遼河流域水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及其污染源解析

馬溪平,呂曉飛,2,張利紅,2,徐成斌,張 博

(1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110036;2.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110031)

水質(zhì)評(píng)價(jià)及污染源解析的目的是科學(xué)、全面、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量,并為水環(huán)境管理提供準(zhǔn)確可靠的信息。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法很多[1],主要有內(nèi)羅梅水質(zhì)指數(shù)法,羅斯水質(zhì)指數(shù)法,綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[2]等。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是其中應(yīng)用范圍最廣,較為成熟的一種。污染源解析的方法也有很多[3],多元統(tǒng)計(jì)分析法亦是其中應(yīng)用較為成熟的一種。

遼河流域遼寧省境內(nèi)水污染嚴(yán)重,近年來綜合污染指數(shù)一直居全國(guó)七大流域前列。污染排放主要集中在河流城市段[4],遼河流域水體沿途接納了沈陽(yáng)、鞍山,撫順,遼陽(yáng),鐵嶺、盤錦和營(yíng)口等城市的工業(yè)廢水和生活污水后,河流水質(zhì)污染嚴(yán)重,水環(huán)境受到破壞。

盡管近些年來針對(duì)遼河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究很多[5-6],但同時(shí)應(yīng)用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和多元統(tǒng)計(jì)分析法的卻不多,或者只是單一使用以上方法中的一種對(duì)遼河流域內(nèi)的某部分水系進(jìn)行相關(guān)研究[7-8],沒有將兩種方法結(jié)合應(yīng)用于整個(gè)遼河流域的先例。筆者依據(jù)遼河流域水系特點(diǎn),選取COD,BOD5,NH3-N等6個(gè)典型水質(zhì)指標(biāo),將遼河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)與污染物源解析相結(jié)合,以綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)法為主,輔以判別分析法,以遼河流域主要干流水質(zhì)評(píng)價(jià)為基礎(chǔ),結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)遼河流域主要干流水體中主要污染物及其來源進(jìn)行探索性分析,以達(dá)到對(duì)污染物“追根溯源”的目的。

1 數(shù)據(jù)收集與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自2006—2008年遼寧省環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書,其采樣及測(cè)試均符合國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)遼河流域水系特點(diǎn),選用遼河流域河流主要干流省控?cái)嗝婀灿?jì)26個(gè)點(diǎn)位作為分析點(diǎn)位(圖1),每個(gè)點(diǎn)位選用 6個(gè)指標(biāo)作為水質(zhì)分析參數(shù),包括 COD,BOD5,NH3-N,CODMn,揮發(fā)酚,石油類,共計(jì)468個(gè)數(shù)據(jù)。為了便于分析,選取2006—2008年6個(gè)水質(zhì)參數(shù)3年平均值的算術(shù)平均數(shù)作為主要分析數(shù)據(jù)。

圖1 遼河流域主要干流26個(gè)省控?cái)嗝媸疽鈭D

1.2 研究方法

1.2.1 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)方法

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是以單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為基礎(chǔ),對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)的方法[12]。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)由整數(shù)位和3位或4位小數(shù)組成,其計(jì)算公式表示為[9]:

式中:X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別;X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置;X3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中,劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù);X4為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果,視綜合水質(zhì)的污染程度,X4為1位或2位有效數(shù)字;P′i為第i個(gè)水質(zhì)因子的單因子水質(zhì)指數(shù)。

通過綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù) Iwq的整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后第1位,即 X1?X2,可以判定綜合水質(zhì)級(jí)別。綜合水質(zhì)級(jí)別判斷依據(jù)如下[9]:

Ⅰ類:1.0≤X1?X2≤2.0;Ⅱ類:2.0＜X1?X2≤3.0;Ⅲ 類:3.0 ＜X1?X2≤4.0;Ⅳ類:4.0 ＜X1?X2≤5.0;Ⅴ類 :5.0＜X1?X2≤6.0;劣Ⅴ類但不黑臭:6.0＜X1?X2≤7.0。

1.2.2 判別分析法

判別分析是根據(jù)觀察或測(cè)量到的若干變量值判斷研究對(duì)象如何分類的方法[10]。基本思想是在已知觀測(cè)對(duì)象的分類和特征變量值的前提下,從中篩選出能提供較多信息的變量,并建立判別函數(shù),目標(biāo)是使得判別函數(shù)在對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行判別其所屬類別時(shí)的錯(cuò)判率最小。

