1、第 4 期河流水质作为流域生态系统的重 要 指标，受地质、 植被、 气候1、人类活 动2等多方面因素的影响 。河流水质评价方法多种多样，采用合理的水质评 价 方法，才能准确 、客观 、全面地反映水体水质现状，为水环境管理提供科学依据。 国内外水质评价方法综合来讲，主要有指数评价法、 基于模糊理论的水环境评价法 、基于灰色系统理论的水环境评价法、 基于人工网络神经的水环境评价法 、基于统计理论的主成分分析环境科学与技术 编辑部： （ 网址 ）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期： 2013-05-06；修回 2013-07-19基金项目： 国家水体污染控制与治理科技重
2、大项目（ 2008ZX07101-006-08）；苕溪上游健康水生态系统构建技术与示范作者简介： 孙涛（ 1989-），男，硕士研究生，研究方向为环境工程，（电子信箱） ； * 通讯作者，女，研究员，（电子信箱） 。Environmental Science & Technology第 37 卷 第 4 期2014 年 4 月Vol. 37 No.4Apr. 2014孙涛， 张妙仙， 李苗苗，等.基于对应分析法和综合污染指数法的水质评价J.环境科学与技术，2014，37（4）：185-90 . Sun Tao，Zhang MiaoxianLiMiaomiao, et al. River wat
3、er quality evaluation based on correspondence analysis and comprehensive pollution index method J. Environmental Science &Technology，2014，37（4）：185-190.基于对应分析法和综合污染指数法的水质评价孙涛， 张妙仙*， 李苗苗， 王肖肖（ 浙江农林大学环境与资源学院， 浙江 临安 311300）摘 要 ： 文章以锦溪上游宏渡村段河流为例，在对常用的水质评价法结果对比分析的基础上，将对应分析法和综合污染指数法联合应用于水质评价，应用对应分析法选出具有代表
4、性的监测点，结合综合污染指数，能更好地反映整条河流的污染状况。 应用单因子污染指数法得出的主要污染因子和水质类别，为河流的综合治理提供科学依据。单项污染指数法结果过于保护，该段河流主要污染因子秋季较为复杂，春、 夏、 冬 3 个季节和全年均为 TN；结合对应分析法和综合污染指数法，结果表明：河流每个季节均属于污染水质，综合污染指数春季（ 1.59） 夏季（ 1.19） 冬季（ 1.12） 秋季（ 0.99），春季污染最为严重，应着重在春季治理河流，实行氮的总量控制，改善水质。关键词： 宏渡村； 单因子污染指数法； 对应分析法； 综合污染指数法； 水质时间变化； 污染因子中图分类号： X824
5、文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1003-6504.2014.04.036 文章编号： 1003-6504(2014)04-0185-06River Water Quality Evaluation Based on CorrespondenceAnalysis and Comprehensive Pollution Index MethodSUN Tao， ZHANG Miaoxian*， LI Miaomiao， WANG Xiaoxiao（ College of Environment and Resource， Zhejiang Agricultural an
6、d Forestry University， Linan 311300， China）Abstract： To evaluate water quality of river reach of Hongdu Village， upstream of the Jinxi River， new approachesincluding correspondence analysis and comprehensive pollution index method were applied instead of the common singlefactor pollution index metho
7、d. Monitoring points representing the waster quality of the river reach were chosen by applyingcorrespondence analysis which could better reflect the contamination status of the river section； on the other hand， applyingsingle factor pollution index method， the pollution factors and the current wate
