白楊河托克遜縣段水質(zhì)采樣檢測分析

趙春麗

(新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市勘測局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

白楊河是一條跨越烏魯木齊市坂城區(qū)和托克遜縣的河流，全長達(dá)到232 km，其中托克遜縣河段全長121 km，灌溉著全縣一半以上的農(nóng)田。2020年，托克遜縣環(huán)保局為了了解白楊河水質(zhì)情況，委托新疆地礦局第一水文工程大隊(duì)進(jìn)行了水質(zhì)采樣，周期為一年，得到的結(jié)果也為周邊灌溉及牲畜用水安全提供了依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 水樣采集和水質(zhì)分析方法

(1)采樣點(diǎn)布設(shè)和采樣時(shí)間。本項(xiàng)目針對托克遜縣境內(nèi)的白楊河段，在其上、中、下游分別設(shè)計(jì)了10個(gè)采樣點(diǎn)，側(cè)重于取水口處。采樣時(shí)覆蓋四季(4月、7月、10月、次年1月)，每個(gè)月份采樣三次，間隔不少于一周。

(2)水質(zhì)指標(biāo)及分析方法。本項(xiàng)目針對水樣測定的參數(shù)及方法詳見表1(部分)，為保證測定準(zhǔn)確性，每份水樣測定3次。

表1 水樣測定參數(shù)及方法(部分)

2.2 水質(zhì)主要影響因素分析方法

為了明確影響白楊河托克遜縣段關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)，基于主成分分析法，首先構(gòu)建綜合評價(jià)指標(biāo)，即對不同時(shí)間、不同采樣點(diǎn)的水樣污染程度分級；然后分析在綜合評價(jià)中不同單項(xiàng)指標(biāo)所起到的作用大小，剔除次要指標(biāo)，最后確定影響水質(zhì)的主要因素[1]。計(jì)算過程如下：

(1)設(shè)置原始矩陣X，構(gòu)成因子為n個(gè)樣本中的p個(gè)因素，如式(1)

(1)

(2)對原始矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如式(2)：

(2)

(3)得到相關(guān)系數(shù)矩陣R，如式(3)，并且求出其特征值λk。

(3)

(4)利用式(4)、式(5)計(jì)算特征值的累積貢獻(xiàn)率αp和p個(gè)主成分的綜合得分

(4)

式中：αp為計(jì)算特征值的累積貢獻(xiàn)率，當(dāng)αp>0.85時(shí)，則選擇前p個(gè)指標(biāo)變量作為p個(gè)主成分，這樣就等篩選出所研究對象的主要影響因素。

(5)

式中：Z為綜合得分；bj為第j個(gè)主成分的信息貢獻(xiàn)率；yj為第j個(gè)主成分指標(biāo)。

通過對采集的水樣進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換處理，得到了各影響因素的綜合得分，并將其排序(如表2所示)，可得出影響白楊河水質(zhì)的主要因素[2]。

表2 水質(zhì)富營養(yǎng)化的分級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 白楊河水質(zhì)富營養(yǎng)化評價(jià)方法

(1)單因子評價(jià)分析。從上述結(jié)果分析，白楊河污染的本質(zhì)原因是富營養(yǎng)化明顯，在此采用單因子法來對其綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)進(jìn)行計(jì)算，見式(6)，經(jīng)計(jì)算該河段TLI(∑)數(shù)值范圍在55以下，為輕度富營養(yǎng)。水質(zhì)富營養(yǎng)化的分級標(biāo)準(zhǔn)詳見下表2所示[3]。

(6)

式中：m為參數(shù)個(gè)數(shù)，包括TN、TP、COD、SD 4個(gè)；Wj為第j種參數(shù)富營養(yǎng)化權(quán)重；TLIj為第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)指標(biāo)濃度變化分析

由于本項(xiàng)目涉及的河段和采樣點(diǎn)較多，限于篇幅，只針對下游的3個(gè)采樣點(diǎn)(分別為1#、4#、7#)。而分析的對象主要是排名前四的影響因素，即：氟化物(F)、耗氧量(CODMn、BOD5)、透明度(SD)、總磷(TP)[4]。

3.1.1 氟化物(F)含量變化

氟化物含量是水樣毒理性指標(biāo)之一，主要來自工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)藥化肥等場景。白楊河下游水樣中氟化物含量變化情況如圖1所示。

圖1 氟化物含量變化曲線

由圖1可知：(1)氟化物含量在夏季(7月份)達(dá)到峰值，最高可達(dá)0.78 mg/L，在春季(4月份)處于最低值，約為0.30～0.45 mg/L。(2)白楊河水中氟化物含量與季節(jié)和溫度有較大關(guān)系，究其原因，在夏季時(shí)生活污水排放量較大，而且也是周邊農(nóng)田農(nóng)藥化肥用量較多時(shí)期。但總體而言氟化物含量較小，沒有超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 耗氧量(CODMn、BOD5)變化

