南宁市城市黑臭水体污染评价及成因分析*
滕云梅，李传章，尹娟
（1.广西壮族自治区生态环境监测中心，广西 南宁 530028；
2.广西博世科环保科技股份有限公司，广西 南宁 530007；
3.广西财经学院 管理科学与工程学院，广西 南宁 530007）
水体黑臭是有机污染的一种极端现象[1]。所谓黑臭可以从视觉感官和内在形成机理两个方面去解释。视觉感官主要围绕黑和臭，往往是受主观因素影响较大；
从内在发生机理方面看，黑臭发生与水体有机污染、底泥污染源与底泥再悬浮并向水中释放污染物、水温和水动力条件变化等因素有关[1-3]。由于城市黑臭水体污染影响因素多，且各地区存在差异，需要进一步对南宁市黑臭水体污染特征开展研究，有针对性的开展整治工作，才能起到事半功倍的效果。
鉴于黑臭水体的复杂性，水质污染指标也较多，找出水体污染主要成因可从众多污染指标中提取综合变量，把多个指标转换成更能反映污染特点和本质的综合指标。因子分析法则是从研究变量内部相关的依赖关系出发，把一些具有错综复杂关系的变量归结为少数几个公共因子的一种多变量统计分析方法，其核心是对若干综合指标进行因子分析并提取公共因子，该方法能够在适当减少指标的同时尽可能地降低原有指标包含的信息损失，从众多水质污染指标提取出少数综合指标，并使综合指标更具有可解释性，在环境学、生物学等诸多领域都得到了广泛应用[6]。
本文基于南宁市18 个典型黑臭河段监测数据，利用因子分析法开展南宁市黑臭水体污染评价并深入分析水体黑臭的根本原因，探究不同水体的主要污染成因，辅以综合水质标识指数法验证评价结果的准确性，并针对性的提出不同黑臭河流的治理建议，为下一步黑臭水体整治提供方向和技术支撑。
1.1 样品采集与分析
本研究在南宁市38 个黑臭河段中，选取水质较差的18 个典型河段作为研究对象，具体监测河段点位详见图1。2020 年7 月开展水质监测，每个河段原则上在上、中、下游分别设置1 个监测断面，每个河段连续监测3d，每天取样一次。水质采样按照《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T 91-2002）执行。
图1 黑臭河段的监测点位分布图Fig.1 Monitoring sites of the black and odorous urban rivers
监测指标和分析方法如下：
水温（K）采用水质水温的测定温度计或颠倒温度计测定法（GB13195-91）；
pH 值 采用水质pH 值的测定玻璃电极法（GB/T 6920-1986）；
溶解氧（DO）（mg·L-1）采用水质溶解氧的测定电化学探头法（HJ 506-2009）；
氧化还原电位（ORP）（mV）采用氧化还原电位电极法《水和废水监测分析方法》（第四版）国家环境保护总局（2002 年）；
化学需氧量（CODCr）（mg·L-1）采用水质化学需氧量的测定重铬酸盐法（HJ 828-2017）；
生化需氧量（BOD5）（mg·L-1）采用水质五日生化需氧量（BOD5）的测定稀释与接种法（HJ 505-2009）；
高锰酸盐指数（KMnO4）（mg·L-1）采用水质高锰酸盐指数的测定（GB/T 11892-1989）；
氨氮（NH3-N）（mg·L-1）采用水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法（HJ 535-2009）；
总磷（TP）（mg·L-1）采用水质总磷的测定钼酸铵分光光度法（GB/T 11893-1989）；
硫化物（mg·L-1）采用水质硫化物的测定亚甲基蓝分光光度法（GB/T 16489-1996）。
1.2 水体污染评价方法
（1）因子分析方法 用较少的相互独立的因子变量代替原来变量的大部分信息，可以用数学模型表示（式1）。为消除不同量纲及单位的影响，对指标的原始数据进行Z 标准化处理，其中溶解氧和氧化还原电位逆向标准化处理[4]。
式中 χ1，χ2，...,χp：p 个原有变量，F1、F2，...Fm：m 个因子变量，m＜p，α：因子系数。
（2）综合水质标识指数法 以单因子水质标识指数为基础，对河流水质进行综合分析评价的方法。在黑臭水体污染程度分级和综合水质时空间变化的评价中，仅需计算综合水质标识指数中的综合水质指数（WQI）即可[5]。
式中 n：参加与综合水质评价指数计算的指标个数；
I1，I2，…，In分别为第1，2，…，n 个水质指标的单因子水质指数（I）。单因子水质指数由整数位和小数位组成：整数位表示单因子水质指标的水质类别；
小数位代表该水质指标在该水质类别的水质变化区间中所处的位置。综合水质标识指数法评价指标为溶解氧（DO）、化学需氧量（CODCr）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）。
1.3 数据分析和处理
数据预处理和多元统计过程采用Microsoft Excel 2010 和IBM SPSS 20 对数据进行描述统计，图形采用Origin Pro 15 绘制。
2.1 因子分析结果