8、r quality category of the river reach could bedetermined. According to the monitoring and investigation， it was not easy to determine the main pollution factor of the riverreach in autumn， whereas in three other seasons and the yearly average， the main pollution factor was total nitrogen（ TN） .Resul
9、ts of the evaluation based on the correspondence analysis and comprehensive pollution index method showed that waterquality of the river reach belonged to the category of being polluted in all the seasons except autumn； and order of magnitudein terms of the comprehensive pollution index was springsu
10、mmerwinterautumn， indicating of all the seasons， spring wasthe most serious in river water pollution， so the pollution mitigation in spring should be intensified， especially focusing onTN pollution control.Key words： Hongdu Village； single factor pollution index method； correspondence analysis； comp
11、rehensive pollution indexmethod； spatial variation of water quality； pollution factor第 37 卷法 5 种方法3-7。对这些方法进行比较8， 得出单因子评价法过于保护，污染指数法不 能判断综合水质类别 。本文通过对常用的水质评价法结果的对比分析，在单项污染指数法3的基 础上，结合对应分析法9和综 合污染指数法3， 联合应用于水质评价 。对应分析法10可以直 观 地得出监测点之间 、水质指标之间 、监测点与指标之间的相互关系，应用对应分析法选出具有代表性的监测点，结合综合污染指数，在评价整条河流污染状况时，可以
12、消除由于某些监测点污染过于严重而产生的影响，结合单因子污染指数法得出的主要污染因子和水质类别，能更好的反映整条河流的污染状况 。目前，有关河流水质变化规律的研究主要集中在河流水质的年变化和季节变化11。Zhou 等12研究香港东部 海域水质的时空变化并解析了污染源，于一雷等13分 析 密云水库及其主要河流入库段水质的季节变化，徐华山等14运用系统聚类分析法 、主 成 分分析法和季节性 Kendall 法评价了漳卫南运河流域的时空变化 。本文选取锦溪上游宏渡村段河流为研究对象，分析该河段水质在时间上变化规律，探讨其主要污染因子，得出各季节污染程度，明确污染较为严重季节以便综合治理，为控制河流水体
13、污染提供科学依据 。1 材料与方法1.1 研究区概况南苕溪位于浙江临安市东部，为东苕溪主源，属长江水系，全长 63 km，流域面积 720 km2， 临 安市内段长 55 km。锦溪为南苕溪主要支流，全长 25.5 km，集水面积覆盖临安市玲珑街道 、上甘街道和锦城街道，达 84.6 km2。锦溪流经宏渡村 ， 村内河段全长 2.94 km，枯水期流量 0.6 m3/s， 平 均日水量 51 km3， 水 环境容量较小，水体自净能力较差 。由于该段河流上游为玲珑镇生活区和玲珑工业园区，其污水排放与治理对村内河流的水质产生直接影响。宏渡村位于浙江省临安市锦城西南 9 km，玲珑街道办事处以东 1
