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摘要：基于2006—2012年张家港二干河4个监测断面的9项水质指标数据，综合运用水质标识指数（WQI）、方差分析（ANOVA）和因子分析（FA）的方法分析张家港二干河水质时空分异特征，并解析污染来源。2006—2012年间，河道整体污染水平呈减轻趋势，4个监测断面污染程度由低到高依次为十一圩闸<栏杆桥<港丰公路大桥<蒋桥，呈现河道中段污染较严重的现象；所有断面各年粪大肠杆菌、铵态氮和总氮的污染程度均较严重；不同年份二干河的主导污染源有所差别，近年来工业点源污染、农村及城市生活面源污染起综合的作用。运用以上3种方法可以客观合理地评价二干河的水质变化状况，为水环境治理提供参考。
关键词：江南河网地区；二干河；水质标识指数；多元统计分析；时空分布；污染源
中图分类号： X824文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0351-04
收稿日期：2014-07-11
基金项目：国家科技支撑计划（编号：2012BAJ25B07）。
作者简介：曹晓艳（1990—），女，江苏苏州人，硕士研究生，主要从事河道修复研究。E-mail：yxh20000905@163.com。
通信作者：成水平，博士，教授，主要从事生态工程研究。Tel：（021）65980763；E-mail：shpcheng@tongji.edu.cn。城市河流作为区域居民生活污水、工业废水和地表径流排放等污染源的主要载体，最易遭受到污染和破坏。近几十年来，地方政府部门开展了大量河流水质监测项目，鉴于各个监测指标及监测点之间存在复杂的相互影响，无法直观地提供给地方决策者管理和改善水环境的依据[1-4]；因此，有必要以大量的环境监测数据为基础，综合评价河流水质，识别潜在污染源，帮助决策者建立高效合理的水环境管理和综合治理方案[4-5]。近年来，各类评价方法和多元统计方法被广泛应用于水质综合评价。水质标识指数法（WQI）是一种基于代数运算的水质连续性刻画评价方法[6]，对水质进行定性与定量评价，并考虑多个水质因子之间的相互作用，能够较好地评价污染严重的河流水质[7-10]。多元统计技术能够对复杂的多元数据进行降维简化，且可以保证主要信息不会丢失。方差分析、因子分析作为传统的多元统计技术，在水质时空分异特征及潜在污染源识别上得到普遍的应用[11-15]。本研究基于江苏省张家港市二干河水质监测数据，应用综合水质标识指数法和方差分析法对水质进行综合评价，揭示河道水质污染特征和时空变化规律；结合单因子标识指数识别不同时间段不同区域水环境的主要污染源，以期较客观合理地评价水环境治理措施对该河道水质提升的效果，为江南河网地区典型城市河流的水质评价和环境治理工作提供借鉴。
1材料与方法
1.1研究区概况
张家港市水系属长江流域太湖水系，长江萦绕于西北部、北部和东北部，属典型平原感潮河网地区。全市的河网布局为南北分片控制，相互之间水系连通性差，无法实现水体的充分交换和循环流动。二干河是张家港市的一条锡北运河主航道，提供工业、农业用水，自江苏省江阴市北涸起到十一圩港口，长约27 km，流域面积约为7 210 hm2，功能区目标为地表水Ⅳ类水。
1.2数据收集
水质数据为张家港环境监测站2006—2012年的监测数据，其水质采样在1—12月各进行1次，水质指标均采用国家地表水环境质量标准基本分析方法进行分析[16]。选取二干河4个典型监测断面作为分析点位（图1），每个点位选择高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、铵态氮（NH 4-N）含量、石油类含量、挥发酚含量、化学需氧量（CODCr）、总氮（TN）含量、总磷（TP）含量和粪大肠杆菌数量9项指标作为水质分析参数。为了便于分析，取每个指标12个月的平均值作为分析数据。