耗氧量是評價(jià)水質(zhì)的最重要指標(biāo)之一，反映了水體中植物的生長及污染程度情況。在此將耗氧量(CODMn、BOD5)結(jié)合起來考慮，具體變化情況見下圖2所示。

圖2 耗氧量變化曲線

由圖2可知：(1)耗氧量在秋季(10月份)達(dá)到峰值，最高可達(dá)29 mg/L，在春季(4月份)取得最低值，約為15 mg/L，受季節(jié)和氣溫影響較大。(2)在耗氧量測定時(shí)，CODMn和BOD5變化趨勢基本一致，前者范圍在7.0～20.0 mg/L，后者范圍在4.0～10.0 mg/L。究其原因，6—10月間溫度高，適合浮游植物生長，因此水樣中有機(jī)物含量最大，耗氧量隨之上升；氣溫降低后浮游生物大量死亡，有機(jī)物和耗氧量隨之降低[5]。

3.1.3 透明度(SD)變化

透明度能夠反映水體中泥沙、浮游生物等懸浮物數(shù)量，在整個(gè)白楊河水質(zhì)影響因素中排名第3，水樣透明度變化曲線見下圖3所示。

圖3 水體透明度變化曲線

由圖3可知：(1)透明度在冬季(1月份)達(dá)到峰值，約為100～140 m，而在夏季(7月份)降至最低值，約為30 m左右，受季節(jié)和氣溫影響較大。究其原因：氣溫高時(shí)，降雨集中，河中泥沙量大，而且水中浮游生物較多，影響了透明度。(2)相對來說白楊河下游透明度最差，因?yàn)楦患溯^多郵寄污染物和泥沙，而且有幾處灌溉水渠取水口。

3.1.4 總磷(TP)含量變化

水體中磷元素主要來自工業(yè)廢水、生活廢水、農(nóng)藥化肥等，白楊河下游水樣中總磷含量變化曲線見下圖4所示。

圖4 水體中總磷含量變化曲線

由圖4可知：(1)總磷含量在夏季(7月份)達(dá)到峰值，最高可達(dá)0.2 mg/L，在冬季(1月份)取得最低值，約為0.06 mg/L，受季節(jié)和氣溫影響較大。(2)總磷含量變化趨勢與耗氧量基本一致，因?yàn)檩^高的含磷量可以促進(jìn)藍(lán)藻瘋狂生長，進(jìn)而導(dǎo)致耗氧量增大。排除工業(yè)廢水因素，白楊河磷含量主要來源與周邊居民生活廢水及上游化肥農(nóng)藥等富集。

3.2 白楊河水體污染關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)分析

由表2可知：(1)根據(jù)綜合得分大小，排名前三的是氟化物>耗氧量(CODMn、BOD5)>透明度。(2)第一和第二主成分已經(jīng)包括前六個(gè)指標(biāo)的信息，累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到87.4%，完全能夠代表污染物類型。(3)由主要影響因素可知：造成白楊河水體污染的主要原因是有機(jī)物含量較大[6]。

表2 各影響因素綜合得分及排序

3.3 白楊河水質(zhì)富營養(yǎng)化評價(jià)

由下表3評價(jià)結(jié)果分析：(1)在春季和秋季，白楊河水富營養(yǎng)化為輕度，夏季為中度，而冬季非富營養(yǎng)化，總體分析富營養(yǎng)程度較小，適當(dāng)采取措施就可應(yīng)對。(2)白楊河在春、夏兩季水質(zhì)等級為Ⅲ級，秋季為Ⅳ級，冬季為Ⅱ級，總體為Ⅲ級，水質(zhì)良好[7]。

表3 白楊河水質(zhì)富營養(yǎng)化結(jié)果

由于白楊河水不涉及居民生活用水，Ⅲ級水質(zhì)完全滿足灌溉及牲畜用水，但富營養(yǎng)化問題已經(jīng)顯現(xiàn)，必須及時(shí)采取應(yīng)對措施，在此建議：(1)可以在冬季河道流量小時(shí)清理河底淤泥，深層曝氣，抑制厭氧過程發(fā)生。(2)利用化學(xué)方法殺死河底藻類，腐爛后的磷酸鹽會(huì)沉至河底，再進(jìn)行清除。(3)從源頭治理生活污水的排放[8]。

4 結(jié) 論

通過研究分析白楊河8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，基于主成分分析法，得到主要污染指標(biāo)為氟化物(F)、耗氧量(CODMn、BOD5)、透明度(SD)、總磷(TP)，同時(shí)通過單因子評價(jià)分析，得出了上述4個(gè)指標(biāo)濃度在一年不同時(shí)間段的變化情況。白楊河富營養(yǎng)化分析表明，白楊河為Ⅲ級水質(zhì)，滿足灌溉及牲畜用水需求，但同時(shí)需要保護(hù)和預(yù)防。