。

3.2 主成分分析法

3.2.1 干流

選取COD、氨氮、總磷、總氮作為研究對(duì)象，應(yīng)用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)其進(jìn)行主成分分析，二十埠河干流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的KMO 統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)結(jié)果為0.707，Bartlett 檢驗(yàn)概率為0.000（＜0.01），說明主成分分析方法有效適用。依次得到其成分矩陣（見表2）以及各主成分系數(shù)式，主成分分析中提取的2 個(gè)主成分解釋了總方差的89.568%。

表1 干流數(shù)據(jù)成分矩陣 mg/L

主成分1、主成分2 與各污染指標(biāo)的線性組合分別為：

F1=0.541X1+0.513X2+0.488X3+0.455X4

F2=-0.361X1-0.548X2+0.358X3+0.664X4

綜合F1，F(xiàn)2 得到綜合評(píng)分指數(shù)（F）：

F=0.741 84×F1-0.153 84×F2

F 的值越大，代表主成分1、主成分2 的影響越大，水質(zhì)污染程度越嚴(yán)重。干流各斷面的綜合評(píng)分指數(shù)見圖2。

圖2 干流的主成分綜合得分

以上提取了2 個(gè)成分矩陣，其中第一主成分方差貢獻(xiàn)率最大，故與第一主成分關(guān)系密切的指標(biāo)被認(rèn)為是水質(zhì)狀況的控制指標(biāo)，所以總氮、氨氮是控制指標(biāo)，對(duì)河道水質(zhì)影響貢獻(xiàn)大。

從圖2 可以看出，E1～E6 綜合得分為負(fù)值，位于二十埠河上游，水質(zhì)較好，但E3～E10 綜合得分處于逐漸上升趨勢(shì)，受城市人類活動(dòng)和工業(yè)企業(yè)超標(biāo)水排放影響，斷面水質(zhì)逐漸變差。E10，E11，E14，E16，E17 的F 值大于1.00 分，表明污染程度嚴(yán)重，這些點(diǎn)位位于二十埠河中游，該處入河排口較多，部分排口水質(zhì)經(jīng)常處于超標(biāo)狀態(tài)，經(jīng)溯源排查排水管道雨污混接較多，另外，雨水干管上截流設(shè)施存在重力截流、部分截流設(shè)施淤堵現(xiàn)象，造成旱季污水入河，雨季有大量污水溢流。E18～E21 位于二十埠河下游，綜合得分處于逐步上升趨勢(shì)，該段匯水范圍內(nèi)以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園為主，有少數(shù)工廠與小區(qū)，城市開發(fā)強(qiáng)度低，周邊小區(qū)存在雨污混接以及三十埠河的匯入，導(dǎo)致河段污染加重。

3.2.2 支流

支流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的KMO 統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)結(jié)果為0.792，Bartlett 檢驗(yàn)概率為0.000（＜0.01），說明主成分分析有效。主成分分析中提取的2 個(gè)主成分解釋了總方差的93.104%。支流數(shù)據(jù)成分矩陣見表2。

表2 支流數(shù)據(jù)成分矩陣 mg/L

主成分1、主成分2 與各污染指標(biāo)的線性組合分別為：

F1=0.534X1+0.513X2+0.494X3+0.456X4

F2=-0.078X1-0.215X2+0.476X3+0.849X4

綜合F1，F(xiàn)2 得到：

F=0.825 46×F1-0.105 59×F2

支流各斷面的綜合評(píng)分指數(shù)見圖4。

圖3 中第一主成分方差貢獻(xiàn)率最大，由此得出總氮、氨氮是控制指標(biāo)，對(duì)河道水質(zhì)影響貢獻(xiàn)大。

圖3 支流的主成分綜合得分

從圖3 可以看出，Y1 綜合得分為負(fù)值，其位于陶沖河上游，斷面周邊為公園，水質(zhì)較好。Y2 綜合得分2.90 分，受周邊小區(qū)的雨污混接影響，排口存在旱季污水入河，加上支流流量較小，導(dǎo)致污染物濃度較高，水體污染十分嚴(yán)重。Y3 綜合得分1.80 分，其位于小板橋河?xùn)|支，河道流量大多為生態(tài)基流，排口污水入河，難以自凈，水體污染嚴(yán)重。位于小板橋河西支及干流的Y4～Y9 綜合得分處于逐漸上升趨勢(shì)，說明受城市人類活動(dòng)和開發(fā)強(qiáng)度影響，斷面水質(zhì)逐漸變差。位于三十埠河的Y10 綜合得分0.20 分，周邊居民區(qū)與工廠集中，水質(zhì)輕微污染；Y11～Y13 綜合得分為負(fù)值，該段周邊為未開發(fā)地塊，水質(zhì)較好；Y14，Y15 綜合得分為0.88 分、1.03 分，該段以農(nóng)田為主，有少數(shù)工廠與居民區(qū)，入河排口少，點(diǎn)源污染情況少，據(jù)推斷農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致該段污染嚴(yán)重的主要因素。

4 建議

二十埠河屬于城鄉(xiāng)接合部位的河流，既有城鎮(zhèn)污染也有農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)污染，水環(huán)境治理應(yīng)結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，有的放矢。要加強(qiáng)雨污分流核查排查工作，實(shí)現(xiàn)環(huán)境執(zhí)法與監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)管理［12］，保質(zhì)保量推進(jìn)二十埠河流域雨污分流工作，杜絕旱季污水直排入河；加快排口規(guī)范化截流工作，確保低水位截流，實(shí)現(xiàn)截流設(shè)施自動(dòng)化控制，加強(qiáng)已建成截流設(shè)施管理維護(hù)，確保截流設(shè)施正常運(yùn)行；加快污水處理廠擴(kuò)容建設(shè)，增強(qiáng)污水處理能力；加快二十埠河水環(huán)境項(xiàng)目建設(shè)，確保項(xiàng)目按期完工，盡早發(fā)揮工程效益；定期監(jiān)測(cè)河道水質(zhì)，做好河道自查工作。

5 結(jié)論

二十埠河一干三支共36 個(gè)斷面的COD、氨氮、總磷、總氮指標(biāo)采用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行分析，結(jié)果表明，二十埠河干流、三十埠河水體水質(zhì)處于重污染狀態(tài)，陶沖支流、小板橋河水體水質(zhì)處于嚴(yán)重污染狀態(tài)。

主成分分析法得出，總氮、氨氮是影響水質(zhì)狀況的主要控制指標(biāo)，干流中下游比上游污染嚴(yán)重。陶沖支流下游污染嚴(yán)重；小板橋河?xùn)|支污染嚴(yán)重，西支及干流污染較重；三十埠河下游斷面污染較重。整體上主成分分析法與綜合污染指數(shù)法殊途同歸，結(jié)論一致。

二十埠河流域排口旱季污水導(dǎo)致河道水質(zhì)污染，管網(wǎng)存在雨污混接是根本原因，在工程實(shí)踐中，管網(wǎng)混接整治復(fù)雜，難以做到雨污完全分流［13］，這是改善河道水質(zhì)面臨的一道難題。目前應(yīng)從水環(huán)境治理角度出發(fā)，加強(qiáng)雨污分流整治和規(guī)范化截流改造，加快污水廠擴(kuò)容，及時(shí)建設(shè)消納污水等項(xiàng)目，使二十埠河流域水體水質(zhì)有望得到好轉(zhuǎn)。