1.3研究方法
1.3.1水质标识指数单因子水质标识指数Pi可表示为：
Pi=W1.W2W3。
式中：W1为第i项水质指标的水质类别，W2为监测数据在W1类水质变化区间中所处的位置，W3表示水质类别与功能区划设定类别的比较结果，视评价指标的污染程度而定[17-18]。
综合水质标识指数（Iwq）由整数位和3位小数位组成。表示为：
Iwq=X1.X2X3X4。
式中：X1为综合水质类别，X2为综合水质在X1类水浓度区间中距下限值的位置，X3为参与评价的指标中劣于水环境功能区水质类别的指标个数，X4为综合水质劣于水环境功能区目标的类别数[19]。上述两式中的W1.W2和X1.X2由计算获得，W3、X3和X4根据比较结果得到。通过综合水质标识指数可以判断河流是否黑臭，判断标准为：6.0 劣于Ⅴ类，但不黑臭；X1.X2>7.0，水体黑臭[19]。
1.3.2多元统计分析在水质评价过程中，考虑到水体污染物在时间、空间上的差异性与相似性，采用方差分析的方法对各评价指标分别进行年际间和空间上的显著差异性检验。
因子分析是一种数据简化技术，通过研究众多变量之间的内部依赖关系，探求观测数据之间的基本结构，并用少数几个独立的不可观测变量（因子）来表示其基本的数据结构。各公因子对应的最高因子载荷变量对其有最强的解释能力[20]。根据负荷值的大小将变量的相关性水平分为3类：负荷值>0.75，为显著相关；负荷值∈（0.50，0.75]，中等相关；负荷值∈[0.30，0.50]，为弱相关[5]。水质分析中常用因子分析提取污染因子对污染源定性[2，5，8，11，14，21]。
2结果与分析
2.1水质时空变化综合评价
2006—2012年二干河栏杆桥、蒋桥、港丰公路和十一圩闸4个断面综合水质标识指数的评价结果见图2。由图2可见，2006—2012年间，二干河整体污染程度呈减轻趋势，各年综合WQI值分别为6.734、6.314、6.236、5.712、5.893、5654、5.983，由劣Ⅴ类水体提升至Ⅴ类水体；但目前二干河水质仍未达地表水Ⅳ类水的功能区目标。二干河栏杆桥、蒋桥、港丰公路大桥和十一圩闸4个监测断面年平均WQI值分别为5.37、7.45、6.25、5.25，污染程度由低到高依次为十一圩闸<栏杆桥<港丰公路大桥<蒋桥，河道呈现中段污染较大的特点。除了栏杆桥和十一圩闸断面，其余各断面两两间均差异极显著（P<0.01）。栏杆桥和蒋桥断面污染程度呈现波动性下降趋势，WQI值分别下降24%、25%，水质逐年改善。栏杆桥断面以居民用地为主。随着城镇化发展，生活污水接管率不断提高，断面水质得到改善。蒋桥断面WQI极显著高于其他断面（P<0.01）。该断面以工业用地和居民用地为主，城市中心不断扩张，大多企业往下游迁移或关停，断面工业负荷大幅度下降，水质在短期能得到改善。同时，该区域人口密度和硬化路面的比例增大，城市径流等面源污染负荷逐步成为该断面的主要污染源，水质在2010年出现恶化。港丰公路断面7年间综合水质均处于劣Ⅴ类，黑臭问题频频暴发。蒋桥-港丰公路段以居住用地和工业用地为主，沿途接纳工业废水和生活污水，NH 4-N含量超标造成了水体缺氧而呈黑臭状态（图3）[22]。十一圩闸断面2006—2009年水质波动较大，2010—2011年综合水质达到功能区目标。十一圩闸位于入江口，长江水对其稀释作用明显。 进一步对2006—2012年各断面的月综合水质标识指数进行统计分析，结果见图4。由图4可知，栏杆桥断面2006—2012年间各个月WQI值均在3～8之间波动，该断面每年（2006—2012年）1月综合标识指数均超过年均WQI，属于污染最严重的月之一，因为张家港市1月属于冬季少雨期，水体水流不畅，富氧情况差，污染物累积，所以导致该月污染严重；蒋桥断面WQI在5～10之间波动；港丰公路断面2006—2010年各月WQI均在4～9之间波动，2011年、2012年各月WQI在3～12之间波动；十一圩闸断面2006—2012年间各月综合标识指数均在3～8之间波动，5月在大多数年份中的污染均较严重。二干河是一条高度人工受控河流，在雨量较小的干旱季节往往通过人为调水保证河道充盈，同时河道清淤等整治工作可使河道水质在短时间内发生较大变化。