1.2.3 多元統(tǒng)計(jì)方法

多元統(tǒng)計(jì)方法的基本思路是利用觀測(cè)信息中物質(zhì)間的相互關(guān)系來產(chǎn)生源成分譜或產(chǎn)生暗示重要排放源類型的因子[11],包括主成分分析(PCA)及因子分析法(FA)。只要監(jiān)測(cè)的污染源滿足解析條件[12-13],二者都可以用于污染物的來源解析[14-16],結(jié)果的取得主要取決于被分析因子的特征值、方差累計(jì)貢獻(xiàn)(cumulativepercent variance)和Exner方程[17]。要求解析結(jié)果中包含的因子數(shù)量較多,被分析因子的特征值大于1,方差累計(jì)貢獻(xiàn)率接近于100%。一般只要選取方差累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%左右的因子組合就可以。本文主要應(yīng)用因子分析法(FA)進(jìn)行分析,分析工具為Excel 2003,Origin 8.0及SPSS 13.0。

2 結(jié)果與討論

2.1 遼河流域水質(zhì)現(xiàn)狀分析

2.1.1 遼河流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)率分析

圖2 遼河流域主要干流26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

經(jīng)過相關(guān)公式計(jì)算各點(diǎn)位綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)(圖2),根據(jù)綜合水質(zhì)級(jí)別判斷依據(jù),可以得到26個(gè)點(diǎn)位的水質(zhì)情況如下:Ⅰ類水質(zhì)點(diǎn)位1個(gè),占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的3.84%;Ⅱ類水質(zhì)點(diǎn)位1個(gè),占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的3.84%;Ⅲ類水質(zhì)點(diǎn)位2個(gè),占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的7.69%;Ⅳ類水質(zhì)有 9個(gè),占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的34.62%;Ⅴ類水質(zhì)有 11個(gè),占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的42.31%;劣Ⅴ類但不黑臭的有2個(gè),占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的7.69%。結(jié)合各點(diǎn)位水功能區(qū)目標(biāo),達(dá)標(biāo)點(diǎn)位有20個(gè),整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為73.92%,說明整個(gè)遼河流域水質(zhì)基本達(dá)到功能區(qū)水質(zhì)要求。

2.1.2 遼河流域水質(zhì)定性分析

對(duì)照水體功能區(qū)類別,對(duì)水體清潔或污染程度進(jìn)行的評(píng)價(jià)稱為水質(zhì)定性評(píng)價(jià),可以分為5級(jí):優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染[18]。根據(jù)遼河流域水系特點(diǎn)和水功能區(qū)目標(biāo)及綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)可以按以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)26個(gè)點(diǎn)位進(jìn)一步分級(jí):優(yōu)良1.0≤X1?X2≤3.0;輕度污染 3.0＜X1?X2≤4.0;中度污染4.0＜X1?X2≤6.0;重度污染 X1?X2＞7.0。

根據(jù)26個(gè)點(diǎn)位的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù),可將各點(diǎn)位進(jìn)一步分為以下4組:水質(zhì)優(yōu)良組有2個(gè)點(diǎn)位,占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的7.69%;輕度污染組有2個(gè)點(diǎn)位,占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的7.69%;中度污染組有20個(gè)點(diǎn)位,占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的73.92%;重度污染的點(diǎn)位有2個(gè),占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的7.69%。將上述分組結(jié)果通過SPSS判別分析進(jìn)行檢驗(yàn)(表1,表2),由表1可知,第1個(gè)判別函數(shù)的顯著概率為0.007＜0.05,有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,其他兩個(gè)判別函數(shù)的顯著概率均大于0.05,沒有意義。由表2可知此次判別分析1,2,3,4組(即優(yōu)良組,輕度污染組,中度污染組,重度污染組)的判別正確率分別為100%,100%,80%,100%。平均判別正確率為95%,正確率很高,說明按以上標(biāo)準(zhǔn)分組可信。通過以上分析可知,26個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)大部分為中度污染,占整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的73.92%。說明遼河流域尤其中下游水體中度污染比較嚴(yán)重,需要有關(guān)部門加強(qiáng)管理。

表1 判別分析Wilk′lambda值

2.2 遼河流域水質(zhì)典型污染物源解析

2.2.1 數(shù)據(jù)的正態(tài)分布特征檢驗(yàn)

在統(tǒng)計(jì)分析理論中,對(duì)數(shù)據(jù)分布有一定的要求[19],所以先應(yīng)用SPSS軟件中的探索性分析驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正態(tài)分布有效性。結(jié)果如表3所示,根據(jù)探索性檢驗(yàn)要求,顯著概率大于0.05的指標(biāo)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特征,可以看到,參與分析的26個(gè)點(diǎn)位的理化指標(biāo)的顯著概率均大于0.05,可以認(rèn)為此次參與分析的數(shù)據(jù)整體符合正態(tài)分布的要求。

表2 分類結(jié)果

表3 正態(tài)分布檢驗(yàn)

2.2.2 典型污染物的因子分析

a.Kaiser-Meyer-Olkin 和 Bartlett′s Sphericity 檢驗(yàn)。為了驗(yàn)證因子分析的適用性,首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和 Bartlett′s Sphericity 檢驗(yàn)。一般認(rèn)為KMO值大于0.7(KMO值在0～1之間變化)的適合因子分析,小于0.5的不適合因子分析,介于二者之間的,比較適合。Bartlett′s Sphericity檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)相關(guān)性矩陣是否為單位矩陣,如果是單位矩陣,則不適合因子分析。

