黑臭水体综合整治工程的水质改善效果评价

鲁佳慧，唐德善

(河海大学水利水电学院，南京 210098)

建湖县九龙口镇河网密集，支流众多，随着人们生活水平的提高以及经济的快速发展，许多河段的入河污染物远远超过了水体的纳污能力，水质呈逐年下降趋势，加上河道淤积严重，导致河网水体的流动性和自净能力减弱，进一步加剧了水体的污染，河流出现了不同程度的黑臭现象，蔷薇河便是其中一条。2014年当地政府确立了河长，针对村镇级河道黑臭成因[1]，以清淤疏浚为载体，以水污染治理为重点，减少点源和面源污染物排放，实施了一系列针对蔷薇河黑臭水体的整治措施。由于黑臭水体治理是一项复杂的系统工程[2]，投入资金和力度都较大，因此整治达到的效果以及整治措施的有效程度都备受人们的关注。

1 河流概况

蔷薇河在盐城境内河道全长16.9 km，是建湖县的骨干河道，南起建湖县恒济镇与宝应县射阳湖镇蒋堡村交界处，北至建湖县九龙口镇收成庄汇接戛粮河，排涝集水面积105 km2，灌溉供水面积0.8 万hm2，生活供水8.1万人。蔷薇河作为建湖县重要的灌溉、排涝、行洪、供水、航运河道，随着当地经济发展及城市化进程加快，地区的工业废水和城镇污水排放负荷日益加重，水质难以达标，环境问题也日益突出，主要包括以下几个方面。

(1)蔷薇河黑臭现象较为明显，水体自净能力降低，河道底泥淤积严重，影响航道航运安全。

(2)蔷薇河长期水质污染，沿线部分村镇未截污纳管，生活污水及小型家庭养殖场的畜禽粪便未经统一处理直接排入水体内。

(3)蔷薇河作为通航河道，航运发达，船舶装卸作业乱停乱靠现象时有发生。船舶污染收集及处理设施不健全，船舶生活污水和生活垃圾的收集处理未纳入环卫系统，水运危险货物运输存在船舶碰撞及危化品泄露等环境风险问题。

2 研究方法

2.1 因子分析法(FA)

因子分析法是一种常用的多元统计方法，根据相关性大小对因子进行分类，在保证原始数据的信息损失最小的前提下，筛选出能更集中、更典型显示水质特征的综合因子[3,4]，可以有效地分析水体污染原因。现采用因子分析法对蔷薇河实施黑臭水体治理前后的水质进行归类分析评价，找出影响蔷薇河水质的主要因子。

依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)选取pH、溶解氧(DO)、高锰酸钾盐指数(CODmn)、化学需氧量(CODcr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、氟化物及挥发酚9个指标，对蔷薇河的水质监测数据采用SPSS进行分析。

为消除量纲和数量级差别的影响，首先对数据进行标准化处理，在标准化处理数据的基础上计算得到相关系数矩阵见表1。根据特征值、方差贡献率和累积方差贡献率大于85%的原则[5]，确定有4个主因子(累积方差贡献率为95.050%)。

表1 因子特征值、方差贡献率及累积方差贡献率Tab.1 Eigenvalue、contribution rate of primary factors and cumulative contribution rate of primary factors

从表1和表2中可以得出以下结论：①因子旋转后，第一主因子F1的贡献率为30.252%，其中BOD5，NH3-N占很大的因子载荷，该主因子反映了蔷薇河水体的生活污水和营养元素污染状况，也是研究蔷薇河水体可生化降解性及生化处理效果的重要参数；②第二主因子贡献率为26.456%，其中CODmn和CODcr呈很强的正相关，反映了水中有机及无机可氧化物质的污染；③第三主因子贡献率为22.095%，相关联的主要是氟化物和挥发性酚，因子载荷量分别为0.860和0.933，代表了水体的工业污染；④第四主因子贡献率为16.247%，其主要关联的是因子载荷量为0.954的DO，反映了水体的物理环境状况。此次分析样本中第一主因子的方差贡献率最大，说明蔷薇河水质污染的主要受控于有机污染物以及氨氮污染物。

表2 因子载荷矩阵Tab.2 Loading values of principal component

表3 因子得分系数矩阵Tab.3 Factor score coefficient matrix

计算因子得分，根据因子得分系数矩阵(表3)，可得4个主因子的得分函数为：

F1=-0.318x1-0.127x2-0.013x3-0.005x4+

0.368x5+0.282x6-0.222x7-0.026x8+0.128x9

(1)

F2=0.090x1+0.038x2+0.373x3+0.334x4+

0.045x5+0.194x6+0.293x7+0.161x8-0.196x9

(2)

F3=0.159x1-0.116x2-0.095x3+0.054x4+

0.199x5-0.015x6-0.004x7+0.416x8+0.534x9

(3)