2.2断面污染特征分析
基于“2.1”节中的水质时空综合评价，由各断面的单因子水质标识指数进一步分析各断面污染特征（图3）。2006—2012年间，栏杆桥断面CODCr、BOD5、CODMn、石油类含量和挥发酚含量的平均值均能达到水质功能区目标，而大肠杆菌
污染最严重，其次是TN和NH 4-N。港丰公路和蒋桥断面仅CODMn、石油类含量和挥发酚含量达到水质功能区目标，主要污染因子为NH 4-N、TN和大肠杆菌，其中蒋桥断面TP单因子标识指数为6.25，磷污染严重。十一圩闸断面CODCr、TP含量、BOD5、高锰酸盐含量、石油类含量和挥发酚含量的平均值达到Ⅴ类水标准。
2006—2012年，所有断面粪大肠杆菌数量、NH 4-N含量、TN含量超标严重，可能是乡镇污水处理规模与人口增长不一致，农村生活污水、畜牧养殖废水的排入导致河流污染。有资料显示，NH 4-N含量、粪大肠杆菌数量的升高标志着生活污水、人畜排泄物的排入[23]。
2.3污染源解析
利用因子分析对2006—2012年间各水质参数进行污染源分析，结果见表1。由表1可知，2006年，第1变量因子（VF1）与TN含量和CODMn强相关，与BOD5和NH 4-N含量中度相关，主要代表耗氧有机污染[20]。VF2表征因子为TP含量和粪大肠杆菌数量，代表着城市生活及养殖废水等面源污染。VF3主要代表工业污染源。因此，2006年二干河受到综合污染。2007年的VF1表征因子为CODMn和CODCr；VF2表征因子为石油类含量，主要污染源为工业污染。2008年VF1 表征因子为TN含量和NH 4-N含量，NH 4-N最主要的来源是生活污水，其次还可来源于降雨径流。NH 4-N是水体中的主要耗氧物，这就解释了CODMn在VF1上也占有较高载荷的原因；VF2与TP含量强相关，与CODCr、BOD5和粪大肠杆菌数量中度相关，表明其污染来源可能是与养殖废水和生活污水相关的面源污染。可见，工业整治初见成效，河道污染情况呈现出以面源污染为主、点源污染为次的格局。2009年VF1与石油类、TN、TP含量强相关，主要代表工业污染；VF2与NH 4-N含量和CODCr强相关；VF3与粪大肠杆菌数量强相关。2010年VF1的方差贡献率为43.553%，与CODMn、BOD5、挥发酚含量和CODCr强相关，主要代表市政污水和工业点源对河道水质的影响。2011年VF1与粪大肠杆菌数量和石油类含量强相关，主要代表径流污染[5]；VF2的表征因子为CODCr和TN含量，主要代表工业污染；VF3的表征因子为CODMn和BOD5，主要代表有机污染，说明河道水体受快速城市化引起的市政污水排放的强烈影响[2，24]。2012年9项水质指标分别在不同的变量因子上均占有较高的载荷，这表明工业污水、市政污水、农村农业及城市活动对河道水质起综合作用，没有明显的主导污染源。因此，2009—2012年工业污水、市政污水、农村农业及城市活动对二干河水质起综合影响。
3结论
采用综合水质标识指数法评价二干河的水质，结果表明，2006—2012年间河道整体污染程度减轻，水质得到改善，由劣Ⅴ类提升至Ⅴ类，但仍未达到功能区目标，水污染控制与水环境治理仍要加大力度。
二干河4个监测断面污染程度由低到高依次为十一圩闸<栏杆桥<港丰公路大桥<蒋桥，呈现河道中段污染较严重的现象，与其工业发展、居住人口较多有关。断面各月综合指数波动受降雨径流、河道清淤和闸控调度的影响。
