渭河干流(陜西段)氨氮污染現(xiàn)狀及原因分析

鄭現(xiàn)明，王新科，張 歡，宋進(jìn)喜

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127)

渭河干流(陜西段)氨氮污染現(xiàn)狀及原因分析

鄭現(xiàn)明，王新科，張 歡，宋進(jìn)喜

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127)

渭河是黃河的最大支流。分析渭河氨氮污染現(xiàn)狀，探究其污染原因，對于改善渭河水質(zhì)具有重要參考應(yīng)用價(jià)值。采用單因子評價(jià)方法分析氨氮污染現(xiàn)狀，通過因子分析、偏相關(guān)分析和偏最小二乘回歸分析等多種方法研究引起渭河氨氮污染的主要原因。研究結(jié)果表明:渭河大部分監(jiān)測斷面氨氮水質(zhì)處于劣Ⅴ類，污染嚴(yán)重，主要與農(nóng)用氮肥施用量、工業(yè)廢水中氨氮排放量、氣溫和降水量等因素顯著相關(guān)，占總影響因素的79.97%。因此，減少氨氮排放量，提高渭河的徑流量，緩解渭河氨氮污染成為當(dāng)務(wù)之急。

渭河;氨氮污染;因子分析;偏相關(guān)分析;偏最小二乘回歸

渭河是關(guān)中地區(qū)的母親河，沿河兩岸接納近百條大小支流，渭河水資源開發(fā)利用，從過去的生活用水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，已發(fā)展到今天的生活用水、生產(chǎn)用水與生態(tài)用水相結(jié)合，更加注重生態(tài)用水。但是，大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水的直接排入渭河，導(dǎo)致水質(zhì)污染嚴(yán)重，并且氨氮已上升為該流域的主要污染因子［1］。渭河的嚴(yán)重污染使得原有的水環(huán)境功能喪失，不僅給生態(tài)用水帶來更高的負(fù)荷量，而且給該流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成負(fù)面影響，還影響到渭河下游黃河流域的生產(chǎn)和生活活動。

造成渭河氨氮污染的現(xiàn)狀是多種因素長期綜合作用的結(jié)果，而且各個(gè)因素間還具有復(fù)雜的耦合關(guān)系。李孝廉等人［2］分析了渭河水質(zhì)與水量的關(guān)系，提出生態(tài)用水的嚴(yán)重缺乏是導(dǎo)致渭河氨氮污染嚴(yán)重的重要原因。魏學(xué)東等人［12］分析了渭河流域?qū)氹u至成陽段氨氮污染來源，提出生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染對渭河水質(zhì)影響較大。韓濤等人［15］分析了渭河陜西段氮污染現(xiàn)狀，提出城市生活污水、工業(yè)廢水和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)廢水是渭河流域氮的主要來源。不同學(xué)者對渭河氨氮污染成因的研究都有所側(cè)重，卻缺乏從多角度和多方法對渭河氨氮污染現(xiàn)狀及其成因的系統(tǒng)性研究，本文采用多種統(tǒng)計(jì)方法，從自然社會經(jīng)濟(jì)多角度分析渭河氨氮污染的原因，探究其中關(guān)鍵的因素，為渭河氨氮污染綜合有效治理提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河全長818 km，流域面積13.48萬 km2，包括甘肅、寧夏、陜西三個(gè)省區(qū)。渭河在陜西全長約502.40 km，流域面積6.71萬km2，陜西段流域面積占流域總面積的49.80%。陜西省渭河流域水資源總量為103.50億m3/a，其中自產(chǎn)水資源總量69.92億m3/a，入境水量33.58億 m3/a。人均水資源占有量 285.50 m3，僅相當(dāng)于全國平均水平的12.40%，屬于水資源嚴(yán)重缺乏的地區(qū)［2］。渭河流域陜西段橫貫整個(gè)關(guān)中地區(qū)，水資源短缺、水質(zhì)污染嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱。昔日美麗的母親河如今已經(jīng)成為關(guān)中地區(qū)的排污河。渭河作為黃河的最大支流，原有的基本功能在衰退甚至喪失，而且還影響到黃河本身的水質(zhì)。近幾年，陜西省對渭河綜合整治已投入了大量資金，雖然渭河水質(zhì)有了些許改善，但距河流水質(zhì)目標(biāo)要求仍有較大差距。