14、 km 处 。宏渡村为农业工业混合型村镇，工业发展迅速，工业废水不断增加，其排放加剧了河流的污染趋势。村内农业污染源主要来自生活污水 、家禽散养 、农田和道路径流等 。生活污水主要由厕所 、厨房 、洗衣和洗浴污水组成 。河内散养家禽，粪便直接排入河流，河边洗衣，均会导致河流氮磷含量升高 。河岸附近堆放的建筑垃圾 、生活垃圾等各种废弃物经雨水淋洗，通过土壤渗透到河流中污染河流。1.2 采样分析通过对锦溪上游宏渡村段河流的全面调查，笔者选取 10 个监测点，于 2010 年 6 月至 2011 年 5 月的每月中旬采样，其监测点分布见图 1，监测点详细情况见表 1，样品评价项目与测定方法见表 2。
15、1.3 研究方法1.3.1 评价依据根据 杭州市地面水环境保护功能区划分方案 ，锦溪功能区划分如表 3 所示15。本文评价水体位于石山 以 上段，应达到 类水质要求 。河流水质评价依据地表水环境质量标准 （ GB3838-2002） 。1.3.2 评价方法1.3.2.1 单因子污染指数法单因子污染指数法在所有参与综合水质评价的水质指标中，选择水质最差的单项指标所属类别来确定所属水域综合水质类别8。水质单项污染指 数 （ Pij）计算方法如下9：Pij=Cij/Sij（ 1）对 pH 值，表 1 监测点地理位置Table 1 Geographical position of monitoring
16、 points序号 采样点 经度 纬度 高程 /m1 夏禹桥 E 1193849.3 N 301128.0 64.32 村口 E 1193925.2 N 301132.7 60.23 村桥 E 1193931.4 N 301116.2 52.84 排污口旁 E 1193931.1 N 301115.7 58.15 排污口 E 1193931.2 N 301115.9 58.46 支流左 E 1193958.6 N 301121.3 55.07 支流右 E 119404.5 N 301121.0 54.18 活动区 E 1193948.0 N 301055.5 71.79 汇合 E 119403
17、.0 N 301122.8 53.010 蔡家头 E 1194045.7 N 301225.0 37.1表 2 水质分析方法Table 2 Analytical methods for water quality编号 分析项目 单位 分析方法1 温度 HORIBA 多功能水质测定仪实地测定2 电导率 S/cm3 pH4 溶解氧（ DO） mg/L5 化学需氧量（ COD） mg/L 重铬酸钾法6 氨氮（ NH3-N） mg/L 纳氏试剂比色法7 总氮（ TN） mg/L碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法8 总磷（ TP） mg/L 钼酸铵分光光度法1 8 6第 4 期Pij=（ Cij-7.0）
18、/（ 8.5-7.0） （ pH7.0） （ 2）或 Pij=（ 7.0-Cij） /（ 7.0-6.5） （ pH7.0） （ 3）式中： Pij为 第 i 组 水样第 j 项指标的单项污染指数， i=1,2， ,n,n 为水样序数； j=1,2， ,k， k 为水样指标序数； Cij为 第 组水样第 j 项指标的实测浓度； Sij为第 i 组水样第 j 项指标的标准浓度。当 Pij1 时， 表示水体未污染； 当 Pij1 时 ，表 示水体污染 。具体数值直接反映污染物超标程度 16。1.3.2.2 对应分析法对应分析法是由法 国 数学家 J P Bcozecri 在1970 年首次提出的。
19、 它是在因子分析的基础上发展起来的一种多元统计分析方法。 它可将样本和变量有机地结合起来进行分析，同时研究样品和变量之间的相互关系，用因子进行推断和解释观测数据 。此方法具有统一性、 对称性和互推性的特点9。在水质研究方面运用较为广泛 ， 比如在巢湖流域非点源污染物来源和东湖污染物来源的研究17,在云南楚雄的地下水环 境 质量系统的研究18。根据对应分析的数学原理，结合水质评价问题的特点 ， 水质评价数据处理步骤阐述如下：（ 1）数据预处理 。在水质评价中，为了使各因子具有可比性，应消除量纲差异对对应分析结果的影响 。采用单项污染指数对数据进行预处理，具体步骤如下：水质中各组分的单项污染指数通
20、过式（ 1） 、式（ 2）和式（ 3）所示计算 。将变换后的资料矩阵称作对应分析矩阵，为方便分析，记作 X= Pij nk。（ 2） 建 立水质对应分析矩阵 X= Pij nk， 将 矩阵按行列分别求和得出 xi和 xj， 并求出总和 T=ki=1nj=1xij。（ 3） 对 矩阵做对应变换，计算矩阵 Z=（ zij） 。其中zij=（ xij-xixj/T） / xixj姨。（ 4） 作 R 型 因子分析：计算矩阵 A=ZZ 的特征值1， 2r， 由 大到小排列，再按照其累加百分比=1/r=180%取 其 h 个 特征值 12h， 确 定前 h 个公因子，并计算它们的特征向量 u1， u2u