污染；2007年工业污染占主导作用；2008年工业治理初见成效，河道污染情况呈现出面源污染为主、点源污染为次的格局；2009—2012河道受到工业点源和农村及城市生活面源的综合作用。
参考文献：
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关键词：江南河网地区；二干河；水质标识指数；多元统计分析；时空分布；污染源
中图分类号： X824文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0351-04
收稿日期：2014-07-11
基金项目：国家科技支撑计划（编号：2012BAJ25B07）。
作者简介：曹晓艳（1990—），女，江苏苏州人，硕士研究生，主要从事河道修复研究。E-mail：yxh20000905@163.com。
通信作者：成水平，博士，教授，主要从事生态工程研究。Tel：（021）65980763；E-mail：shpcheng@tongji.edu.cn。城市河流作为区域居民生活污水、工业废水和地表径流排放等污染源的主要载体，最易遭受到污染和破坏。近几十年来，地方政府部门开展了大量河流水质监测项目，鉴于各个监测指标及监测点之间存在复杂的相互影响，无法直观地提供给地方决策者管理和改善水环境的依据[1-4]；因此，有必要以大量的环境监测数据为基础，综合评价河流水质，识别潜在污染源，帮助决策者建立高效合理的水环境管理和综合治理方案[4-5]。近年来，各类评价方法和多元统计方法被广泛应用于水质综合评价。水质标识指数法（WQI）是一种基于代数运算的水质连续性刻画评价方法[6]，对水质进行定性与定量评价，并考虑多个水质因子之间的相互作用，能够较好地评价污染严重的河流水质[7-10]。多元统计技术能够对复杂的多元数据进行降维简化，且可以保证主要信息不会丢失。方差分析、因子分析作为传统的多元统计技术，在水质时空分异特征及潜在污染源识别上得到普遍的应用[11-15]。本研究基于江苏省张家港市二干河水质监测数据，应用综合水质标识指数法和方差分析法对水质进行综合评价，揭示河道水质污染特征和时空变化规律；结合单因子标识指数识别不同时间段不同区域水环境的主要污染源，以期较客观合理地评价水环境治理措施对该河道水质提升的效果，为江南河网地区典型城市河流的水质评价和环境治理工作提供借鉴。
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张家港市水系属长江流域太湖水系，长江萦绕于西北部、北部和东北部，属典型平原感潮河网地区。全市的河网布局为南北分片控制，相互之间水系连通性差，无法实现水体的充分交换和循环流动。二干河是张家港市的一条锡北运河主航道，提供工业、农业用水，自江苏省江阴市北涸起到十一圩港口，长约27 km，流域面积约为7 210 hm2，功能区目标为地表水Ⅳ类水。
1.2数据收集
水质数据为张家港环境监测站2006—2012年的监测数据，其水质采样在1—12月各进行1次，水质指标均采用国家地表水环境质量标准基本分析方法进行分析[16]。选取二干河4个典型监测断面作为分析点位（图1），每个点位选择高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、铵态氮（NH 4-N）含量、石油类含量、挥发酚含量、化学需氧量（CODCr）、总氮（TN）含量、总磷（TP）含量和粪大肠杆菌数量9项指标作为水质分析参数。为了便于分析，取每个指标12个月的平均值作为分析数据。
1.3研究方法
1.3.1水质标识指数单因子水质标识指数Pi可表示为：
Pi=W1.W2W3。
