遼河水環(huán)境質(zhì)量評價及其污染源解析

李步東 ，朱長軍，楊少波，曲 珍

(1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2. 西藏自治區(qū)水文水資源勘測局日喀則水文水資源分局，西藏 日喀則 857000)

1 引 言

為了更加深入、準(zhǔn)確的了解河流存在的水環(huán)境問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者將各類數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)評價方法應(yīng)用在水質(zhì)評價和水體污染源解析等研究中。目前，國內(nèi)外對河流水質(zhì)評價的方法主要有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評價法、水污染指數(shù)法、主成分分析法和多元統(tǒng)計(jì)分析法等[1]。水環(huán)境質(zhì)量評價對水環(huán)境的治理提供了重要的依據(jù)，不同的水環(huán)境質(zhì)量評價方法所適用的條件和評價結(jié)果會略有不同。Singh等[2]認(rèn)為，河流水質(zhì)評價需要確定各污染源以及定量化的污染貢獻(xiàn)率。鄭倩玉等[3]采用主成分分析(PCA)對松花江流域哈爾濱段水質(zhì)污染現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評價，并根據(jù)主成分分析計(jì)算得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行APCS-MLR(絕對主成分多元線性回歸分析)量化主成分對各污染物的貢獻(xiàn)率。萬金保等[4]認(rèn)為主成分分析(PCA)利用線性變換將多個原始變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)(即主成分)，提高了分析結(jié)果的客觀性和可靠性。

本文根據(jù)遼寧省水環(huán)境監(jiān)測中心2015年全年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照遼河的水文規(guī)律，將6～8月劃分為豐水期、4～5月和9～11月劃分為平水期，枯水期為12～翌年3月，并分別對遼河豐、平、枯三個時期進(jìn)行水質(zhì)分析，利用主成分分析法分析污染物的主要來源以及APCS-MLR(絕對主成分多元線性回歸分析)量化各主成分對每種污染物的污染貢獻(xiàn)率，以達(dá)到為遼河水環(huán)境質(zhì)量評價提供更加準(zhǔn)確的結(jié)果，同時為遼河的水污染治理與環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)和方向。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與分析

以遼河7個監(jiān)測斷面(如下圖所示)溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、類大腸桿菌等表征耗氧有機(jī)物的水質(zhì)指標(biāo)，以及砷和石油類等代表東北老工業(yè)區(qū)污染的水質(zhì)指標(biāo)為基礎(chǔ)。利用主成分分析法對遼河水質(zhì)進(jìn)行綜合評價，然后利用絕對主成分回歸分析進(jìn)行遼河污染物源解析，所有水質(zhì)指標(biāo)均嚴(yán)格按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)的規(guī)定進(jìn)行分析。

2.2 評價方法

2.2.1 主成分分析法

主成分分析法(principal components analysis)核心思想就是運(yùn)用降維的方式，把多個因子轉(zhuǎn)化成少數(shù)的幾個代表性的綜合因子，但這幾個因子已經(jīng)足夠代表大部分原來的信息。最終實(shí)現(xiàn)減少變量個數(shù)的目的[5]。通常，主成分分析需要進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)算數(shù)據(jù)矩陣協(xié)方差或相關(guān)矩陣、求出協(xié)方差矩陣特征值和特征向量和確定主成分及綜合得分四個步驟。假設(shè)擁有n個初始變量，表示x1，x2，xn，Y1，Y2，…Yn，表示主成分后的變量，R為變量間的相關(guān)系數(shù)矩陣，則有以下方程組成立：

圖 遼河監(jiān)測斷面分布圖Fig. Distribution of monitoring sites of Liao River

(1)

一般，假如前k個數(shù)據(jù)的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率超過了85 %，那么這前k個數(shù)據(jù)便是提取出來的主成分。

2.2.2 絕對主成分多元線性回歸分析

APCS-MLR則是在主成分分析法的基礎(chǔ)上對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)一步分析計(jì)算，是對水體進(jìn)行水質(zhì)評價和水體污染源解析的有效方法之一[2, 6～8]，其原理是利用主要的指標(biāo)評價水質(zhì)，根據(jù)主成分分析過程中得到的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)、特征向量以及因子得分系數(shù)，經(jīng)過式(2)～(4)計(jì)算得到絕對主成分得分(APCS)[6～9]。 然后繼續(xù)利用SPSS 19.0的分析—回歸功能，以絕對主成分得分為自變量，以污染物濃度為因變量進(jìn)行多元線性回歸分析(如式5所示)，得到回歸方程的回歸系數(shù)，從而確定各主成分對污染物的貢獻(xiàn)率[10～12]。

