青弋江流域水質(zhì)評(píng)價(jià)及時(shí)空變化特征分析

吳轉(zhuǎn)璋 耿天召 伍震威 王歡

摘要 采用單因子評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和主成分分析法對(duì)青弋江流域7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2017—2019年6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別了流域的主要水質(zhì)指標(biāo)，得出青弋江流域的綜合水質(zhì)狀況和水質(zhì)時(shí)空變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：青弋江流域整體水質(zhì)為優(yōu)，主要水質(zhì)指標(biāo)為NH 3-N和TP;下游因工業(yè)污染源較多，水質(zhì)最差，上游主要污染源為林地腐殖質(zhì)等帶來(lái)的N、P污染，隨著水體自凈中游水質(zhì)優(yōu)于上游;汛期由于雨水沖刷帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染加重，水質(zhì)劣于其他月份，隨著對(duì)流域污染源排放管控的加強(qiáng)，流域水質(zhì)隨時(shí)間推移呈優(yōu)化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 青弋江;單因子評(píng)價(jià);模糊綜合評(píng)價(jià);主成分分析;時(shí)空變化趨勢(shì)

中圖分類號(hào) X 824? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）18-0079-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.18.020

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Water Quality Evaluation and Spatiotemporal Variation Characteristics of Qingyi River Basin

WU Zhuan-zhang1，GENG Tian-zhao2，WU Zhen-wei1 et al （1.Anhui Province Eco-Environmental Monitoring Center，Hefei， Anhui 230071;2.Suzhou Ecological Environment Bureau，Suzhou，Anhui 234000）

Abstract The single factor evaluation method， fuzzy comprehensive evaluation method and principal component analysis method were used to analyze the monitoring data of six water quality indicators of seven sections in Qingyi River Basin from 2017 to 2019. The main water quality indexes of the basin were identified. The comprehensive water quality and the spatiotemporal trends of water quality were obtained. The results showed that the overall water quality of Qingyi River Basin was excellent， and the main water quality indicators were NH 3-N and TP; the downstream water quality was the worst due to the large number of industrial pollution sources， and the main pollution source in the upstream was N and P pollution caused by forest humus. With the self purification of water body， the water quality in the middle reaches was better than that in the upper reaches; the water quality in flood season was worse than that in other months due to the agricultural non-point source pollution caused by rainwater， and the water quality of the basin tends to be optimized over time with strengthening the management of pollution discharge.

Key words Qingyi River;Single factor evaluation;Fuzzy comprehensive evaluation;Principal component analysis;Spatiotemporal trends

基金項(xiàng)目 第二次全國(guó)污染源普查工業(yè)源普查報(bào)表制度及普查數(shù)據(jù)質(zhì)量控制實(shí)施技術(shù)支持項(xiàng)目（22110399005）。

作者簡(jiǎn)介 吳轉(zhuǎn)璋（1981—），女，安徽太湖人，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)方面的研究。*通信作者，正高級(jí)工程師，從事環(huán)境管理研究。

收稿日期 2020-12-16

“十三五”以來(lái)，隨著“水十條”以及相關(guān)污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃的發(fā)布實(shí)施，我國(guó)水污染防治工作取得了明顯成效，水環(huán)境質(zhì)量得到顯著改善，但水環(huán)境質(zhì)量形勢(shì)依然嚴(yán)峻，水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作依然任重道遠(yuǎn)[1]。水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是水生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理分析，摸清水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣和變化特征，能夠?yàn)橹贫茖W(xué)的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施提供有效參考[2]。因此，采用合適的方法對(duì)水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要意義。

目前水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法有很多，比較常用的有單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和主成分分析法等。其中單因子評(píng)價(jià)法計(jì)算簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，可以直接根據(jù)評(píng)價(jià)因子的監(jiān)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，得出各評(píng)價(jià)因子的達(dá)標(biāo)情況、超標(biāo)因子以及超標(biāo)倍數(shù)等結(jié)果，能清晰明了地判斷出水體主要污染因子及超標(biāo)斷面位置，因此單因子評(píng)價(jià)法適用于快速判斷水質(zhì)類別，但是該方法用最差的水質(zhì)指標(biāo)等級(jí)作為該斷面的水質(zhì)類別，評(píng)價(jià)結(jié)果過(guò)于保守，難以對(duì)同一等級(jí)水質(zhì)類別進(jìn)行更詳細(xì)的優(yōu)劣排序。綜合污染指數(shù)法是將各評(píng)價(jià)因子的監(jiān)測(cè)值與其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之比作為單項(xiàng)污染指數(shù)，通過(guò)賦權(quán)綜合計(jì)算各單項(xiàng)污染指數(shù)得到綜合污染指數(shù)，該方法可以對(duì)整體水質(zhì)作出定量描述，但不同的賦權(quán)方法計(jì)算出的評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大。模糊綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)建立隸屬函數(shù)和權(quán)重集得到水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀全面，適用于分析水質(zhì)是否達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求，但目前隸屬度由人為主觀確定得出，評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大差異。主成分分析法能夠考慮到各指標(biāo)間的信息關(guān)聯(lián)，在最大限度地保留原始信息的同時(shí)，對(duì)高維變量進(jìn)行降維篩選出主要指標(biāo)，且能根據(jù)各斷面的綜合得分值對(duì)流域水質(zhì)進(jìn)行時(shí)空變化特征分析，但主成分分析法難以對(duì)水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行判定。以上評(píng)價(jià)方法側(cè)重點(diǎn)不同，各有優(yōu)劣，相互結(jié)合可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[3-9]。