式中：W1为第i项水质指标的水质类别，W2为监测数据在W1类水质变化区间中所处的位置，W3表示水质类别与功能区划设定类别的比较结果，视评价指标的污染程度而定[17-18]。
综合水质标识指数（Iwq）由整数位和3位小数位组成。表示为：
Iwq=X1.X2X3X4。
式中：X1为综合水质类别，X2为综合水质在X1类水浓度区间中距下限值的位置，X3为参与评价的指标中劣于水环境功能区水质类别的指标个数，X4为综合水质劣于水环境功能区目标的类别数[19]。上述两式中的W1.W2和X1.X2由计算获得，W3、X3和X4根据比较结果得到。通过综合水质标识指数可以判断河流是否黑臭，判断标准为：6.0
1.3.2多元统计分析在水质评价过程中，考虑到水体污染物在时间、空间上的差异性与相似性，采用方差分析的方法对各评价指标分别进行年际间和空间上的显著差异性检验。
因子分析是一种数据简化技术，通过研究众多变量之间的内部依赖关系，探求观测数据之间的基本结构，并用少数几个独立的不可观测变量（因子）来表示其基本的数据结构。各公因子对应的最高因子载荷变量对其有最强的解释能力[20]。根据负荷值的大小将变量的相关性水平分为3类：负荷值>0.75，为显著相关；负荷值∈（0.50，0.75]，中等相关；负荷值∈[0.30，0.50]，为弱相关[5]。水质分析中常用因子分析提取污染因子对污染源定性[2，5，8，11，14，21]。
2结果与分析
2.1水质时空变化综合评价
2006—2012年二干河栏杆桥、蒋桥、港丰公路和十一圩闸4个断面综合水质标识指数的评价结果见图2。由图2可见，2006—2012年间，二干河整体污染程度呈减轻趋势，各年综合WQI值分别为6.734、6.314、6.236、5.712、5.893、5654、5.983，由劣Ⅴ类水体提升至Ⅴ类水体；但目前二干河水质仍未达地表水Ⅳ类水的功能区目标。二干河栏杆桥、蒋桥、港丰公路大桥和十一圩闸4个监测断面年平均WQI值分别为5.37、7.45、6.25、5.25，污染程度由低到高依次为十一圩闸<栏杆桥<港丰公路大桥<蒋桥，河道呈现中段污染较大的特点。除了栏杆桥和十一圩闸断面，其余各断面两两间均差异极显著（P<0.01）。栏杆桥和蒋桥断面污染程度呈现波动性下降趋势，WQI值分别下降24%、25%，水质逐年改善。栏杆桥断面以居民用地为主。随着城镇化发展，生活污水接管率不断提高，断面水质得到改善。蒋桥断面WQI极显著高于其他断面（P<0.01）。该断面以工业用地和居民用地为主，城市中心不断扩张，大多企业往下游迁移或关停，断面工业负荷大幅度下降，水质在短期能得到改善。同时，该区域人口密度和硬化路面的比例增大，城市径流等面源污染负荷逐步成为该断面的主要污染源，水质在2010年出现恶化。港丰公路断面7年间综合水质均处于劣Ⅴ类，黑臭问题频频暴发。蒋桥-港丰公路段以居住用地和工业用地为主，沿途接纳工业废水和生活污水，NH 4-N含量超标造成了水体缺氧而呈黑臭状态（图3）[22]。十一圩闸断面2006—2009年水质波动较大，2010—2011年综合水质达到功能区目标。十一圩闸位于入江口，长江水对其稀释作用明显。 进一步对2006—2012年各断面的月综合水质标识指数进行统计分析，结果见图4。由图4可知，栏杆桥断面2006—2012年间各个月WQI值均在3～8之间波动，该断面每年（2006—2012年）1月综合标识指数均超过年均WQI，属于污染最严重的月之一，因为张家港市1月属于冬季少雨期，水体水流不畅，富氧情况差，污染物累积，所以导致该月污染严重；蒋桥断面WQI在5～10之间波动；港丰公路断面2006—2010年各月WQI均在4～9之间波动，2011年、2012年各月WQI在3～12之间波动；十一圩闸断面2006—2012年间各月综合标识指数均在3～8之间波动，5月在大多数年份中的污染均较严重。二干河是一条高度人工受控河流，在雨量较小的干旱季节往往通过人为调水保证河道充盈，同时河道清淤等整治工作可使河道水质在短时间内发生较大变化。