通過檢驗(yàn)可知,在顯著概率小于0.05,數(shù)據(jù)的KMO檢驗(yàn)值為0.575,Bartlett′s Sphericity檢驗(yàn)值為136.496,表明數(shù)據(jù)適合因子分析。

b.因子分析的總方差解釋及主因子命名。根據(jù)因子分析提取主成分的要求,被分析因子的特征值必須大于1,方差累計(jì)貢獻(xiàn)接近于100%,從分析結(jié)果(表4)中可以提取3個(gè)主成分。主成分1解釋了總方差的56.85%,其中COD,BOD5,CODMn占有較高的因子載荷,分別為94.3%,94%,92.8%。結(jié)合表4,可以將主成分1命名為耗氧有機(jī)物污染物。主成分2解釋了總方差的18.25%,其中NH3-N占有較高的因子載荷,為89.8%,可將主成分2命名為富營(yíng)養(yǎng)化因子污染。主成分3解釋了總方差的17.51%,揮發(fā)酚因子載荷較高,為82.5%,結(jié)合表5,可以將主成分3命名為有毒有機(jī)污染物。

表4 因子載荷與總方差解釋

表5 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

綜合上述分析可得出,遼河流域典型污染物有3種,分別為耗氧有機(jī)物污染物,化肥農(nóng)藥污染物和有毒有機(jī)污染物。以上三種為遼河流域主要污染物質(zhì)。

c.水體污染物來源分析及控制措施。遼河流域遼河段的BOD5、COD的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)值相比其他指標(biāo)數(shù)值較大,可認(rèn)為第1主成分為此區(qū)間的主導(dǎo)污染物。主要由于該區(qū)間多為大中城市,城鎮(zhèn)人口眾多,工業(yè)區(qū)規(guī)模較大,造紙行業(yè)和畜牧業(yè)占有較大比例,其排放的廢水中含有大量的耗氧有機(jī)物質(zhì),加之工業(yè)和生活需水量大,水處理負(fù)荷也較大。所以,解決此區(qū)間水體污染問題,應(yīng)在保證供求關(guān)系的前提下減少污染行業(yè)數(shù)目,提高污水處理能力,節(jié)約用水等方面入手。遼河流域渾河段和大遼河段的NH3-N的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)值相比其他指標(biāo)數(shù)值較大,可認(rèn)為第2主成分為此區(qū)間的主導(dǎo)污染物。主要由于該區(qū)間工業(yè)區(qū)中造紙、石化和冶金行業(yè)占有較大比例,生產(chǎn)過程中向附近水體中排放大量的含NH3-N污染物質(zhì)所造成的。解決方法應(yīng)從控制污染物排放入手,加強(qiáng)對(duì)相關(guān)行業(yè)的排放監(jiān)測(cè)。遼河流域太子河段揮發(fā)酚的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)值相比其他指標(biāo)數(shù)值較大,可認(rèn)為第3主成分為此區(qū)間的主導(dǎo)污染物。主要由于該區(qū)間的本溪鋼鐵廠、北臺(tái)鋼鐵廠在生產(chǎn)過程中向附近水體排放了大量含酚超標(biāo)的廢水所致。

綜上所述,主成分1、2、3分別來自于城市生活污水和工業(yè)廢水中的耗氧有機(jī)物污染;造紙廠、石油化工廠、冶金廠排放的生產(chǎn)廢水污染以及來自煉鋼廠的生產(chǎn)廢水污染。相關(guān)部門在生產(chǎn)和監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)加強(qiáng)控制與管理。

3 結(jié) 論

a.遼河流域干流水質(zhì)整體達(dá)標(biāo)率較高,達(dá)標(biāo)率為73.92%,但大多數(shù)河流尤其是中下游水體中度污染比較嚴(yán)重,仍需要有關(guān)部門加強(qiáng)管理。

b.遼河流域水體有3種典型污染物,對(duì)整個(gè)遼河流域污染的貢獻(xiàn)率分別為56.85%,18.23%和17.51%,為遼河流域水體主要污染物。

c.遼河流域水體3種典型污染物的來源分別為來自于城市生活污水和工業(yè)廢水中的耗氧有機(jī)物污染物,造紙廠、石油化工廠、冶金廠排放的生產(chǎn)廢水污染所形成的富營(yíng)養(yǎng)化因子污染物和煉鋼廠的生產(chǎn)廢水所形成的有毒有機(jī)污染物,其作用的河段分別為遼河流域遼河段,渾河段和大遼河段,以及遼河流域太子河段,應(yīng)根據(jù)每段區(qū)間特點(diǎn)采用相應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)污染物控制。

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