2.1.1 公因子确定 对上述18 个黑臭断面的9 个水质指标进行因子分析并进行KMO 和Bartlett 检验，KMO 度量值为0.674，Bartlett 球形度检验结果显著（P＜0.05），可进行因子分析。抽取运用主成分法计算相关系数矩阵R 的特征值、解释方差的贡献率及累积贡献率，结果见表1。特征值大于1 为前3 个因子（即F1、F2、F3），分别是4.921、1.858、1.050，对应方差贡献率分别为54.717%、20.643%和11.666%。前3 个因子累积贡献率87.026%，反映了原始指标的87.026%信息量。
表1 因子分析的特征值和贡献率Tab.1 Eigenvalues and squared loadings of factor analysis
2.1.2 公因子的解释 运用具有Kaiser 标准化的正交旋转法对因子载荷矩阵进行旋转迭代4 次得到旋转后的因子载荷矩阵（见表2）。
表2 监测指标的旋转成分矩阵Tab.2 Rotated component matrix of monitoring indicators
由图2 和表2 可见，化学需氧量（CODCr）、高锰酸盐指数、NH3-N、TN、TP 在F1 上载荷很大，这些指标表征水体综合有机污染和富营养化程度[6]，因此，认为F1 表示城市河流受沿程有机污染废水的影响。水中的硫化物主要是由细菌作用使硫酸盐还原[7-9]及含硫有机物分解而产生的，但因是在厌氧条件下产生，所以硫化物越高说明该水体DO 越低，因此，硫化物和DO 在F2 的载荷很大，表征水体中DO 含量，也就是象征水体的复氧能力。氧化还原电位在F3 上载荷高，该因子表征水体综合氧化还原能力，即对有机物的降解能力，体现了水体的自净能力。
图2 监测指标旋转空间中的成分图Fig.2 Component plot of monitoring indicators in rotated space
2.2 黑臭水体污染评价和验证
基于因子分析法18 个黑臭段的水体污染评价及排名结果见图3 和表3。
表3 各黑臭段的污染评价结果Tab.3 Evaluation results of the black and odorous river sections
图3 18 个黑臭段因子得分堆积柱状图Fig.3 Accumulation factors score of the black and odorous river sections
由表3 可知，亭子冲、心圩江d、凤凰江b、朝阳溪c、良庆河a 和凤凰江支流c 的F 值较高，实际监测水质明显低于其他断面，故出现黑臭的可能性较大。采用综合标识指数法（WQI）对因子分析法污染程度排名进行验证，18 个黑臭段的污染排名中有8条河段排序完全吻合，其余河段排名前后略有差异，故基于因子分析法的黑臭水体污染评价结果可用于指导实际工作。
2.3 结果分析
根据不同黑臭段表现在公因子的值衡量不同河段主要污染源的组成和贡献，从而制定科学合理的治理方案。从F1有机污染和富营养化情况分析，西明江a、b、c 3 段的有机负荷都很低，而亭子冲、心圩江d 和凤凰江b 有机污染负荷最为严重，这几个水体主要表现为有机污染负荷高，与实际情况相吻合。因此，在亭子冲等黑臭水体整治中应以控源截污为主，减少以NH3-N、COD、TP 的有机污染物排放为主。其中亭子冲有机污染负荷占比最大，其他负荷污染均较低，只要截断水中有机污染来源，水体污染将明显减轻。从F2水体复氧能力分析，明月湖和可利江（支流）复氧能力最好，而F2对凤凰江b、凤凰江（支流）c 和西明江b 的贡献明显高于其他断面，因此，当溶解氧对水体黑臭的影响较大时，在黑臭水体整治过程中，应注重改善水利条件，增加曝气装置，改善复氧能力为主要方向。从F3有机物的降解能力分析，以朝阳溪b、朝阳溪c、凤凰江b 和心圩江d 受氧化还原电位的影响较大，这些断面综合水质标识指数较低，水质本身较好，但存在明显的底泥污染。其中朝阳溪b 为绿偏白、微混、微臭，水质本身有机污染很低，但朝阳溪b 因受入江泵站闸坝的影响，水流速度低，长期富集底泥处于极度缺氧状况，还会造成翻泥现象，厌氧条件下厌氧性微生物繁殖，造成水体发黑发臭。朝阳溪c、凤凰江b 和心圩江d 都位于入江口，流速慢、长期污染造成底泥污染严重，也常有翻泥现象。因此，对于该类污染的黑臭水体应重点整治内源污染。
（1）通过因子分析，9 个水质指标可提取为3 个公因子，并可以解释87%的结果，根据综合得分可有效评价水质污染状况。水质评价结果表明，因子分析方法污染排名与综合标识指数法污染排名基本一致，其中亭子冲、心圩江d、凤凰江b、朝阳溪c、良庆河a 和凤凰江（支流）c 污染明显高于其他断面，出现黑臭的可能性较大。
（2）结合实际情况对公因子进行解释，可以将南宁市黑臭河段污染原因归结为水体有机污染和富营养化程度、水体复氧能力、对有机物的降解能力即水体的自净能力3 类因素，基于综合污染特征和污染源解析结果，南宁市黑臭水体主要应从控源截污、改善水利条件及增加曝气提升水体中溶解氧浓度、消减内源污染等核心治理措施着手，以期达到良好的整治效果。
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