(2)

(3)

APCSjk=(Az)jk-(A0)j

(4)

(5)

式中：a0為MLR常數(shù)項(xiàng)，Aj為回歸系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 遼河水質(zhì)主成分分析及污染物來源

遼河6個監(jiān)測斷面的豐、平、枯水期的主成分載荷矩陣及總方差的解釋如表1所示。本文在提取主成分時選取特征值大于1作為標(biāo)準(zhǔn)，對豐水期、枯水期各提取了三個主成分，平水期提取了兩個主成分?；竞w了8個污染物的全部信息。其中，豐水期第一主成分(PCA1)、第二主成分(PCA2)和第三主成分(PCA3)總方差貢獻(xiàn)率分別為49.891%、27.632%和17.121%；顯而易見，第一主成分對遼河豐水期的水質(zhì)影響最大，可以視為豐水期遼河水體的主導(dǎo)污染物。從因子載荷值看，與第一主成分相關(guān)性較大的有NH3-N和As；由此可以推斷遼河水體的主要污染源為農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖等面源污染以及冶金行業(yè)的污廢水排放。第二主成分相關(guān)性較為顯著的有BOD5和石油類。說明該期間遼河水質(zhì)污染問題主要由石化企業(yè)導(dǎo)致的。第三主成分顯著相關(guān)的有高錳酸鹽指數(shù)和CODCr；說明該期間耗氧有機(jī)污染物是主要污染類型；遼河沿程周邊多為人口眾多的大中城市，另外，該區(qū)域的工業(yè)區(qū)規(guī)模較大，尤其是造紙行業(yè)和畜牧業(yè)占有較大比例，生活污水與工業(yè)廢水中含有大量的耗氧有機(jī)物，是遼河有機(jī)污染物的主要來源。

遼河平水期第一主成分和第二主成分總方差貢獻(xiàn)率分別為55.087%和26.992%；與第一主成分顯著相關(guān)的為BOD5和石油類。該期間水質(zhì)污染源與豐水期第二主成分所推斷的污染源類似，石化企業(yè)的廢水排放為主要污染源。平水期第二主成分顯著性較強(qiáng)的為DO，說明水體中DO濃度較低，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能為城市生活污水和企業(yè)污、廢水集中排放，水體中耗氧物質(zhì)急劇增加使得水體耗氧速率遠(yuǎn)大于復(fù)氧速率，DO明顯降低。

遼河枯水期第一主成分、第二主成分和第三主成分總方差貢獻(xiàn)率分別為48.574%、23.568%和16.090%；與第一主成分顯著性相關(guān)的為高錳酸鹽指數(shù)、CODCr和BOD5，其與豐水期第三主成分顯著相關(guān)性指標(biāo)類似，說明兩者主要污染源相似?？菟诘诙鞒煞诛@著性相關(guān)的為DO和As，由此可以推測枯水期第二主成分主要受到冶金行業(yè)與城市生活污水和企業(yè)污、廢水集中排放的影響?？菟诘谌鞒煞诛@著性相關(guān)的為石油類和糞大腸菌群，說明枯水期第三主成分污染物來源可能為生活污水、畜禽養(yǎng)殖以及石油化工等。

表1 遼河主成分載荷矩陣及總方差的解釋Tab.1 Interpretation of principal component loading matrix and total variance of Liao River

3.2 各監(jiān)測斷面的綜合評價

根據(jù)各主成分載荷矩陣和其對應(yīng)的特征值，可以求得遼河各監(jiān)測斷面的主成分綜合得分，再參考主成分綜合得分與水質(zhì)類別對比表(見表2)[13]，即可得到遼河每個監(jiān)測斷面不同時期的水質(zhì)類別(見表3)。

