阜阳市主要河流水质评价及污染源解析

王 振 龙

(1. 安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院,安徽 蚌埠 233000; 2.水利水资源安徽省重点实验室,安徽 蚌埠 233000)

河流是影响区域生态环境可持续发展的重要因素，尤其是受人类活动影响严重的内陆河。为了削减污染物，有效地控制河流污染，河流水质评价及污染源解析越来越受到学者的关注[1]。目前国内较常用的水质评价方法有综合水质标识指数法、内梅罗污染指数法、模糊理论综合评价法等。其中内梅罗污染指数法较多用于重金属评价，突出污染指数最大的重金属污染物对环境质量的影响和作用；模糊理论综合评价法近年来多用于地下水水质综合评价，其结果不能对劣Ⅴ类水进行准确的表述。综合水质标识指数法广泛用于河流水质评价，可定量分析不同因子对河流水质的综合影响，尤其可评价劣Ⅴ类水质，具有适用性广、操作简单等特点[2]。石平超等[3]采用综合水质标识指数法对湟水水质进行评价，并与国标单因子标识指数进行比较。张媛等[4]采用客观熵权法赋多指标权重对综合水质标识指数法进行合理性修正，分析太湖西苕溪流域水质，有效地避免了最差因子对评价结果的影响。近年来，有学者结合环境质量评价和多元统计分析，探究水体污染源，使评价更为准确、全面。AM Yasir等[5]结合水质标识指数法和多元统计对马来西亚奇尼湖水质进行了评价。周慧平等[6]通过对水污染源解析概念的阐述，分析了国内外水污染源解析的研究方法及进展。李文赞等[7]通过因子分析对滏阳河不同河段的污染源进行了源解析。虽然前人已对河流评价做了大量工作，但大多数只针对单一河流，对受人类影响严重的城市内陆河的全面、系统的研究较少。

本次研究对象为阜阳市，阜阳市地表水污染问题严重，且是以超采中深层地下水为主的典型缺水城市。待“引江济淮”工程通水后，阜阳市将逐渐实现地表水对地下水的置换，茨淮新河、淮河、颍河等地表水将作为阜阳市居民生活饮用水水源。本研究采用综合水质标识指数法，并结合因子分析，对阜阳市6条主要河流进行水环境质量评价，对污染物进行源解析。研究结果对阜阳市污染源控制、水环境改善、水安全保障具有十分重要的意义。

1 研究区概况

阜阳市位于安徽省西北部，位于黄淮海冲积平原区，淮河以北，地处北纬32°24′～33°35′、东经114°52′～116°30′之间。下辖界首、临泉、太和、颍上、阜南5个县级行政区和颍州、颍泉、颍东3个市辖区，全市总面积10 122.8 km2。区内地势平坦开阔，年均降水900.8 mm，降水年内分配不均，主要集中在6～8月份，年平均气温14.6℃，年平均无霜期216 d。境内河流均属淮河水系，有淮河、颍河、泉河、茨淮新河等10多条河流从境内穿过。

图1 采样点示意Fig.1 Sampling point

颍河是淮河最大的支流，由北向南流经界首、太和、阜阳城区、颍上，具有多闸坝、重污染等特点[8]；颍河支流泉河由西向东流经临泉、阜阳城区，具有人口活动密集，污染源较多，水系空间管理和控制能力相对薄弱的特点。近年来，阜阳市的工业发展导致颍河、泉河、黑茨河水岸杂乱、水流不畅,污染问题严峻，目前仅茨淮新河作为城市地表水饮用水水源。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

本次研究分别于2017年1月(枯水期)和8月(丰水期)，对阜阳市境内颍河、泉河、茨淮新河、淮河、黑茨河、谷河共34个点位(S1～S34)进行了样品采集(见图1)。所有样品采集使用500 mL高密度聚乙烯塑料瓶，采样前用原水反复冲洗，氮、磷指标样瓶加入硫酸酸化至pH<2，于0℃～4℃密封保存。

2.2 数据分析

本次数据处理采用SPSS 19.0统计分析，研究区概况及数据分析图采用Corel Draw x7和Origin 8.5进行绘制。

2.3 研究方法

2.3.1综合水质标识指数法

综合水质标识指数法是常用的地表水水环境评价方法[9]，其方法在单因子水质标识指数的基础上，对单个采样点所测试各项指标进行综合评价，避免单因子对评价造成影响[10]，且可对劣Ⅴ类水体进行比较和详细评价。

综合水质标识指数Iwq由整数位和4位或5位小数组成[11]，结构式如下：

Iwq=X1.X2X3X4X5

(1)

