绵竹市典型河流水污染特征及水质评价

常越亚 谢圆

摘要：于2017年3月、8月和11月，每月月初对绵竹市两条典型河流（绵远河与马尾河）5个监测断面表层水样进行采集，选取8个水质指标进行因子特征分析，并采用单因子评价法、综合污染指数法和主成分分析法对河流水质进行评价。两条河流水体呈弱碱性。单因子评价法表明，总磷（TP）为两条河流水质的主要限制因子。综合污染指数法表明，除马尾河中间断面外，其他水质状况均为轻度污染，且枯水期水质最差。主要污染因子为氨氮（NH3-N）、TP和高锰酸盐指数（CODMn）。主成分分析表明，断面水质主要受砷（As）、溶解氧（DO）、CODMn、氟离子（F-）、TP和NH3-N等多个因子影响，出境断面水质优于中间断面。3种方法结合定性和定量评价，评价结论不一致，所以应用多种方法来评价水质具有重要意义。

关键词：绵竹市;典型河流;水质评价;单因子评价法;综合污染指数法;主成分分析法

中国分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）01-00-04

Abstract： Water samples were collected in two typical rivers （Mianyuan River and Mawei River） of Mianzhu city in March，August，November of 2017 respectively.Factor characteristics analysis were performed using pH，dissolved oxygen （DO），ammonia nitrogen （NH3-N），total phosphorus （TP），permanganate index （CODMn），Arsenic （As）， oil （TPH） and fluorine ions （F-） as the physicochemical factors.Single-factor assessment method，comprehensive pollution index method and principal component analysis method were applied to evaluate the water quality of the rivers.The water body presented weak alkalinity.The single-factor assessment indicated that the first restrictive factors of water quality was TP.The results of comprehensive pollution index assessment showed that the water quality was in a mild pollution condition except for one sample section of Mawei River，with worse water quality in dry season period than in other two periods.NH3-N， TP and CODMn were the main pollution factors.The principal component analysis method showed that indexes such as As、DO、CODMn、F-、TP and NH3-N greatly influenced the water quality of the rivers.The outbound section water quality was better than intermediate section.The three methods were a combination of qualitative and quantitative evaluation.The results of each method were not identical with each other.So it is very important to work on water quality assessment using various methods.

Key words：Mianzhu city，Typical river;Water quality assessment;Single-factor assessment method;Comprehensive pollution index method;Principal component analysis method

水環境质量评价是环境管理与决策的重要依据。随着工业化和人口的快速增长，发展中国家的地表水质整体呈下降趋势[1]。绵竹作为旅游发展城市，其废水产生量相对较低，据统计，绵竹市2016年共计排放废水2711万t，其中工业源1058万t，生活源1653万t，其中，马尾河与绵远河是绵竹市两条主河流[2]。由于地表水环境易受人类活动影响，它们的水质评价对绵竹发展全域旅游，提高环境质量有着重要作用。目前，关于水环境质量评价的方法有多种，主要有单因子评价法、综合污染指数法、主成分分析法等[3]，这些方法各有优缺点，至今仍无统一和公认的评价方式。因此，采用多种评价方法，多角度结合定量和定性，对绵竹两条河流进行水质的全面评价及变化趋势研究具有一定的理论和研究意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集

样品采集分别于2017年3月（枯水期）、8月（丰水期）和11月（平水期）月初完成，共设有5个监测断面（见图1），包括绵远河的汉旺绝缘桥（S1）、红岩寺（S2）、马尾河的马尾河北桥（S3）、马尾河南桥（S4）、马尾河观鱼大桥（S5）。每个监测断面设1条垂线，分别采集表层（0.5 m）水样。各监测断面性质如表1所示。

1.2 测定方法

每次采样共监测8个指标：pH、高锰酸盐指数、氨氮、氟化物、总磷、溶解氧、砷、石油类。根据《水和废水监测分析方法（第四版）》[4]测定，其中，pH用HANNA HI98129型pH计测量，溶解氧（DO）采用HACH HQ30D溶氧仪测定;高锰酸盐指数（CODMn）采用酸性法测定;氨氮（NH3-N）采用纳氏试剂分光光度法测定;总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法测定;氟化物（F-1）采用氟试剂分光光度法测定;砷（As）采用原子荧光法测定;石油类（TPH）采用重量法。

1.3 数据处理与评价方法

利用SPSS19.0软件对数据进行分析[5]。为体现评价方法一致性，本研究中的单因子评价法、主成分分析法和综合污染指数法选取8个相同指标分析[3]。

1.3.1 单因子评价法

单因子评价法[6]依据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ类，按分类限值对各单项指标进行评价，由指标所在的限值范围确定地表水类别，由单指标评价最差结果的类别判定。本次评价对不同断面采用Ⅱ，Ⅲ类水质标准的限值作为单因子法的控制标准。