1.2 研究方法

本研究采用因子分析、偏相關(guān)分析和偏最小二乘回歸多種統(tǒng)計(jì)方法分析渭河氨氮污染的成因。因子分析方法將眾多的原變量組成少數(shù)的獨(dú)立新變量，并用較少的具有代表性因子來概括多維變量所包含的信息，在水資源和水環(huán)境研究中得到應(yīng)用［6］。偏相關(guān)分析在研究兩個(gè)變量之間的相關(guān)關(guān)系時(shí)，控制可能對其產(chǎn)生影響的變量，真正反映兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度［4］。偏最小二乘回歸法(PLS)可以有效地提取對因變量解釋最強(qiáng)的綜合變量，克服變量間的多重相關(guān)性，是一種的回歸建模方法［7］。

選取2012年上半年渭河各個(gè)監(jiān)測斷面的氨氮的年平均數(shù)據(jù)［18］，結(jié)合2012全年渭河上游流入陜西省的天水牛背斷面和下游流出陜西省的潼關(guān)吊橋斷面的氨氮的月平均數(shù)據(jù)［19］，采用單因子評價(jià)方法來綜合評價(jià)渭河氨氮污染現(xiàn)狀。

選取2005～2011年潼關(guān)吊橋斷面氨氮的年平均數(shù)據(jù)和陜西省的自然條件、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展年平均數(shù)據(jù)，采用因子分析、偏相關(guān)分析和偏最小二乘回歸的方法，運(yùn)用SPSS19.0和Matlab2012a軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析研究渭河下游氨氮含量和上游流域自然條件、社會經(jīng)濟(jì)的定量關(guān)系。

2 氨氮污染現(xiàn)狀分析

根據(jù)2012年渭河干流1～6月份各監(jiān)測斷面氨氮的平均濃度，采用單因子評價(jià)法評價(jià)渭河目前的水質(zhì)現(xiàn)狀。在所監(jiān)測的渭河干流陜西段12個(gè)監(jiān)測斷面中(見表1)，林家村、虢鎮(zhèn)橋至羅古村氨氮均為Ⅱ，Ⅲ類，能夠滿足水質(zhì)功能的要求，其余河段均為Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)，污染十分嚴(yán)重，不能滿足生產(chǎn)和生活的水質(zhì)功能需求。在羅古村到咸陽興平段河流水質(zhì)急劇變差，往后段的水質(zhì)沒有明顯的回轉(zhuǎn)。另外，與黃河匯合處的潼關(guān)吊橋斷面氨氮平均濃度嚴(yán)重超標(biāo)，增加了黃河的氨氮負(fù)荷量，給黃河下游居民的生產(chǎn)和生活造成負(fù)面影響。總體而言，渭河陜西段氨氮污染非常嚴(yán)重，并且從上游至下游呈逐漸加重趨勢。

表1 2012年上半年渭河干流氨氮監(jiān)測結(jié)果

天水牛背作為甘－陜省界是渭河陜西段的起點(diǎn)，此處水質(zhì)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，氨氮濃度低且年內(nèi)無較大變化。潼關(guān)吊橋作為陜－晉、豫省界，是渭河與黃河的匯合處，渭河在關(guān)中地區(qū)受到嚴(yán)重污染導(dǎo)致此處氨氮濃度明顯上升。由天水牛背和潼關(guān)吊橋的氨氮濃度的對比來看(圖1所示)。渭河陜西段的氨氮濃度年內(nèi)變化較大，有明顯的規(guī)律，大致可分為3個(gè)階段(如圖1所示):3～6月氨氮濃度出現(xiàn)大幅度下降，6～10月氨氮濃度變化基本上趨于平穩(wěn)并且出現(xiàn)了一年中的最低值，10～翌年3月氨氮濃度增加并且出現(xiàn)了一年中的最高值。另外，渭河陜西段氨氮年內(nèi)變化有較強(qiáng)的季節(jié)性，夏季氨氮含量均明顯偏低，冬季氨氮含量均明顯偏高，最低濃度出現(xiàn)在豐水期，最高濃度出現(xiàn)在枯水期。

圖1 2012年各月氨氮濃度變化

3 氨氮污染原因分析

河水中的氮濃度與上游地區(qū)的作物種植面積、氮肥施用量呈正相關(guān)［3］，也與工業(yè)產(chǎn)值和城鎮(zhèn)化率緊密相關(guān)［4］。高學(xué)民研究長江水系河水氮污染時(shí)發(fā)現(xiàn)，長江的氮濃度與其上游流域的降水量、人口密度、氮肥施用量、牲畜存欄數(shù)和農(nóng)作物面積具有密切關(guān)系［5］?？梢?，河流中的氨氮濃度受多種因素綜合影響。

