白杨河托克逊县段水质采样检测分析

赵春丽

(新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市勘测局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

白杨河是一条跨越乌鲁木齐市坂城区和托克逊县的河流，全长达到232 km，其中托克逊县河段全长121 km，灌溉着全县一半以上的农田。2020年，托克逊县环保局为了了解白杨河水质情况，委托新疆地矿局第一水文工程大队进行了水质采样，周期为一年，得到的结果也为周边灌溉及牲畜用水安全提供了依据。

2 材料与方法

2.1 水样采集和水质分析方法

(1)采样点布设和采样时间。本项目针对托克逊县境内的白杨河段，在其上、中、下游分别设计了10个采样点，侧重于取水口处。采样时覆盖四季(4月、7月、10月、次年1月)，每个月份采样三次，间隔不少于一周。

(2)水质指标及分析方法。本项目针对水样测定的参数及方法详见表1(部分)，为保证测定准确性，每份水样测定3次。

表1 水样测定参数及方法(部分)

2.2 水质主要影响因素分析方法

为了明确影响白杨河托克逊县段关键水质指标，基于主成分分析法，首先构建综合评价指标，即对不同时间、不同采样点的水样污染程度分级；然后分析在综合评价中不同单项指标所起到的作用大小，剔除次要指标，最后确定影响水质的主要因素[1]。计算过程如下：

(1)设置原始矩阵X，构成因子为n个样本中的p个因素，如式(1)

(1)

(2)对原始矩阵X进行标准化处理，如式(2)：

(2)

(3)得到相关系数矩阵R，如式(3)，并且求出其特征值λk。

(3)

(4)利用式(4)、式(5)计算特征值的累积贡献率αp和p个主成分的综合得分

(4)

式中：αp为计算特征值的累积贡献率，当αp>0.85时，则选择前p个指标变量作为p个主成分，这样就等筛选出所研究对象的主要影响因素。

(5)

式中：Z为综合得分；bj为第j个主成分的信息贡献率；yj为第j个主成分指标。

通过对采集的水样进行矩阵转换处理，得到了各影响因素的综合得分，并将其排序(如表2所示)，可得出影响白杨河水质的主要因素[2]。

表2 水质富营养化的分级标准

2.3 白杨河水质富营养化评价方法

(1)单因子评价分析。从上述结果分析，白杨河污染的本质原因是富营养化明显，在此采用单因子法来对其综合营养状态指数TLI(∑)进行计算，见式(6)，经计算该河段TLI(∑)数值范围在55以下，为轻度富营养。水质富营养化的分级标准详见下表2所示[3]。

(6)

式中：m为参数个数，包括TN、TP、COD、SD 4个；Wj为第j种参数富营养化权重；TLIj为第j种参数营养状态指数。

3 结果与讨论

3.1 水质指标浓度变化分析

由于本项目涉及的河段和采样点较多，限于篇幅，只针对下游的3个采样点(分别为1#、4#、7#)。而分析的对象主要是排名前四的影响因素，即：氟化物(F)、耗氧量(CODMn、BOD5)、透明度(SD)、总磷(TP)[4]。

3.1.1 氟化物(F)含量变化

氟化物含量是水样毒理性指标之一，主要来自工业废水、生活污水、农药化肥等场景。白杨河下游水样中氟化物含量变化情况如图1所示。

图1 氟化物含量变化曲线

由图1可知：(1)氟化物含量在夏季(7月份)达到峰值，最高可达0.78 mg/L，在春季(4月份)处于最低值，约为0.30～0.45 mg/L。(2)白杨河水中氟化物含量与季节和温度有较大关系，究其原因，在夏季时生活污水排放量较大，而且也是周边农田农药化肥用量较多时期。但总体而言氟化物含量较小，没有超出相关标准。

3.1.2 耗氧量(CODMn、BOD5)变化

耗氧量是评价水质的最重要指标之一，反映了水体中植物的生长及污染程度情况。在此将耗氧量(CODMn、BOD5)结合起来考虑，具体变化情况见下图2所示。

图2 耗氧量变化曲线

由图2可知：(1)耗氧量在秋季(10月份)达到峰值，最高可达29 mg/L，在春季(4月份)取得最低值，约为15 mg/L，受季节和气温影响较大。(2)在耗氧量测定时，CODMn和BOD5变化趋势基本一致，前者范围在7.0～20.0 mg/L，后者范围在4.0～10.0 mg/L。究其原因，6—10月间温度高，适合浮游植物生长，因此水样中有机物含量最大，耗氧量随之上升；气温降低后浮游生物大量死亡，有机物和耗氧量随之降低[5]。

3.1.3 透明度(SD)变化

透明度能够反映水体中泥沙、浮游生物等悬浮物数量，在整个白杨河水质影响因素中排名第3，水样透明度变化曲线见下图3所示。

图3 水体透明度变化曲线

由图3可知：(1)透明度在冬季(1月份)达到峰值，约为100～140 m，而在夏季(7月份)降至最低值，约为30 m左右，受季节和气温影响较大。究其原因：气温高时，降雨集中，河中泥沙量大，而且水中浮游生物较多，影响了透明度。(2)相对来说白杨河下游透明度最差，因为富集了较多邮寄污染物和泥沙，而且有几处灌溉水渠取水口。

3.1.4 总磷(TP)含量变化

水体中磷元素主要来自工业废水、生活废水、农药化肥等，白杨河下游水样中总磷含量变化曲线见下图4所示。

图4 水体中总磷含量变化曲线

由图4可知：(1)总磷含量在夏季(7月份)达到峰值，最高可达0.2 mg/L，在冬季(1月份)取得最低值，约为0.06 mg/L，受季节和气温影响较大。(2)总磷含量变化趋势与耗氧量基本一致，因为较高的含磷量可以促进蓝藻疯狂生长，进而导致耗氧量增大。排除工业废水因素，白杨河磷含量主要来源与周边居民生活废水及上游化肥农药等富集。

3.2 白杨河水体污染关键水质指标分析

由表2可知：(1)根据综合得分大小，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经包括前六个指标的信息，累计贡献率已经达到87.4%，完全能够代表污染物类型。(3)由主要影响因素可知：造成白杨河水体污染的主要原因是有机物含量较大[6]。

表2 各影响因素综合得分及排序

3.3 白杨河水质富营养化评价

由下表3评价结果分析：(1)在春季和秋季，白杨河水富营养化为轻度，夏季为中度，而冬季非富营养化，总体分析富营养程度较小，适当采取措施就可应对。(2)白杨河在春、夏两季水质等级为Ⅲ级，秋季为Ⅳ级，冬季为Ⅱ级，总体为Ⅲ级，水质良好[7]。

表3 白杨河水质富营养化结果

由于白杨河水不涉及居民生活用水，Ⅲ级水质完全满足灌溉及牲畜用水，但富营养化问题已经显现，必须及时采取应对措施，在此建议：(1)可以在冬季河道流量小时清理河底淤泥，深层曝气，抑制厌氧过程发生。(2)利用化学方法杀死河底藻类，腐烂后的磷酸盐会沉至河底，再进行清除。(3)从源头治理生活污水的排放[8]。

4 结 论

通过研究分析白杨河8项水质指标，基于主成分分析法，得到主要污染指标为氟化物(F)、耗氧量(CODMn、BOD5)、透明度(SD)、总磷(TP)，同时通过单因子评价分析，得出了上述4个指标浓度在一年不同时间段的变化情况。白杨河富营养化分析表明，白杨河为Ⅲ级水质，满足灌溉及牲畜用水需求，但同时需要保护和预防。