钟美 陈义飞 祝琳 万田

［上海市政工程设计研究总院（集团）第六设计院有限公司，安徽合肥 230031］

1 引言

二十埠河发源自合肥市长丰县三十头乡南部，途经新站区、瑶海区、肥东县，是南淝河重要的一级支流，最终入巢湖［1］。二十埠河流域面积136 km2，河道长约27 km。其支流有陶冲河、小板桥河、三十埠河。其中，钟油坊上游区域为丘陵岗地，钟油坊下游为平畈圩区，地面高程一般在8～50 m。二十埠河的水质优劣会对巢湖水环境产生较大影响［1］。目前水质评价方法较多，常用的有单因子指数评价方法、综合污染指数评价方法、主成分分析法、水污染指数法［2］。单因子指数评价法操作简单，但不能整体反映水环境变化情况；而综合污染指数法可以反映多个参数对水质的综合影响，是水质评价中最常用的方法；主成分分析法采用降维思想对相关变量进行变换，可以降低主观随意性［3］；水污染指数法可以进行主要污染物识别以及比较劣Ⅴ类水质［2］。

在2020 年9 月至2021 年2 月间，对二十埠河流域内河道共计36 个断面的水质进行检测。本文运用综合污染指数法与主成分分析法评价河道水质污染程度，识别干、支流的重点污染物，结合流域污染调查情况，分析水质变化成因。

2 研究方法

2.1 样品采集与检测

在二十埠河干流布设21 个（编号E1～E21），监测断面支流布设15 个（编号Y1～Y15）监测断面，见图1。采样时间为2020 年9 月至2021 年2 月，每个月取样1 次，共计6 次。取样严格按照《水和废水监测分析方法（第四版）》［4］要求进行。水样检测指标包括COD、氨氮、总磷、总氮。COD 采用COD 重铬酸盐法，氨氮采用纳氏试剂分光光度法，总磷采用钼酸铵分光光度法，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。

图1 采样点位

2.2 水质评价方法

2.2.1 综合污染指数法

综合污染指数法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值，该方法可以确定主要污染物，反映多个水质参数与相应标准之间的综合对应关系［5］，计算简便，可以定量化分析水环境质量。均值污染指数公式如下：

式中，p 为水体的综合污染指数；pi为i 项水质指标的污染分指数；Ci为i 项水质指标的浓度值；Cs为i项水质指标的评价标准；n 为参与评价的指数项数。

p≤0.40，水质级别属于尚清洁；0.40＜p≤0.70，水质级别属于轻度污染；0.70＜p≤1.00，水质级别属于中度污染；1.00＜p≤2.00，水质级别属于重污染；p＞2.00，水质级别属于严重污染［6］。

本文选取4 个水质指标作为该河道治理工程中的主要评价指标，对一干三支的36 个断面进行河道水质综合评价。二十埠河执行地表水Ⅴ类水标准［7］。

2.2.2 主成分分析法

根据一组样品多个参数的原始数据，得出几个综合指标，即主成分。这些主成分既包含了原始变量的信息，又相互独立，对其中具有代表性的主成分进行以其贡献率为权数的加权平均，形成了一个综合评价函数，用来评价研究对象［2］。李静等对主成分分析具体步骤与原理做出详细描述［8］。刘伟等采用主成分分析法对大溪河干、支流的6 个水质指标提取2 个主成分，通过综合得分判断水质优劣［9］。王睿等对北京市通州区6 条主要河道的SS、COD、BOD5、氨氮、总氮、总磷等指标数据进行多维变量数据降维来评价河道水质状况［10］。赵建国等对永定河怀来段枯水期支干流进行监测，运用主成分分析法等方法，确定了流域主要污染因子及区域水质空间变化特征［11］。

本研究选取二十埠河一干三支的36 个断面的COD、氨氮、总磷、总氮指标作为研究对象，采用KMO 统计量和Bartlett 球形检验判定分析方法的适用性，对多维变量数据进行降维，选取累计方差贡献率89%作为主成分评价标准，监测主要污染因子。

3 结果与讨论

3.1 综合污染指数法

按照上述方法计算得出二十埠河干支流的综合污染指数。二十埠河干流21 个断面的综合污染指数介于1.12～1.72，属于重污染河道；陶冲支流断面的综合污染指数介于1.00～2.47，属于严重污染河道；小板桥河断面的综合污染指数介于0.82～2.22，属于严重污染河道；三十埠河断面的综合污染指数介于0.78～1.85，属于重污染河道。综上，二十埠河流域水体水质处于重污染状态，部分支流如陶冲支流、小板桥河水体水质处于严重污染状态。