由于影響渭河干流氨氮濃度的外部因素較多，而且各個(gè)因素間又可能存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)渭河流域的實(shí)際情況，本文選擇渭河潼關(guān)吊橋處河流中的氨氮濃度(mg·L－1)作為因變量y，選取影響氨氮濃度的農(nóng)用氮肥施用量(萬t)、工業(yè)廢水中氨氮排放量(t)、生活污水中氨氮排放量(萬t)、城市污水處理率(%)、環(huán)境污染治理投資占GDP比重(%)、城鎮(zhèn)人口比重(%)、GDP增長率(%)、氣溫(oC)、降水量(mm)9個(gè)指標(biāo)作為自變量。其中:農(nóng)用氮肥施用量(x1)、工業(yè)廢水中氨氮排放量(x2)、生活污水中氨氮排放量(x3)表示人類生產(chǎn)和生活活動對氨氮濃度的影響;城市污水處理率(x4)、環(huán)境污染治理投資占GDP比重(x5)表示污水的控制和管理對氨氮濃度的影響;城鎮(zhèn)人口比重(x6)、GDP增長率(x7)表示城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對氨氮濃度的影響;氣溫(x8)、降水量(x9)表示自然因素對氨氮濃度的影響。通過因子分析方法對多維自變量數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，從宏觀層面尋找氨氮污染的主要影響因素;然后通過偏相關(guān)分析確定各個(gè)變量和氨氮濃度的相關(guān)系數(shù)，確定影響程度;最后通過偏最小二乘回歸建立渭河氨氮污染的預(yù)測模型，從而為解決渭河氨氮污染提供建議和參考。

3.1 氨氮污染的自然社會經(jīng)濟(jì)因子分析

由于影響氨氮濃度的變量較多，各個(gè)變量的單位不同，數(shù)據(jù)大小也存在巨大的差異，為了消除量綱不同和數(shù)量級的差異所造成的影響，采用正規(guī)化的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

根據(jù)所得到標(biāo)準(zhǔn)化的自變量數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，通過計(jì)算變量的相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率從而得到主成分提取表(見表3)和變量在主成分上的載荷值(見表4)。結(jié)果表明(見表3):第一主成分的特征值為5.57，方差貢獻(xiàn)率為61.84%;第二主成分的特征值為1.63，方差貢獻(xiàn)率為18.13%;第三主成分的特征值為0.89，根據(jù)特征值大于1的原則，說明該主成分方差貢獻(xiàn)率沒有直接引入原變量大，所以只需提取第一和第二兩個(gè)主成分，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到79.97%，能夠解釋總變異的79.97%，基本包含了9個(gè)自變量的主要信息。從變量在主成分上的載荷值來看(見表4)，第一主成分主要包括農(nóng)用氮肥施用量、工業(yè)廢水中氨氮排放量、生活污水中氨氮排放量、城市污水處理率、城鎮(zhèn)人口比重和降水，它們和主成分的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.80;第二主成分包括環(huán)境污染治理投資占GDP比重、氣溫?？傮w上看，第一主成分可以歸納為人類活動因素，第二主成分可以歸納為氣候因素，二者共同作用與渭河中氨氮的濃度。從方差貢獻(xiàn)率來看，第一主成分為方差貢獻(xiàn)率為61.84%，遠(yuǎn)大于第二主成分方差貢獻(xiàn)率18.13%，這說明渭河氨氮污染主要是由人類活動引起的，氣候只是次要的因素，所以治理渭河氨氮污染關(guān)鍵在于有效控制人類不合理的社會經(jīng)濟(jì)活動，同時(shí)綜合考慮自然氣候的影響。

表3 因子的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率

表4 主成分載荷值

3.2 偏相關(guān)分析

由于影響渭河氨氮濃度的變量之間關(guān)系復(fù)雜，部分變量之間存在一定的相關(guān)性，僅從簡單相關(guān)系數(shù)上可能無法客觀真實(shí)反映之間的聯(lián)系，所以采用偏相關(guān)分析來計(jì)算氨氮濃度與自然社會經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，結(jié)果表明(見表5):氨氮濃度與GDP增長率相關(guān)性不大;與生活污水中氨氮排放量、環(huán)境污染治理投資占GDP比重和降水量的絕對偏相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.50，說明氨氮濃度與該3項(xiàng)具有一定聯(lián)系;與農(nóng)用氮肥施用量、工業(yè)廢水中氨氮排放量、城市污水處理率、城鎮(zhèn)人口比重和氣溫相關(guān)程度達(dá)到0.80，說明氨氮濃度與該5項(xiàng)密切相關(guān)。氨氮濃度城鎮(zhèn)人口比重和降水量呈負(fù)相關(guān)，與其余7項(xiàng)呈正相關(guān)。

表5 氨氮濃度與自然社會經(jīng)濟(jì)變量的偏相關(guān)系數(shù)