1.3.2 综合污染指数法

等权重综合污染指数可以评价两个河流5个断面的相对污染程度[7]。即用6个水质指标的实测值与其评价标准之比，作为单项污染指数（Pi）（除pH和DO外），然后通过等权重平均得到一个综合污染指数（Pj），计算公式为：

式中： Pj为j断面（水体）的综合污染指数;n为参加评价的污染物项数;Pi为第i项污染物的污染分指数; Ci为第i项污染物的年均值;Si为第i项污染物的水质标准值，具体见《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）表1中的Ⅱ，Ⅲ类水质标准限值。

其中，DO综合污染指数Pi计算方法[8]为：

式中：CDO.f为对应温度下的饱和溶解氧浓度;CDO为DO的实测浓度值;Si.DO为与水体功能类别对应的溶解氧浓度限值。

其中，pH综合污染指数Pi计算方法[8]为：

式中：pHi为pH的实测浓度值;pHsd为评价标准中pH的下限值;pHsu为评价标准中pH的上限值。

综合污染指数对应的水质分级如下：P≤0.20，清洁; 0.20

1.3.3 主成分分析法

主成分分析是通过全面分析8项指标，筛选出比原始指标少，但却可以解释主要原因的综合性指标[9]。

2 结果与讨论

2.1 水质因子特征

对两条河流5个断面丰水期、平水期和枯水期水质的8项指标平均值并作标准偏差进行分析，结果如图2所示。

2.1.1 理化和营养盐指标

由图2可知，各采样断面pH值范围为7.57～7.77，呈弱碱性，总体表现为丰水期>平水期>枯水期。ρ（NH3-N）全年在0.176～0.527 mg·L-1范围之间，S1和S3均低于0.5mg·L-1（Ⅱ类水质标准限值），S2、S4和S5均低于1.0 mg·L-1（Ⅲ类水质标准限值），整体趋势为平水期>丰水期>枯水期。ρ（F-1）全年平均值均低于1.0 mg·L-1 （Ⅱ类水质标准限值），变化范围为0.235～0.613 mg·L-1，绵远河断面总体表现为平水期>丰水期>枯水期，马尾河则为丰水期>枯水期>平水期。ρ（TP）全年变化范围为0.09-0.297 mg·L-1，马尾河各断面均高于0.2 mg·L-1 （Ⅲ类水质标准限值），绵远河各断面均低于0.1 mg·L-1 （Ⅱ类水质标准限值），总体表现为枯水期>丰水期>平水期。ρ（As）各断面全年平均值范围为0.014-0.018 mg·L-1，均低于0.05 mg·L-1（Ⅱ类水质标准限值），总体表现为平水期>枯水期>丰水期。

就TP和NH3-N而言，马尾河各断面不同水期之间差异较绵远河显著，就F-1而言，绵远河各断面不同水期之间差异较马尾河显著。

2.1.2 有机污染指标

各采样断面ρ（DO）平均值范围为6.41～6.89 mg·L-1，均高于6.0 mg·L-1（Ⅱ类水质标准限值），总体表现为丰水期>枯水期>平水期。ρ（CODMn）平均值均低于6.0 mg·L-1 （Ⅲ类水质标准限值）。ρ（TPH）平均值变化范围在0.02～0.023 mg·L-1，均低于0.05 mg·L-1（Ⅱ类水质标准限值）。

2.2 单因子评价结果

总体来说，绵远河和马尾河水体呈弱碱性，各采样断面在枯水期TP浓度均超标，TP浓度整体上呈枯水期>丰水期>平水期。马尾河TP超标严重，这可能与马尾河流经主城区有关[10]。

从3个不同水期的水质评价结果来看，ρ（CODMn）和ρ（TP）在各采样断面均存在超标现象。S3和S4断面枯水期CODMn浓度分别为7.4 mg·L-1和7.32 mg·L-1，远大于对应标准的4 mg·L-1和6 mg·L-1，总体上呈枯水期>平水期>丰水期。枯水期水质相对最差，这与Yeoman等[11]的研究结果基本相符。

2.3 综合污染指数评价结果

采用综合污染指数法对5个采样断面全年及不同水期进行分析，结果见表2。由表2可知，从全年的综合污染指数判断，绵远河断面水质级别均为轻度污染（0.454～0.539），马尾河S3断面在枯水期为重度污染（1.057），丰水期为中度污染（0.841），其余断面水质级别为轻度污染（0.471～0.600）。绵远河入境断面的污染程度相对较高，出境断面污染程度较低，马尾河出境断面污染程度也较低，但是市中心区域断面S3和S4的污染程度相对较高。