F4=0.083x1+0.697x2-0.077x3+0.122x4-

0.076x5-0.117x6-0.461x7-0.025x8-0.123x9

(4)

将4个主因子各自的方差贡献率加权得到系数(表4)，相加为综合得分函数，计算公式为：

F=0.318F1+0.278F2+0.232F3+0.171F4

(5)

表4 主因子得分系数Tab.4 Main factor score

2.2 优化的非线性灰色伯努利模型(ONGBM)

灰色系统模型被越来越广泛地应用于水质预测中，但由于水质数据本身波动性大，预测模型往往缺乏稳定性[6,7]，对此我国学者针对水质预测模型也做了大量的研究。基于遗传算法[8](GA)优化的非线性灰色伯努利模型(ONGBM)通过优化权重系数以及模型幂指数能更充分的利用原始信息数据，准确把握系统的行为特征。为评价非线性伯努利模型的精确度，需要对模型进行误差分析，这里选用平均相对误差(MAPE)作为检验指标[9]。

(6)

(7)

构建基于遗传算法优化的非线性灰色伯努利模型，预测蔷薇河2009-2017年水质，并检验该模型的可行性和准确性，根据表5计算结果及MAPE评价等级[10](MAPE<10%)时预测精度等级为好，可知该预测模型进行水质预测是可行的，且精准度较好。

2.3 研究结果分析

将ONGBM模型预测得到的水质数据和蔷薇河实际数据分别标准化后代入公式(1)～(5)计算主因子得分、综合得分，具体数值见表6。对比两种情况下蔷薇河水质主因子和综合因子的变化情况，绘制2009-2017年综合评价得分折线图和主因子得分折线图，见图1～图5。分析黑臭水体综合治理措施对蔷薇河主要污染因子的治理情况及效果，以便更好的制定下一步工作计划。

表5 非线性灰色伯努利模型预测结果Tab.5 Prediction results of nonlinear gray Bernoulli model

(1)所有的指标都是越小越优型，所以水质综合得分越低，说明水体污染程度越轻，水质越好。结合图1变化趋势，从2009-2017年ONGBM预测水质和实际水质的综合因子得分都在逐年减小，表示无论实施整治措施与否蔷薇河水质都在变好。但是从2014年开始两条曲线下降幅度有所差别，实际水质综合因子得分下降幅度大于预测水质，是因为2014年蔷薇河首次确立河长并实施了一系列综合整治措施，表示整治措施对水质有一定的改善效果。

表6 蔷薇河实际和预测水质状况综合评价表Tab.6 Qiangwei river's actual and predicted water quality assessment

图1 蔷薇河实施整治措施前后水质综合得分值折线图Fig.1 Water quality scores before and after implementation of the Qiangwei River

图2 蔷薇河实施整治措施前后水质主因子F1得分折线图Fig.2 Water quality factor F1 scores before and after implementation of the Qiangwei River

图3 蔷薇河实施整治措施前后水质主因子F2得分折线图Fig.3 Water quality factor F2 scores before and after implementation of the Qiangwei River

图4 蔷薇河实施整治措施前后水质主因子F3得分折线图Fig.4 Water quality factor F3 scores before and after implementation of the Qiangwei River

图5 蔷薇河实施整治措施前后水质主因子F4得分折线图Fig.5 Water quality factor F4 scores before and after implementation of the Qiangwei River

(2)从图2可以看出预测水质和实际水质的主因子F1在逐年减小，实施了黑臭水体治理后的主因子F1下降幅度明显大于预测水质的F1，说明实施的一系列措施对蔷薇河的生活污染以及营养元素污染状况有一定的控制，尤其是2013-2014年期间。

(3)主因子F3的实际水质下降趋势也大于预测水质，说明工业污染也得到了有效的治理。主因子F2和F4实际水质及预测水质得分相差不大，存在实际水质得分高于预测水质得分的情况，说明蔷薇河黑臭水体综合整治措施对水体的无机污染治理以及物理环境改善情况尚不明显，在下一步的实施方案中应加强此方面的治理力度。

3 结 语

(1)利用因子分析法得到河流的主要污染因子，结合优化的非线性灰色伯努利模型对水质进行预测，通过直观明确的综合得分值和主要因子得分值分析实施黑臭水体整治措施对整体水质的改善效果以及对主要污染因子的治理效果。

(2)分析结果表明黑臭水体综合整治措施对蔷薇河水质整体状况有明显的改善效果，在控制蔷薇河的有机污染、生活污染以及工业污染方面也有一定的成效，但无机污染以及水体物理情况改善方面还存在不足。

(3)在已经实施河长制的基础上，对照新的要求和目标有计划地制定下一阶段的整治任务，重点推进建湖县“263[11](两减六治三提升)”治理生活垃圾、治理黑臭水体、治理畜禽养殖污染等专项行动，启动新一轮农村河道整治三年行动，实现“水清、岸绿、景美”，促进人水和谐共处。

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