基于多重對應分析的南寧市內河水質評價

＊梁春蘭

（廣西民生中檢聯檢測有限公司 廣西 530007）

引言

社會經濟發展的同時伴隨著工業廢水和生活污水排放量的日益增加，水環境污染日益嚴重，城市內河水環境質量變差，內河總磷、氨氮等污染物嚴重超標。由于內河存在河道較淺、流速慢等特點，所以極易形成“死水”現象，從而引起內河水質嚴重缺氧，發黑發臭[1]。水體發黑伴有臭味，水中基本沒有浮游生物，水生植物嚴重退化，水體生態失衡，水體自凈能力喪失。城市內河黑臭水對城市生態也造成很大的破壞，影響廣大市民的日常生活，對城市用水安全構成嚴重威脅，也嚴重影響城市形象。因此，我國已經在《水污染防治行動計劃》中明確將城市黑臭水體納入國家水治理體系范疇整治。

1.城市內河水質評價現狀

城市內河存在于一個復雜的巨大系統中，需要從宏觀、中觀、微觀各個層面來思考規劃途徑[1]。隨著技術的不斷進步及設施設備的不斷完善，水質污染治理已經取得重要成效?！?017年中國生態環境狀況公報》指出全國地表水優良水質斷面比例不斷提升，Ⅰ～Ⅲ類水體比例達到67.9%，劣質Ⅴ類水體比例下降到8.3%。為了更好的實現水資源的可持續利用，需有針對性地進行控制和治理。黑臭水體的污染物來源和影響因素比較多，至今世界上也還沒有一種統一度和準確度都高的評價模式或者說評價方法。城市黑臭水體評價方法有：綜合化學臨界指標法、黑臭指數（I）法（常用的有3種：黑臭單因子污染指數（I）、有機污染指數（A值）、黑臭多因子甲醛指數（W））、多元非線性回歸模型、綜合評價法（主要包括模糊數學評價法、灰色系統評價法和人工神經網絡評價法）[2]。

城市黑臭水精細量化分析比較缺乏，目前，大多數研究采用綜合化學指標評價黑臭水體，該法較快捷，通過對透明度、氨氮、總氮、總磷、生化需氧量、溶解氧、氧化還原電位等指標的監測來評估水質，也有用表觀污染指數SPI等輔助開展黑臭水體治理效果評估。我國《城市黑臭水體整治工作指南》中黑臭水體評價指標包括透明度、溶解氧、氧化還原電位、氨氮，并明確黑臭等級劃分，污染程度分輕度黑臭和重度黑臭。透明度低于25cm、溶解氧低于2mg/L、氧化還原電位-200mV到50mV，氨氮指標不高于8mg/L，可視為輕度黑臭；透明度低于10cm、溶解氧低于0.2mg/L、氧化還原電位低于-200mV、氨氮指標高于15mg/L，可視為重度黑臭。

隨著國家對環境環保的重視，很多城市黑臭水體的整治工作已有一定的成效，治理后水質的長治久效也被重視。本研究選取南寧市7條內河水質的化學需氧量、總氮、總磷、氨氮、氧化還原電位指標進行監測，評價南寧市7條內河的水質等級并采用SPSS的多重對應分析法對南寧市7條內河97個不同河段水質進行特征分類分析，以期區分河段的水質情況，為內河水質情況進行可視化分類及黑臭指標的篩選提供參考。

2.數據來源與研究模型

(1)數據來源

本研究的樣本數據為2018年南寧市主要內河各河段的黑臭水體情況監測數據，數據的采集標準為《水質采樣技術指導（HJ 494-2009）》《水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）》《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）》《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893-1989）》《水質化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法（HJ 828-2017）》《水和廢水監測分析方法》（第四版）等。總磷、總氮、氨氮分析數據用到的標準曲線如圖1所示：

圖1

(2)研究方法

城市內河不同河段的水質評價采用單因子、綜合因子以及內梅羅綜合評價方法，而水質情況往往存在一定的聯系和區別，在數學上這種屬性稱為相關性，本文采用多重對應分析模型實現分類數據的空間距離量化。

3.南寧市內河水體黑臭調查實證研究

(1)內河水體水質評價

對南寧市7條內河不同河段共97個采樣點的COD、TN、TP、NH3-N、ORP等指標進行了監測,根據地表水環境質量標準（GB 3838-2002）的三類水評價標準對內河各采樣點的化學需氧量、總氮、總磷、氨氮指標進行綜合污染指數計算，并運用內美羅綜合指數法評價7條內河的綜合水質，結果見表1所示。根據內梅羅水質指數污染等級劃分標準，P值分別為＜1、1-2、2-3、3-5、＞5對應水質等級為清潔、輕污染、污染、重污染、嚴重污染[4]，由此可知南寧市內河均屬于嚴重污染，其中NH3-N、TN超標率最高，其次為TP，最后為COD。

表1 南寧市內河水質綜合評級結果

(2)內河水體黑臭指標與水質指標多重對應分析

本研究測定97個采樣點的NH3-N和ORP兩個黑臭水體指標，根據城市黑臭水體污染程度分級標準，對97個采樣點的NH3-N、ORP指標進行黑臭等級分化，針對兩種特征指標監測數值的分布情況分析，結果見表2所示。從表2可知采樣點的黑臭等級具有一定的集聚現象，但也有個別采樣點的監測數值出現了較為顯著的差異，因此，進行監測點空間距離量化和可視化構圖具有其重要意義[4-5]。

表2 多重對應分析維數分析表

本文運用統計軟件SPSS22.0進行多重對應分析對數據降維處理，模型迭代59次之后，最終得到了綜合維數如表2所示，6個指標包含信息中，維度1解釋的比重為66.870%，維度2解釋的比重為37.833%；維度1和維度2平均解釋了全部信息的52.351%。97個樣本點等級值的空間距離如圖2所示。該圖中大部分監測點黑臭水情況較為集中，但采樣點37、87、92、23、47出現了較為顯著的離群變異，23、37、47采樣點的綜合污染指數值較低，87、92采樣點的綜合污染指數較高，以上采樣點出現的變異后續需進一步跟蹤監測。

圖2 南寧市內河水質指標等級與黑臭等級的點位空間分布圖

南寧市內河水質指標等級與黑臭等級的多重對應分析圖見圖3所示，水質指標的相關關系見表3所示。從以上結果綜合分析可知，黑臭水特征指標之間存在一定的相關性，水質中COD、TN、TP以及氨氮為劣V類時與城市黑臭水體整治指南中氨氮和氧化還原點位重度黑臭等級聚集，說明水質COD、TN、TP以及氨氮惡劣與水體氨氮、ORP重度黑臭明顯相關，水質COD、為IV、V類水，TN、TP為III-V類水與水體氨氮、ORP輕度黑臭有明顯關聯，表3的相關性結果也進一步驗證了以上結果。

圖3 南寧市內河水質指標等級與黑臭等級的多重對應分析圖

表3 南寧市內河水質指標的相關關系

4.結論

本文應用多重對應分析對南寧市7條內河的97個水質黑臭指標進行分析，結果表明南寧市的內河均屬于嚴重污染，其中氨氮、TN超標率最高，其次為TP，最后為COD。水質各分析指標及黑臭指標存在明顯的空間分布特征，城市各河段水質狀況的差異可直觀顯示。同時，水體COD、TN、TP以及氨氮惡劣與水體氨氮、ORP重度黑臭明顯相關，水質COD、為IV、V類水，TN、TP為III-V類水與水體氨氮、ORP輕度黑臭明顯相關，認為TN、TP、COD也可作為水體黑臭程度參照指標。