為此，筆者以長(zhǎng)江的重要一級(jí)支流青弋江作為研究對(duì)象，根據(jù)2017—2019年青弋江流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合單因子評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和主成分分析法對(duì)青弋江流域水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，全面客觀地反映流域水質(zhì)狀況與變化特征，從而為流域水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

青弋江是長(zhǎng)江的重要一級(jí)支流，干流全長(zhǎng)309 km，流域面積約7 195 km2，起源于黃山市黟縣，經(jīng)石臺(tái)縣、黃山區(qū)，于周家坦注入陳村水庫(kù)（太平湖），出陳村水庫(kù)流經(jīng)涇縣、宣城、南陵、蕪湖等地，于蕪湖市區(qū)入長(zhǎng)江[10-11]。

該研究數(shù)據(jù)來(lái)源于青弋江流域7個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面2017—2019年數(shù)據(jù)，斷面設(shè)置自上游至下游分別為溪口村、城關(guān)上游、琴溪橋、涇南交界、百園新村、海南渡、寶塔根。根據(jù)青弋江地理位置特征可知，溪口村和城關(guān)上游為上游斷面，琴溪橋、涇南交界和百園新村為中游斷面，海南渡和寶塔根為下游斷面。其區(qū)位分布見(jiàn)圖1。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)對(duì)原始數(shù)據(jù)的初步分析，剔除未檢出數(shù)據(jù)以及水溫、pH等空值較多的項(xiàng)目，選取溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（COD Mn）、五日生化需氧量（BOD 5）、氨氮（NH 3-N）、化學(xué)需氧量（COD Cr）和總磷（TP）6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子評(píng)價(jià)法。

單因子評(píng)價(jià)法是用水體各監(jiān)測(cè)因子的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比該因子的水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，確定該因子水質(zhì)類別;在所有因子的水質(zhì)類別中選取水質(zhì)類別最差的類別作為

該水體的水質(zhì)類別。水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）確定。

1.3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法。

模糊評(píng)價(jià)法通過(guò)各因子的濃度值，除以對(duì)應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中各類別的平均值，得出權(quán)重值。再依據(jù)各監(jiān)測(cè)因子在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)各類別中的歸屬，得出隸屬度。最后通過(guò)矩陣復(fù)合運(yùn)算，確定總體水環(huán)境的類別[12]。

1.3.3 主成分分析法。

主成分分析法是設(shè)法將原來(lái)變量重新組合成一組新的相互無(wú)關(guān)的綜合變量，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要從中取出幾個(gè)較少的但盡可能多地反映原來(lái)變量信息的綜合變量的統(tǒng)計(jì)方法。主要計(jì)算步驟如下[13-14]：①原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化;②計(jì)算各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣;③計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值與特征向量;④計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率，確定主成分;⑤將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)變量轉(zhuǎn)換為主成分;⑥對(duì)主成分進(jìn)行加權(quán)求和，即得最終評(píng)價(jià)值并用其評(píng)判水質(zhì)，權(quán)數(shù)為每個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

首先采用《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法（試行）》（環(huán)辦〔2011〕22號(hào)文）規(guī)定的劃分水質(zhì)類別的單因子評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)價(jià)溪口村、城關(guān)上游、琴溪橋、涇南交界、百園新村、海南渡和寶塔根7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)狀況。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，2017—2019年青弋江流域各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)類別均穩(wěn)定在Ⅱ類（表1），水質(zhì)狀況為優(yōu)，確定青弋江流域水質(zhì)類別主要指標(biāo)是TP。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

青弋江流域水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)顯示（表1），2017—2019年青弋江流域各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)類別均穩(wěn)定在Ⅰ類，水質(zhì)狀況為優(yōu)。通過(guò)對(duì)權(quán)重指標(biāo)分析可知，2017—2019年7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的DO權(quán)重值均最大，分別為025、0.27、0.33、0.26、0.26、0.27、0.36、0.33、0.36、0.26、0.28、0.29、0.32、031、0.29、0.24、0.27、0.31、0.24、0.24、027，說(shuō)明DO是影響青弋江流域水質(zhì)的主要指標(biāo)。