(2)

式中，X1，X2分别表示水质类别和在此类水质区间所处的位置，X3表示参与评价的指标中劣势于水功能区目标水质的个数，X4为判别综合水质类别是否劣于水环境功能区类别，X5表示参与评价的因子数量。

2.3.2因子分析法

因子分析法(PCA)是常用的多元统计方法[12]，通过在样点指标数据中筛选有代表性的因子，采用Varimax(最大正交旋转法)对因子载荷进行旋转，阐明数据提供的主要污染源信息。因子分析法适用性检验采用Kaiser-Meye-Olkin(KMO)和Bartlett球形法对水体标准化的监测数据进行相关矩阵检验[13]，KMO检测大于0.5，Bartlett球形度检验概率为0，则表明在99%置信区间内显著相关[14]。

3 结果与讨论

3.1 水质评价

图2 单因子水质标识指数结果比较Fig.2 Comparison of single factor water quality identification index

对阜阳市境内6条河流按丰水期、枯水期进行综合水质标识指数评分，结果见图3。

图3反映了阜阳市主要河流污染水平时空分布规律。① 采样点S1～S11分别位于颍河豫皖缓冲区至下段入淮河口。颍河水质从上游至下游呈好转趋势，S11采样点水质达到Ⅲ类水标准。颍河作为工业、农业用水区，从西北流经界首、太和、阜阳市区、颍上，流域面积广，受人类活动影响较大，尤其在上游豫皖缓冲区水质污染较为严重。② 泉河(S12～S22)从豫皖省界由西向东流经临泉，最后汇入颍河。泉河水质丰水期和枯水期变化相似，水质指数呈现先降低后增加的趋势，在流经城区水质污染最为严重。③ S24位于茨淮新河插花闸下，是阜阳市唯一的地表水饮用水水源取水口，水质满足Ⅲ类水目标要求；茨淮新河与颍河建有茨河铺闸，除特大暴雨导致闸上水位升高需茨淮新河分洪情况下，茨河铺闸基本关闭，因此上游来水主要为黑茨河水。④ 黑茨河河水丰水期、枯水期基本为Ⅳ～Ⅴ类水。根据调研，黑茨河本干沿线有33条直排河沟，主要排泄面上雨污，由于县城、乡镇和河南下泄污水排放，汛期开启沟口涵闸随雨水混流排入本干，对饮用水水源地茨淮新河造成一定程度污染。远期“引江济淮”工程实施后，阜阳市境内茨淮新河将全部划为饮用水水源保护区，因此对黑茨河的治理迫在眉睫。⑤ 淮河与谷河水质表现相似，丰水期水质基本为Ⅲ类，枯水期为Ⅳ类。

3.2 污染源解析

采用因子分析法对阜阳市颍河、泉河丰水期、枯水期污染源进行分析，定量反映各污染源对河流水体总体污染的贡献大小，结果见表1～2。通过检验，丰水期、枯水期KMO值均大于0.5，Sig检验概率为0.00，结果显著，表示数据呈现正态分布，适合因子分析。

图3 综合水质标识指数评分结果Fig.3 Comprehensive water quality identification index score results

表1 颍河污染因子分析的旋转载荷矩阵和贡献率Tab.1 Rotation component matrix and factor contribution from pollution factor analysis

注：采用主成分分析法、正交旋转；F1、F2、F3表示主成分因子1、2、3；*表示旋转公因子载荷<0.5，下同。

表2 泉河污染因子分析的旋转载荷矩阵和贡献率Tab.2 Rotation component matrix and factor contribution from pollution factor analysis

4 结 论

(1) 综合水质标识指数法研究表明：总体上，阜阳市6条主要地表河流丰水期水质优于枯水期，主要污染物为TN、TP，CODCr、CODMn次之，表明有机污染物为阜阳市地表河流的主要污染物，河流具有富营养化风险。

(2) 综合丰水期、枯水期分析阜阳市主要地表河流污染状况，颍河河水总体呈Ⅳ类，从上游至下游呈好转趋势；颍河、泉河缓冲区水质污染较重，超出目标水质。茨淮新河饮用水保护区水质较好，但上游黑茨河污染较重，主要与支流雨污直排有关。

(3) 因子分析结果显示，颍河丰水期最大影响因子F1与DO、TP和CODMn呈正相关，反映出农业面源污染对水环境的影响，枯水期最大影响因子与泉河相似，均反映水体富营养化状况；泉河丰水期最大影响因子F1主要受CODCr、CODMn和F-控制，反映了污水处理厂排放的生活、工业污水对水环境的影响。