2.2断面污染特征分析
基于“2.1”节中的水质时空综合评价，由各断面的单因子水质标识指数进一步分析各断面污染特征（图3）。2006—2012年间，栏杆桥断面CODCr、BOD5、CODMn、石油类含量和挥发酚含量的平均值均能达到水质功能区目标，而大肠杆菌
污染最严重，其次是TN和NH 4-N。港丰公路和蒋桥断面仅CODMn、石油类含量和挥发酚含量达到水质功能区目标，主要污染因子为NH 4-N、TN和大肠杆菌，其中蒋桥断面TP单因子标识指数为6.25，磷污染严重。十一圩闸断面CODCr、TP含量、BOD5、高锰酸盐含量、石油类含量和挥发酚含量的平均值达到Ⅴ类水标准。
2006—2012年，所有断面粪大肠杆菌数量、NH 4-N含量、TN含量超标严重，可能是乡镇污水处理规模与人口增长不一致，农村生活污水、畜牧养殖废水的排入导致河流污染。有资料显示，NH 4-N含量、粪大肠杆菌数量的升高标志着生活污水、人畜排泄物的排入[23]。
2.3污染源解析
利用因子分析对2006—2012年间各水质参数进行污染源分析，结果见表1。由表1可知，2006年，第1变量因子（VF1）与TN含量和CODMn强相关，与BOD5和NH 4-N含量中度相关，主要代表耗氧有机污染[20]。VF2表征因子为TP含量和粪大肠杆菌数量，代表着城市生活及养殖废水等面源污染。VF3主要代表工业污染源。因此，2006年二干河受到综合污染。2007年的VF1表征因子为CODMn和CODCr；VF2表征因子为石油类含量，主要污染源为工业污染。2008年VF1 表征因子为TN含量和NH 4-N含量，NH 4-N最主要的来源是生活污水，其次还可来源于降雨径流。NH 4-N是水体中的主要耗氧物，这就解释了CODMn在VF1上也占有较高载荷的原因；VF2与TP含量强相关，与CODCr、BOD5和粪大肠杆菌数量中度相关，表明其污染来源可能是与养殖废水和生活污水相关的面源污染。可见，工业整治初见成效，河道污染情况呈现出以面源污染为主、点源污染为次的格局。2009年VF1与石油类、TN、TP含量强相关，主要代表工业污染；VF2与NH 4-N含量和CODCr强相关；VF3与粪大肠杆菌数量强相关。2010年VF1的方差贡献率为43.553%，与CODMn、BOD5、挥发酚含量和CODCr强相关，主要代表市政污水和工业点源对河道水质的影响。2011年VF1与粪大肠杆菌数量和石油类含量强相关，主要代表径流污染[5]；VF2的表征因子为CODCr和TN含量，主要代表工业污染；VF3的表征因子为CODMn和BOD5，主要代表有机污染，说明河道水体受快速城市化引起的市政污水排放的强烈影响[2，24]。2012年9项水质指标分别在不同的变量因子上均占有较高的载荷，这表明工业污水、市政污水、农村农业及城市活动对河道水质起综合作用，没有明显的主导污染源。因此，2009—2012年工业污水、市政污水、农村农业及城市活动对二干河水质起综合影响。
3结论
采用综合水质标识指数法评价二干河的水质，结果表明，2006—2012年间河道整体污染程度减轻，水质得到改善，由劣Ⅴ类提升至Ⅴ类，但仍未达到功能区目标，水污染控制与水环境治理仍要加大力度。
二干河4个监测断面污染程度由低到高依次为十一圩闸<栏杆桥<港丰公路大桥<蒋桥，呈现河道中段污染较严重的现象，与其工业发展、居住人口较多有关。断面各月综合指数波动受降雨径流、河道清淤和闸控调度的影响。
污染；2007年工业污染占主导作用；2008年工业治理初见成效，河道污染情况呈现出面源污染为主、点源污染为次的格局；2009—2012河道受到工业点源和农村及城市生活面源的综合作用。
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