河网区水污染控制影响因素诊断分析

石 全 ，张建华，王会容，张玉珍，颜志俊，张 森 ，沙海明

（1.六安市水利局，安徽 六安 237061；2.江苏省水利厅，江苏 南京 210029；3.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；4.南京市水务局，江苏 南京 210036）

1 河网区分类及特征

1.1 河网区分类

河网区主要指呈网状结构，同时具有一定空间范围的网状水系。由于我国地形多样，地质构造较为复杂，河网区的类型也是多种多样，河网区主要是由干流及其附近的支流组成，如有湖泊与河流相通，湖泊也是该河网区的一部分。按照河流位置与流向、流经区域、支流分布、上下游情况及是否受潮汐影响等因素，我国河网区分为感潮河网区和非感潮河网区2大类。

（1）感潮河网区。河网内部主要河流下游与海洋交汇、受潮汐流影响的河网区称为感潮河网区。根据感潮河网区内部主要河流规模、水文特征及其附近支流的密集程度等因素，感潮河网区又分为大型感潮河网区和一般感潮河网区2类。我国大型感潮河网区主要有太湖流域河网区和珠江三角洲河网区；一般感潮河网区主要有闽江河网区、温黄平原河网区、韩江三角洲河网区等。

（2）非感潮河网区。非感潮河网区指不受潮汐流影响，处于江河中上游地区，一般有湖泊与河流相通的河网区。非感潮河网区由一个或若干个树状河网组成，对于一般树状分布河网，上一级河道总是汇入至下一级河道，位于河道下游断面的流量总是由其上游汇集而至。我国非感潮河网主要有鄱阳湖河网区、洞庭湖河网区、成都平原河网区等。

1.2 河网区主要特征

（1）河网自然特征。河网地区一般地势平坦，河网密布，纵横交错，河漫滩发育，河床较浅，低坡平缓。网状河流结构是河网地区的典型地理特征，网状河流具有比降较小、相互通连、河道稳定及具有非常小的坡降和河道宽深比的基本特点。我国东部平原河网地区，大部分地区受到潮汐的影响，受潮汐影响的区域，流向、流态呈现随机性变化，易使污染物在河道往复传播，充分混合，从而影响整片区域。

（2）水文水环境特征。河网区一般水量丰富、流速平缓、流向不定、水质较差。河流流速平缓，水动力条件不足，水体自净能力较差，易发生水环境污染。河网地区人口密集，工农业发达，产生的污水也多。天然的地貌造就了河流纵横交错，水流相互通连，在潮汐作用下，水流往复运动，污染物极易传播，蜿蜒曲折，河道比降小，水流动力严重不足，污染物难以迅速排出，容易累积水体遭受污染[1]。

（3）人工干预和调节影响大。河网区河流多受人工节制，水闸工程分隔、调控便利、流动受限。高度的人工控制性，给环境流量的调节带来了正负两面的影响，正面影响是河流水位抬高、槽蓄水量增加等；负面影响是由于水闸的分隔，河流的连续性受到破坏，降低了水体的流动性，自净能力降低等。

2 水污染控制影响因素分析方法

2.1 影响因素识别方法

（1）因果分析图法。因果分析图是逐层深入地分析问题产生原因的有效根据，由质量特征、要因、主干、支干等组成，主要通过对重点影响因素的筛选，结合各因素的特征加以分析，分类后进行整理归纳，使之形成层次分明、条理清楚、一目了然的图形。河网区水污染排放主要问题的原因，可能出现某种问题或呈现某种状态的原因多种多样，通过采用因果分析图法，对河网区水污染排放可能影响因素或存在问题，采用图示的方法，逐层深入排查可能原因，确定主要影响因素，进而针对性地提出对策和措施，达到水污染物的有效控制，改善河网区水质。

（2）河网区水污染控影响因果分析图绘制。明确河网区水污染排放所要解决的问题和结果。首先由左至右画出一条水平主干线，箭头指向一个矩形框，框内注明研究的问题，即结果；根据影响河网区水污染排放的各种因素，分析确定影响较大的方面原因；将每种大原因进一步分解为中原因、小原因，直至分解的原因可以采取具体措施加以解决为止；检查图中的所列要素和原因是否齐全，对初步分析结果广泛征求意见，进行必要的补充和修改；选择影响权重大的关键因素，以便重点采取措施加以控制。用因果分析图来归纳影响河网区水污染排放要素和问题的因果关系。因果分析识别河网区水污染控制主要影响因素过程，见图1。