2.3 主成分分析結(jié)果

分別對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)年均值和月均值進(jìn)行2個(gè)獨(dú)立的主成分分析。采用各監(jiān)測(cè)斷面不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)年均值進(jìn)行流域主要污染指標(biāo)的篩選以及水環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化趨勢(shì)分析，采用各監(jiān)測(cè)斷面不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)月均值進(jìn)行各監(jiān)測(cè)斷面水環(huán)境質(zhì)量的時(shí)間變化趨勢(shì)分析。

運(yùn)用 KMO 和 Bartlett球體檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，KMO檢驗(yàn)是對(duì)原始變量之間的簡(jiǎn)相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的相對(duì)大小進(jìn)行檢驗(yàn)，Bartlett球性檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)各變量是否各自獨(dú)立[15-16]。該研究計(jì)算得到年均值和月均值數(shù)據(jù)組KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值分別為0.52和0.56，均大于0.50，Bartlett球形檢驗(yàn)顯著性概率P值均小于 0.05，表明以上數(shù)據(jù)組指標(biāo)間相互不獨(dú)立，相關(guān)性較強(qiáng)，適宜進(jìn)行主成分分析。

分別對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)年均值和月均值數(shù)據(jù)組進(jìn)行降維處理，結(jié)果見(jiàn)表2和圖2。從年均值數(shù)據(jù)組降維結(jié)果來(lái)看，方差貢獻(xiàn)率大于10%的主成分有4個(gè)，對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為3865%、27.12%、13.13%和10.55%，前4個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為89.45%，高于80%。主成分1與TP和NH 3-N呈顯著正相關(guān)關(guān)系，主成分2與DO呈顯著正相關(guān)關(guān)系，主成分3與COD Mn和BOD 5呈顯著正相關(guān)關(guān)系，主成分4與DO和COD Cr呈顯著正相關(guān)關(guān)系。以上主成分涉及所有水質(zhì)指標(biāo)。

從月均值數(shù)據(jù)組降維結(jié)果來(lái)看，方差貢獻(xiàn)率大于10%的主成分也有4個(gè)，對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為31.30%、20.33%、1723%和13.58%，前4個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為8244%，高于80%。主成分1與TP、NH 3-N和COD Mn呈顯著正相關(guān)關(guān)系，主成分2與DO呈顯著正相關(guān)關(guān)系，主成分3與BOD 5呈顯著正相關(guān)關(guān)系，主成分4與COD Cr呈顯著正相關(guān)關(guān)系。以上主成分涉及所有水質(zhì)指標(biāo)。

對(duì)比分析青弋江流域各監(jiān)測(cè)斷面年均值數(shù)據(jù)組和月均值數(shù)據(jù)組降維結(jié)果，可知2組數(shù)據(jù)的主成分分析結(jié)果基本一致，篩選出青弋江流域主要水質(zhì)指標(biāo)為TP和NH 3-N。

青弋江流域年均值數(shù)據(jù)組水質(zhì)主成分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3，月均值數(shù)據(jù)組水質(zhì)主成分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

2.4 水質(zhì)時(shí)空變化特征分析

對(duì)青弋江流域年均值和月均值數(shù)據(jù)組水質(zhì)主成分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，得出青弋江流域水質(zhì)時(shí)空變化趨勢(shì)及各斷面水質(zhì)時(shí)間變化趨勢(shì)（圖3）。

2017—2019年青弋江流域年均值數(shù)據(jù)組水質(zhì)主成分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明（表3）：青弋江流域下游水質(zhì)最差，中游優(yōu)于上游;2019年各斷面水質(zhì)均優(yōu)于2017年水質(zhì)，青弋江流域整體水質(zhì)隨時(shí)間推移呈優(yōu)化趨勢(shì);2018年整體水質(zhì)變化趨勢(shì)不明顯，溪口村和琴溪橋2018年水質(zhì)在2017—2019年中最優(yōu)，百園新村和寶塔根水質(zhì)在3年中最差。