3.3 偏最小二乘回歸分析

由于所選自變量存在多重共線性(見表6)，本文根據(jù)PLS原理建立氨氮濃度與自然社會經(jīng)濟(jì)的線性方程，探究氨氮與變量因子的定量關(guān)系，從而建立氨氮濃度的預(yù)測模型。

依據(jù)PLS分析的方法和步驟，借助Matlab2012a軟件平臺，將表2的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分提取，依據(jù)交叉有效性檢驗(yàn)結(jié)果(表7)確定標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的PLS回歸方程為:

表6 變量因子的相關(guān)系數(shù)矩陣

表7 交叉有效性檢驗(yàn)結(jié)果

3.4 相關(guān)分析的結(jié)果與討論

通過分析氨氮濃度與自然社會經(jīng)濟(jì)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，影響渭河氨氮濃度的因素可以概括為氣候和人類活動，具體包括氣溫、降水量、農(nóng)用氮肥施用量、工業(yè)廢水中氨氮排放量、城市污水處理率、城鎮(zhèn)人口比重等。這些因素最終影響渭河的徑流量和氨氮負(fù)荷。徑流量主要和氣溫、降水量、取水相關(guān)［9］。氣溫影響流域水分的蒸發(fā)和渭河底泥氨氮的釋放，是主導(dǎo)渭河氨氮濃度的重要因素之一。和氣溫相比，降水量對渭河氨氮濃度的影響不太顯著(如圖2)，主要原因是渭河流域處于黃土高與地區(qū)，降水造成的水土流失使得渭河氨氮負(fù)荷增加，削弱了降水對渭河的稀釋作用。另外，隨著陜西省城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)人口比重增加，渭河流域需水量逐漸增加，2005年陜西省地表水供應(yīng)量為41.9億m3，2011年則達(dá)到49.5億m3，再加上渭河上游來水量不足使得生態(tài)用水量和徑流量嚴(yán)重不足。

氨氮負(fù)荷主要來源于農(nóng)用氮肥施用量、工業(yè)廢水中氨氮排放，并且近年來排放量逐步增加(如圖3)，工業(yè)點(diǎn)源污染和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是渭河氨氮治理的重中之重。生活污水中氨氮排放量也是渭河氨氮濃度增加的重要原因，一方面城市污水處理率的逐步提高;另一方面隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城鎮(zhèn)人口和生活水平在增加，產(chǎn)生的污水和廢水垃圾也在增加;生活污水氨氮排放量在對渭河氨氮濃度貢獻(xiàn)率在降低。2005年城市污水處理率達(dá)到31.94%，生活污水氨氮排放量為2.4萬t;2011年則分別達(dá)到82.31%和3.814萬t，總體而言渭河生活污水氨氮排放量在增加。在對渭河氨氮污染的人類響應(yīng)方面，2005年陜西省環(huán)境污染治理投資投入365 000萬元，2011年達(dá)到756 634.69萬元，其占GDP的比重有所增加，然而卻和渭河氨氮濃度呈正相關(guān)，說明環(huán)境污染投資對治理氨氮的效果不理想，投資效益不顯著，對渭河氨氮治理缺乏有效投資，今后要針對性加大投資力度，有效降低渭河氨氮負(fù)荷量。

圖2 氨氮濃度和氣溫、降水量關(guān)系

圖3 農(nóng)業(yè)和工業(yè)氨氮排放量趨勢

4 結(jié)論

(1)目前，渭河干流氨氮污染比較嚴(yán)重，大部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)呈劣Ⅴ類，從陜西省上游到下游氮污染有加重的趨勢，但是總體而言近年來渭河氨氮濃度在下降。

(2)渭河氨氮污染是氣候和人類活動綜合作用的結(jié)果，其中人類活動起著更為重要的作用。在眾多的影響因素中，農(nóng)用氮肥施用量、工業(yè)廢水中氨氮排放量、城市污水處理率、城鎮(zhèn)人口比重、氣溫和降水量等是主導(dǎo)因素。

(3)渭河治理關(guān)鍵在于要從提高渭河的徑流量和減少氨氮負(fù)荷這兩點(diǎn)出發(fā)，平衡自然和人類發(fā)展之間的關(guān)系，利用法律、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等手段進(jìn)行綜合治理。

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X522

B

1004－1184(2013)05－0061－05

2013-06-21

國家自然科學(xué)基金(51079123);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET－11－1045);留學(xué)人員科技活動項(xiàng)目擇優(yōu)資助(2011－32)

鄭現(xiàn)明(1990-)，男，河南周口人，研究方向:環(huán)境科學(xué)與工程。

宋進(jìn)喜(1971-)，男，甘肅天水人，教授，主要從事水資源與水環(huán)境研究。