从不同水期来看，枯水期、丰水期和平水期的综合污染指数范围分别为0.486～1.057，0.311～0.843和0.489～0.604，其中平水期各断面综合污染指数均低于0.7，为轻度污染，枯水期40%断面综合污染指数高于0.7，丰水期20%断面综合污染指数高于0.7，可见水环境质量整体上呈现平水期优于丰水期优于枯水期。这可能是由于枯水期水量小，水环境容量低，自净能力较差，水体的更替速度慢而使汇入的污染物不能及时被稀释，从而水质最差[12-13]。而丰水期尽管水环境容量大，但面源污染加重，点面源污染的共同作用致使其水质也较差。

8项指标因子的污染分担率见图3。TP的污染分担率明显高于其他指标，在12.40%～37.68%之间。CODMn污染分担率次之，在11.91%～16.75%之间。这间接说明，马尾河和绵远河的主要污染贡献者为磷素和有机物，这可能与当地产业结构特征与分布（磷矿开采）有关。

NH3-N的污染分担率在4.85%～14.18%，相对TP的污染分担率较低。F-1的污染分担率在3.84%～16.90%之间，TPH污染分担率在5.95%～11.02%之间，As的污染分担率在4.07%～8.63%之间。其中，As作为化学致癌物[9]，可经饮水途径对人体健康造成危害，需要严格防控。

2.4 主成分分析评价结果

利用SPSS19.0软件对数据作标准化处理，并进行主成分分析。用最大方差法进行因子旋转，旋转后提取的因子载荷量见表3。按照特征值大于1的原则选取前三个成分进行分析，主成分1、2和3的累积贡献率达到93.998%。主成分1携带的信息最多，占39.692%，与其相关联的主要因子是As、DO、CODMn、F-、TP和NH3-N，载荷量绝对值分别为0.981、0.869、0.688、0.666、0.59和0.43，反映河流的水质受多因素综合影响[14];与主成分2相关联的主要因子是TPH、NH3-N和TP，对应的载荷量分别为0.843、0.836和0.835，该主成分在主成分1的基础上进一步反映水体受到有机污染物的影响;与主成分3相关联的主要因子是pH和CODMn，反映了水体pH和无机污染物有关系。

由成分得分系数矩阵等相关公式，计算得出5个监测断面的主成分得分（表4），可以定量描述各断面的水质污染程度。综合得分越高，水质越差[15]。由评价结果可知，马尾河通過城市后控制断面S4水质最差，这主要可能是由于马尾河流经绵竹主城区，受工业污染与生活污染影响较大。S1断面水质也较差，这可能是由于绵远河市控断面也距离生活区较近所致。S3断面水质相对优于S4，且对每条河流而言，出境断面水质优于入境断面，这主要是由于经过水体自净作用，出境水质变优。

2.5 三种方法的对比

综上，单因子评价法可以直接对河流断面水质进行定性评价，判定各断面的水质级别，但是不能对同一级别水质断面进行更详细的区分。综合污染指数法和主成分分析法的计算方法相对复杂，能够对水质进行定量判断，并对各断面水质进行排序，却不可以对各断面水质进行级别划分。

综合污染指数法和主成分分析法，均能清楚地反映河流某断面的污染程度。其中，综合污染指数法得出了TP、NH3-N和CODMn对水质影响较大的结论，而主成分分析法筛选出了As、DO、CODMn、F-、TP和NH3-N等多个因子的综合作用。造成污染因子差异的原因在于因子权重，综合污染指数法采用了均权处理没有考虑因子权重，主成分分析法则是利用方差累计贡献率作为因子权重进行计算的。

这3种评价方法各有优缺点，能够从不同角度反映各断面水质状况。所以，运用多种评价方法能全面地反映某流域水质状况与污染特征。

3 结论

绵远河和马尾河水体呈弱碱性，TP为主要超标污染物，其次是CODMn，枯水期水质相对最差。

两条河流5个断面的全年综合污染指数在0.454～0.841之间，绵远河为轻度污染，马尾河除S3断面外，其他断面也均为轻度污染。平水期水质整体上优于丰水期优于枯水期水质。TP、NH3-N和CODMn的污染分担率之和在70%左右，这对两条河流的水质影响较大，应引起足够重视。

主成分分析法筛选出了As、DO、CODMn、F-、TP和NH3-N等多个因子，综合得分表明水质最好的是马尾河出境断面，水质最差的为马尾河通过城市后的控制断面。

单因子评价法采取的是最差指标比对定性法，综合污染指数法和主成分分析法则是采用定量分析法。三种评价方法得出的结论不一致，但是采用定量和定性的不同方式可以更全面的分析水质及其污染特征。

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收稿日期：2019-12-02

项目信息：该项目由绵竹市PPP项目支持完成

作者简介：常越亚，博士，研究方向为突发环境事件应急预案、场地调查、危险废物鉴别、排污许可证申领与核发、环保管家等项目。