3.2 主成分分析法

3.2.1 干流

选取COD、氨氮、总磷、总氮作为研究对象，应用SPSS 统计分析软件对其进行主成分分析，二十埠河干流监测数据的KMO 统计量检验结果为0.707，Bartlett 检验概率为0.000（＜0.01），说明主成分分析方法有效适用。依次得到其成分矩阵（见表2）以及各主成分系数式，主成分分析中提取的2 个主成分解释了总方差的89.568%。

表1 干流数据成分矩阵 mg/L

主成分1、主成分2 与各污染指标的线性组合分别为：

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

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

综合F1，F2 得到综合评分指数（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 的影响越大，水质污染程度越严重。干流各断面的综合评分指数见图2。

图2 干流的主成分综合得分

以上提取了2 个成分矩阵，其中第一主成分方差贡献率最大，故与第一主成分关系密切的指标被认为是水质状况的控制指标，所以总氮、氨氮是控制指标，对河道水质影响贡献大。

从图2 可以看出，E1～E6 综合得分为负值，位于二十埠河上游，水质较好，但E3～E10 综合得分处于逐渐上升趋势，受城市人类活动和工业企业超标水排放影响，断面水质逐渐变差。E10，E11，E14，E16，E17 的F 值大于1.00 分，表明污染程度严重，这些点位位于二十埠河中游，该处入河排口较多，部分排口水质经常处于超标状态，经溯源排查排水管道雨污混接较多，另外，雨水干管上截流设施存在重力截流、部分截流设施淤堵现象，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，综合得分处于逐步上升趋势，该段汇水范围内以农业产业园为主，有少数工厂与小区，城市开发强度低，周边小区存在雨污混接以及三十埠河的汇入，导致河段污染加重。

3.2.2 支流

支流监测数据的KMO 统计量检验结果为0.792，Bartlett 检验概率为0.000（＜0.01），说明主成分分析有效。主成分分析中提取的2 个主成分解释了总方差的93.104%。支流数据成分矩阵见表2。

表2 支流数据成分矩阵 mg/L

主成分1、主成分2 与各污染指标的线性组合分别为：

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

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

综合F1，F2 得到：

F=0.825 46×F1-0.105 59×F2

支流各断面的综合评分指数见图4。

图3 中第一主成分方差贡献率最大，由此得出总氮、氨氮是控制指标，对河道水质影响贡献大。

图3 支流的主成分综合得分

从图3 可以看出，Y1 综合得分为负值，其位于陶冲河上游，断面周边为公园，水质较好。Y2 综合得分2.90 分，受周边小区的雨污混接影响，排口存在旱季污水入河，加上支流流量较小，导致污染物浓度较高，水体污染十分严重。Y3 综合得分1.80 分，其位于小板桥河东支，河道流量大多为生态基流，排口污水入河，难以自净，水体污染严重。位于小板桥河西支及干流的Y4～Y9 综合得分处于逐渐上升趋势，说明受城市人类活动和开发强度影响，断面水质逐渐变差。位于三十埠河的Y10 综合得分0.20 分，周边居民区与工厂集中，水质轻微污染；Y11～Y13 综合得分为负值，该段周边为未开发地块，水质较好；Y14，Y15 综合得分为0.88 分、1.03 分，该段以农田为主，有少数工厂与居民区，入河排口少，点源污染情况少，据推断农业面源污染是导致该段污染严重的主要因素。

4 建议

二十埠河属于城乡接合部位的河流，既有城镇污染也有农业产业污染，水环境治理应结合区域特点，有的放矢。要加强雨污分流核查排查工作，实现环境执法与监测联动管理［12］，保质保量推进二十埠河流域雨污分流工作，杜绝旱季污水直排入河；加快排口规范化截流工作，确保低水位截流，实现截流设施自动化控制，加强已建成截流设施管理维护，确保截流设施正常运行；加快污水处理厂扩容建设，增强污水处理能力；加快二十埠河水环境项目建设，确保项目按期完工，尽早发挥工程效益；定期监测河道水质，做好河道自查工作。

5 结论

二十埠河一干三支共36 个断面的COD、氨氮、总磷、总氮指标采用综合污染指数法进行分析，结果表明，二十埠河干流、三十埠河水体水质处于重污染状态，陶冲支流、小板桥河水体水质处于严重污染状态。

主成分分析法得出，总氮、氨氮是影响水质状况的主要控制指标，干流中下游比上游污染严重。陶冲支流下游污染严重；小板桥河东支污染严重，西支及干流污染较重；三十埠河下游断面污染较重。整体上主成分分析法与综合污染指数法殊途同归，结论一致。

二十埠河流域排口旱季污水导致河道水质污染，管网存在雨污混接是根本原因，在工程实践中，管网混接整治复杂，难以做到雨污完全分流［13］，这是改善河道水质面临的一道难题。目前应从水环境治理角度出发，加强雨污分流整治和规范化截流改造，加快污水厂扩容，及时建设消纳污水等项目，使二十埠河流域水体水质有望得到好转。