2.2 影响因素诊断分析方法

河网区水污染控制的关键影响因素，是对区域水资源特征、开发利用、节约保护和污染排放等诸方面综合分析的基础上，经过多要素分析而得出的，故需要对河网区水污染控制指标体系中的影响因素作全面定量分析，计算因素的综合影响贡献程度，确定能综合反映水资源、社会、经济、环境相互依存、相互协调关系的指标，使整体结构更为简单。系统控制关键影响因素指标定量诊断分析方法，主要有主成分分析法[2]等。

2.2.1 主成分分析法基本原理

主成分分析是一种模式识别中的降维映射方法，主要是将多维空间的信息在低维（二维或三维）空间表现出来，消除众多信息相互重叠的部分。将原始变量进行转换，通过原始变量指标的线性组合，优化组合系数，使新的变量指标之间相互独立且代表性好。

如在一个指标体系中，有n个样本m个变量，形成指标矩阵X＝[xij]（i＝1，2，...，n，j＝1，2，...，m）。

图1 因果分析法识别河网区水污染控制影响因素过程

它们的综合指标为z1，z2，...，zp（p≤ m），则：

式中：zi和zj互不相关，z1为x1的一切线性组合的方差最大者，并且彼此互不相关。这些新变量z1，z2，...，zp就是原来变量的第一、第二、…、第p主成分。其中zi在总方差中占的比例最大，依次递减。

2.2.2 主要分析步骤

选取指标及指标的同趋化处理。通过以上指标选取，对与评价目的呈负相关的指标进行同趋化处理。用1/x或1-x代替原指标，保证所有指标得分都对评价目标作正贡献。

（1）采集数据样本。设样本数据为n，对每个样本收集到的指标数据进行趋同化处理后可得到矩阵为：

式中：Yij代表第i个样本第j项评价指标数值。

（2）指标标准化处理。由于各指标数据量纲都不一致，数量间的差异很大，需要将不同度量的指标转化为同度量的指标。使各指标具有可比性。标准化公式如下：

式中（i＝1，2，...，n；j＝1，2，...，m）。

（3）计算相关矩阵。将处理后的指标进行相关性分析，设rij为原来变量xi与xj的相关系数，其计算公式为：

可得相关系数矩阵：

整理得到：R＝XXT（/n-1），为实对称矩阵（即rij＝ rji）。

（4）计算特征值和特征向量。利用上述相关系数矩阵R，求特征方程|λI-R|＝0的m个特征值 λi（i＝1，2，...，m），按其大小顺序排列，即λ1≥λ2≥…≥λm≥0，然后分别求出特征向量e（ii＝1，2，...，m）。

（5）计算主成分贡献率及累计贡献率。主成分贡献率见式（6），累计贡献率见式（7）。

（6）选择主成分并计算主成分载荷。设定对主成分所包含的总体信息程度，即累计贡献率。一般若前p个主成分提供了85%～95%的信息量，则取特征值 λ1，λ2，…，λp。所对应的第一、第二、…、第p（p≤m）个主成分，变量数由m减至p个，产生了降维的效果。

主成分载荷计算式为：

可进一步计算主成分得分：

由此可对影响因素归类，按照主成分代表的类别进行系统诊断分析。

3 实例分析

太湖流域为我国大型感潮河网区，涉及江苏省、浙江省和上海市，总面积36895 km2，是我国经济社会发展最具活力的地区之一。2015年人口5997万人，占全国总人口的4.4%，GDP为6.69万亿元，占全国总GDP的9.9%，人均GDP11.2万元，是全国人均GDP的2.3倍。

2015年太湖流域全年水质达到或优于Ⅲ类的比例仅为20.3%，主要为氨氮、总磷、高锰酸盐指数、生化需氧量、化学需氧量和溶解氧等超标[3]。

3.1 影响因素分析数据

针对太湖流域河网区社会经济和水污染情况，利用因果分析图法，河网区26个水污染控制的影响因素分析数据，见表1[3]。

表1 太湖流域河网区水污染控制影响因素和分析数据

（续表1）

3.2 主成分贡献率和载荷

利用主成分分析方法，计算太湖流域河网区水污染控制影响因素特征值及主成分贡献率，见表2。

由表2可知，太湖流域河网区水污染控制影响因素第一、第二、第三主成分的累计贡献率已达到85.56%，达到主成分分析规定要求。根据主成分载荷计算公式得到主成分载荷矩阵，见表3。