2017—2019年青弋江流域月均值數(shù)據(jù)組水質(zhì)主成分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明（表4）：溪口村斷面2017年5、6月水質(zhì)最差，10、12月份水質(zhì)最優(yōu);2018年4、9月水質(zhì)最差，10—12月水質(zhì)最優(yōu);2019年2、6、9月水質(zhì)最差，5、10—12月水質(zhì)最優(yōu)。城關(guān)上游斷面2017年7、8月水質(zhì)最差，1月次之，其他月份曲線基本平穩(wěn);2018年9月水質(zhì)最差，6月次之，2月水質(zhì)最優(yōu);2019年5—8、11月水質(zhì)最差，1月水質(zhì)最優(yōu)。琴溪橋斷面2017年9月水質(zhì)最差，11、12月水質(zhì)最優(yōu);2018年水質(zhì)曲線基本平穩(wěn);2019年6月水質(zhì)最差，12月水質(zhì)最優(yōu)。涇南交界斷面2017年9月水質(zhì)最差，其他月份曲線基本平穩(wěn);2018年10月水質(zhì)最差，7、12月次之，其他月份曲線基本平穩(wěn);2019年8、9月水質(zhì)最差，1月最優(yōu)。百園新村斷面連續(xù)3年水質(zhì)變化曲線基本一致，7月份最差，其他月份曲線基本平穩(wěn)。海南渡斷面2017年7月水質(zhì)最差，12月次之，其他月份基本平穩(wěn);2018年9月水質(zhì)最差，12月次之，7月最優(yōu);2019年9月水質(zhì)最差，6月次之，1月最優(yōu)。寶塔根斷面連續(xù)3年水質(zhì)變化基本一致，6—9月最差，12月次之，其他月份基本平穩(wěn)。綜合分析各斷面水質(zhì)變化，得出青弋江流域汛期水質(zhì)明顯劣于其他月份。

3 討論

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

該研究的3種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法側(cè)重點(diǎn)不同，評(píng)價(jià)結(jié)果也略有差異。單因子評(píng)價(jià)法用最差的水質(zhì)等級(jí)代表評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)各采樣點(diǎn)位的TP濃度評(píng)價(jià)青弋江水質(zhì)為Ⅱ類，評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面，但計(jì)算結(jié)果安全性高。模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果相差1個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示青弋江水質(zhì)為Ⅰ類，模糊綜合評(píng)價(jià)法充分考慮了各評(píng)價(jià)因子的綜合影響，評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀全面，但模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)指標(biāo)權(quán)重矢量的確定主觀性較強(qiáng)，會(huì)掩蓋一些重要水質(zhì)指標(biāo)的影響。主成分分析法難以對(duì)水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行判定。

影響單因子評(píng)價(jià)結(jié)果的主要水質(zhì)指標(biāo)是TP，模糊綜合評(píng)價(jià)中DO權(quán)重值最大，DO對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響最大，主成分分析法結(jié)果顯示第1個(gè)主成分對(duì)應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)為TP和NH 3-N，第2個(gè)主成分對(duì)應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)為DO，主成分分析法與單因子評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，且包含單因子和模糊綜合評(píng)價(jià)的主要水質(zhì)指標(biāo)，因此主成分分析法更為客觀、全面。

單因子和模糊綜合評(píng)價(jià)法只能對(duì)水體進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，主成分分析法能對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行定量描述，且能根據(jù)描述結(jié)果進(jìn)行時(shí)空變化特征分析。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際調(diào)查情況對(duì)比分析

青弋江流域上游主要污染源是林地和農(nóng)村生活源，中游主要為農(nóng)村生活源和農(nóng)業(yè)面源，下游進(jìn)入蕪湖市段主要為工業(yè)污染源，因此整個(gè)流域以富營(yíng)養(yǎng)污染為主，流域下游由于工業(yè)污染源較多，水質(zhì)最差，上游主要污染源為林地腐殖質(zhì)等帶來(lái)的N、P污染，隨著水體自凈，中游水質(zhì)優(yōu)于上游，汛期由于雨水沖刷帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染加重水質(zhì)劣于其他月份;隨著對(duì)流域污染源排放管控的加強(qiáng)，流域水質(zhì)隨時(shí)間推移呈優(yōu)化趨勢(shì)。以上調(diào)查結(jié)果均與評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

4 結(jié)論

（1）單因子、模糊綜合和主成分分析相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法可用于青弋江流域水質(zhì)評(píng)價(jià)和時(shí)空變化特征的綜合分析。結(jié)果顯示，青弋江流域整體水質(zhì)狀況穩(wěn)定在Ⅱ類以上，主要水質(zhì)指標(biāo)為NH 3-N和TP;青弋江流域下游水質(zhì)最差，中游水質(zhì)優(yōu)于上游;2019年各斷面水質(zhì)均優(yōu)于2017年，青弋江流域整體水質(zhì)隨時(shí)間的推移呈優(yōu)化趨勢(shì)，青弋江流域汛期水質(zhì)明顯劣于其他月份。

（2）青弋江流域整體水質(zhì)為優(yōu)，但中上游農(nóng)業(yè)面源及蕪湖市段工業(yè)點(diǎn)源污染仍是該流域兩大污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，該流域仍需加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染控制和下游蕪湖市段工業(yè)污染末端治理，注重污染預(yù)防，從源頭和全過(guò)程減少污染物的產(chǎn)生。

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