21、k， R 型 因 子载荷矩阵为：u111姨u122姨 u1kk姨u211姨u222姨 u2kk姨uh11姨uh22姨 uhkk姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨并在两两因子轴上作指标变量图。（ 5）作 Q 型因子分析： 取 B=ZZ，则 B 与 A 具有相同的非零特征根， B 的非零特征根对应的特征向量为vi=Zui， 再 将其单位化得 vi*， 由 此可以得到 Q 型因子载荷矩阵。并在两因子平面图上作水质样点图。（ 6）根据以上的水质指标变量图和样点的主因子平面点聚图，可以同时反映出变量与样品间的相互关系 。1.3.2.3 综合污染指数法综合污染指数法是对各污
22、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 。该方法可以确定研究水体的污染程度3。综合污染指数 的 计算是在单项污染指数的基础上计算得到的，其计算公式为：P=1mmi=1Pi （ 4）式（ 4） 中： Pi为 i 项污染物的污染指数， m 为 污 染指标总数。综合污染指标评价分级如表 4 所示。2 结果与分析本文选取数据中的 6 项指标作为评价因子，即：氨氮（ NH3-N） 、化 学需氧量（ COD） 、总氮（ TN） 、总磷（ TP） 、溶解氧（ DO）和 pH 值 。将原始数据进行处理，按照上述方法中的步骤进行分析计算，得到春夏秋冬四季和年平均 5 组结果。2.1 河流水质各
23、时间段水质分析根据临安市气温变化特点，结合浙江省近 50 年气温变化及四季划分19， 将四季划分为， 春季（ 3-5） 、夏表 3 锦溪功能区划分Table 3 Water function areas of Jinxi River水系 河段 功能区编号 功能区范围 功能区命名 主要功能南苕溪 锦溪01248221 石山以上段 类水质多功能区 饮用、 工农业012482222 石山以下段 类水质工农业用水区 工农业用水孙涛， 等 基于对应分析法和综合污染指数法的水质评价表 4 综合污染指标评价分级Table 4 Water quality classification based on com
24、prehensivepollution indexP 级别 水质现状阐述P0.8 合格 多数项目未检出，个别检出也在标准内0.8P1.0 基本合格 个别项目检出值超标1.0P2.0 污染 相当一部分项目检出值超过标准P2.0 重污染 相当一部分项目检出值超过标准数倍或几十倍 1 8 7第 37 卷季 （ 6-9） 、秋季 （ 10-11） 、冬季（ 12-2） 。预处理原始数据为各季节平均值。根据式（ 1） 、式（ 2）和式（ 3）计算四季和全年各监测点单项污染指数，可以得出四季和全年的污染因子和水质类别。结果如表 5 所示。根据主因子载荷作出四季和全年变量和样品点的主因子载荷平面投影图，见图
25、 2图 6。根据图 2图 6 将监测点分区，结果如表 6 所示。孤立的点较为特殊，靠近的样品点具有相似的性质，属同一类型11。如表 6 中春季， 排污口 、村口、 夏禹表 5 四季和全年各监测点污染因子及水质类别Tabie 5 The pollution factors and water quality category of eachmonitoring point in four seasons and the whole year春季 夏季 秋季 冬季 年平均污染因子 TN TN 较复杂 TN TN水质类别 劣 类 劣类 劣 类村桥处类，其余均劣类劣类表 6 四季和全年监测点分区情况T
26、able 6 The classification of monitoring points in four seasons and the whole year类别时间段春季 夏季 秋季 冬季 年平均 区 排污口（ 5） 排污口（ 5） 排污口（ 5）排污口旁（ 4） 、排污口（ 5）排污口（ 5）区 村口（ 2）村桥（ 3） 、排污口旁（ 4） 、活动区（ 8）支流右（ 7） 蔡家头（ 10） 村口（ 2）区 夏禹桥（ 1）夏禹桥（ 1） 、村口（ 2） 、支流左（ 6） 、支流右（ 7） 、蔡家头（ 10）夏禹桥（ 1） 、村口（ 2） 、村桥（ 3） 、支流左（ 6） 、汇合（ 9）