表2 特征值及主成分贡献率

表3 主成分载荷矩阵

（续表3）

3.3 影响因素诊断分析

根据表2的污染控制影响因素主成分贡献率，结合表3的主成分载荷值，可以看出：

（1）第一主成分：对污染控制影响的贡献率为65.85%，其中万元GDP用水量（X1）、农田亩均灌溉用水量（X4）、人均用水量（X6）、地表水源供水量（X11）、地下水源供水量（X12）、长江引水总量（X13）、钱塘江引水总量（X14）、城镇居民生活污水排放量（X15）、第二产业废污水排放量（X16）、第三产业废污水排放量（X17）、废污水排放总量（X22）、城镇废污水处理率（X25）、农田亩均化肥施用量（X26）等13个影响因素的载荷系数在0.9以上，与第一主成分都有较强的正相关或负相关，表明这些因素对太湖流域河网区水污染控制具有很强的影响效力。

（2）第二主成分：对污染控制影响的贡献率为12.57%，其中农田灌溉水有效利用系数（X2）、工业用水重复利用率（X3）、GDP增长率（X7）、人均GDP（X8）、人口（X9）、评价河长水质达到或优于Ⅲ类（X19）、省界河流参评断面水质达到或优于Ⅲ类（X20）、区水全年期水质达标率（X21）、农业节水灌溉率（X23）、城镇废污水处理回用率（X25）等10个影响因素的载荷系数为0.8～0.9，与第二主成分都有较强的正相关或负相关，表明这些因素对太湖流域河网区水污染控制具有一定的影响效力。

（3）第三主成分：指标影响贡献率仅为7.13%左右，其中人均水资源量（X5）、降雨量（X10）和耗水率（X2）等3个因素的的载荷系数为0.7～0.8，表明这些因素对太湖流域河网区水污染控制影响效力相对较小。

上述分析结果表明，供用水量、废污水排放量等水资源开发利用和经济社会发展等因素，是太湖流域河网区水污染控制的关键影响因素。

4 结语

河网地区是我国水资源比较丰富的地区，密布的河网为社会经济的快速发展提供了宝贵资源。河网区人口密集、经济发达，大量工农业废污水和生活污水直接或间接排放到河网中，对水体水质和水生态环境构成严重威胁[4]。河网区水污染控制的主要措施为：

（1）地表水污染控制。加强河网地区工业污染控制，做到增产减污或增产不增污；加大城市污水处理设施建设力度，提高污水处理水平；加强面源污染控制，减少氮、磷排放量；实施排污口整治工程，优化入河排污口设置；加强监测预警，提高应急处置能力。

（2）地下水污染控制。调整河网地区供用水格局，将优质有限的深层地下水主要用于城乡居民的生活供水；划定地下水保护区，设置卫生防护带；完善地下水资源管理制度，加强对地下水取水的监督、检查；完善地下水监测网络、动态管理信息和预警系统。

（3）水生态保护和修复。合理配置河网地区水资源，优化水利工程调度，建设生态用水保护工程，保障河流生态基流量和湖库生态水位；建设河湖湿地生态工程，培育水生植被，恢复湖泊、河流水生态系统功能；健全生态监测与预警网络体系，维护河湖水生态系统良性循环。

参考文献：

[1]YU Miao，JIN Tong. Principal Component Analysis of Major Pollutants Discharge Amount in Major Cities，Agricultural Science&Technology[J] . 2017，18（7）∶1260-1262 .

[2]李玉珍，王宜怀.主成分分析及算法[J] . 苏州大学学报（自然科学版），2005（01）∶32-36 .

[3]水利部太湖流域管理局 . 太湖流域及东南诸河水资源公报[R] . 2003-2016 .

[4]郑石，王荧.基于主成分分析的农业经济与环境污染问题研究 [J] . 江西农业学报，2017，29（6）∶125-130 .