27、、蔡家头（ 10）汇合（ 9）夏禹桥（ 1） 、村桥（ 3） 、排污口旁（ 4） 、支流左（ 6） 、支流右（ 7） 、活动区（ 8） 、汇 合（ 9） 、蔡家头（ 10）区村桥（ 3） 、排污口旁（ 4） 、支流左（ 6） 、支流右（ 7） 、活动区（ 8） 、汇合（ 9）和蔡家头（ 10）汇合（ 9） 排污口旁（ 4）夏禹桥 （ 1） 、村桥（ 3） 、支流左（ 6） 、支流右（ 7） 、活动区（ 8）区 活动区（ 8） 村口（ 2）1 8 8第 4 期桥 3 个 监测点较为孤立， 其余监测点较为相近，具有相似的性质，具有代表性，以具有代表性监测点的综合污染指数进行分析。 四季和全年代表性
28、监测点分别为第类、 第类和第类、 第类、 第类、 第类。2.1.1 春季河流水质分析对第类别监测点的综合污染指数分析。 综合污染指数在 1.31.8 之间，整体趋势逐渐升高，各监测点污染状况较为相近，该河流整体上属于污染水质。2.1.2 夏季河流水质分析对第 类别和第 类别监测点的综合污染指数分析 。蔡家头综合污染指数为 0.94，相比其余监测点最低，村口其次，村口和蔡家头基本合格 。村桥最高，达到 1.65，其余监测点综合污染指数范围为 1.021.37，整条河流基本属于污染水质。2.1.3 秋季河流水质分析对第类别监测点的综合污染指数分析。 秋季污染程状况较好，村桥处综合污染指数为 0.7
29、1，水质合格，村口 、支流左和汇合处水质基本合格，只有夏禹桥和蔡家头处属于污染水质，整体基本合格。2.1.4 冬季河流水质分析对第类别监测点的综合污染指数分析。 冬季河流上游至中游综合污染指数上升，到支流右处达到最高（ 1.40），到活动区处，综合污染指数下降到 0.74，水质合格，河流整体上属于污染水质 。2.1.5 年均河流水质分析对第类别监测点的综合污染指数分析。 全年河流上游和中游综合污染指数较为接近，污染状况相近，到活动区处，出现最低值 1.16，到达汇合处升高到1.72，沿途污染程度加深，河流整体属于污染水质。2.2 河流水质时间变化规律分析以四季河流综合污染指数作图，如图 7 所
30、示。由图 7 可以看出 ,应用对应分析法选出具有代表性的监测点后，四季的综合污染指数均有所下降， 4 个季节降幅依次为 8.71%、17.88%、29.81%和 15.62%，以秋季下降幅度最多，从 1.41 下降至 0.99，水质由污染水质降为基本合格 。从分区看，无论分 4 个季节还是全年，排污口都是被认定为孤立的点 。这是因为排污口是污水直接排入河流地点，当地居民生活污水和工业废水没有进行任何处理而直接排入河流， NH3-N、COD、TN、TP、DO 和 pH 等 6 项指标均是所有监测点中最高的，这必将会影响河流污染程度判断 。夏禹桥是最上游的监测点，作为对照值研究上游玲珑工业园区对该
31、河段带来的影响；支流左是锦溪支流处的监测点，可以研究汇合对锦溪带来的影响。 因此在分区中，夏禹桥和支流左在每个季节都是作为代表性的监测点 。运用对应分析法后，消除了特殊点对河流整体污染状况的影响，更符合实际情况，结果更好。以代表性的监测点综合污染指数作图 7 时， 4 个季节河流综合污染指数范围为 0.991.59，秋季水质基本合格，春 、夏 、冬 3 个季节属于污染水质 。从 2.1.12.1.5 节分析来看，只有秋季村桥和冬季活动区水质合格。 四季水质状况依次为春季 夏季 冬季 秋季。 这可能是因为秋季临安市降水量相对比较多，稀释了河流，加上秋季温度渐渐变冷，家禽散养于河流的时间相比其余季
32、节特别是春季，明显会会减少 。而活动区是宏渡村公共设施集中地，在冬季，由于气温较低，活动区人流量明显降低，污染也相应减少。3 结论（ 1）本文通过对常用的水质评价法进行比较分析，在单项污染指数法的基础上，将对应分析法和综合污染指数法相结合，联合应用于水质评价 。应用对应分析法选出具有代表性的监测点，结合综合污染指数，在评价整条河流污染状况时，可以消除由于某些监测点污染过于严重而产生的影响，能更好地反映河流整体的污染状况。 最后结合单因子污染指数法得出的主要污染因子和水质类别，为河流的综合治理提供科学依据，更适用于河流水质评价 。（ 2）单项污染指数法评价结果为：在 4 个季节中，该段河流主要污
33、染因子秋季较为复杂，春 、夏 、冬 3 个季节和全年都为 TN，水质类别除冬季村桥处为 类水外，其余均为劣 类水，评价结果过于保护。 对应分析法和综合污染指数法联合应用于对锦溪上游宏渡村段河流的水质评价，结果表明：河流水质在秋季基本合格，其余 3 个季节均属于污染水质 。其中春季污染最为严重，夏季其次，四季污染状况依次为春季 夏季 冬季 秋季，因此在春季应着重对河流进行治理，实行氮的总量控制，改善其水质。参考文献1 Andersen H E， Kronyang B， Larsen S E， et al. Climate-change impacts on hydrology and nutri
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