從遼河豐水期第一主成分和第二主成分得分來看，雙臺子河閘斷面的得分最高，遠(yuǎn)超過其他監(jiān)測斷面，說明與第一主成分和第二主成分相關(guān)性較大的NH3-N、As、BOD5和石油類在該斷面含量較多，雙臺子河閘是第一主成分與第二主成分所代表污染物的主要來源； 豐水期第三主成分得分最高的為通江口監(jiān)測斷面，說明與第三主成分顯著相關(guān)的高錳酸鹽指數(shù)和CODCr在該監(jiān)測斷面含量較高。

遼河平水期第一主成分與第二主成分得分最高的仍為雙臺子河閘監(jiān)測斷面，說明與第一主成分相關(guān)的BOD5和石油類和第二主成分相關(guān)的DO在雙臺子河閘監(jiān)測斷面污染較為嚴(yán)重。

遼河枯水期第一主成分得分最高的為遼中監(jiān)測斷面，其次是雙臺子河閘監(jiān)測斷面，說明與枯水期第一主成分相關(guān)的污染物主要來源于遼中監(jiān)測斷面；枯水期第二主成分得分最高的為通江口監(jiān)測斷

面，說明通江口監(jiān)測斷面是第二主成分所代表污染物的主要來源；枯水期第三主成分得分最高的為雙臺子河閘監(jiān)測斷面，說明該監(jiān)測斷面是第三主成分所代表污染物的主要來源。

綜上所述，雙臺子河閘監(jiān)測斷面水質(zhì)最差，污染程度遠(yuǎn)超過其它監(jiān)測斷面，同樣，在遼河豐水期、平水期和枯水期各監(jiān)測斷面主成分綜合得分來看，雙臺子河閘監(jiān)測斷面得分最高，馬虎山監(jiān)測斷面在豐、平、枯水期得分均為最低，說明馬虎上監(jiān)測斷面水體污染相較于其他斷面較輕。從整體上看，遼河水體污染非常嚴(yán)重，基本為Ⅳ類或Ⅴ類水質(zhì)。從遼河沿程監(jiān)測斷面水質(zhì)類別來看，遼河水質(zhì)整體上呈現(xiàn)出上游比下游污染程度低的趨勢。

表2 主成分分析法水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Water quality classification standard of principal component analysis

表3 各監(jiān)測斷面不同時期水質(zhì)綜合評價Tab.3 Comprehensive evaluation of water quality in all section in different periods

3.3 污染源貢獻(xiàn)率分析

根據(jù)主成分分析可知，遼河主要污染物為高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、BOD5、NH3-N和石油類。為了進(jìn)一步量化各主成分對每種污染物的污染貢獻(xiàn)率[14～16]，采用APCS-MLR對污染源貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，具體結(jié)果如表4所示。對于PCA/APCS來說，污染源的貢獻(xiàn)率不一定在0～100%區(qū)間內(nèi)，該值小于零或者大于100%的原因往往與污染源的排入對其他非影響指標(biāo)的稀釋有關(guān)[17～19]。除枯水期的砷指標(biāo)外，其它評價指標(biāo)的R2(相關(guān)系數(shù))值均大于0.7，說明進(jìn)行多元線性回歸分析在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是有效的。

遼河水體豐水期第一主成分對NH3-N、As和石油類的貢獻(xiàn)率分別為49.09%、58.65%和24.71%。由主成分分析結(jié)果可知，豐水期第一主成分包含的污染物主要來源為農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖等面源污染以及冶金行業(yè)的污廢水排放；第二主成分主要影響B(tài)OD5和石油類，對其貢獻(xiàn)率分別為13.62%和12.18%，該污染物主要來源于沿岸石油化工企業(yè)的工業(yè)廢水排放有關(guān)；第三主成分影響DO、高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、BOD5和糞大腸菌群，對其污染貢獻(xiàn)率分別為26.80%、53.68%、66.14%、14.93%和20.55%，該污染物的主要來源為城鎮(zhèn)生活廢水、工業(yè)廢水以及畜牧業(yè)排放的廢水等。

遼河水體平水期第一主成分對DO、高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、BOD5以及NH3-N的貢獻(xiàn)率為45.61%、30.48%、56.16%、26.93%和160.89%。根據(jù)主成分分析可知，平水期第一主成分的污染物主要受到石化企業(yè)污廢水排放的影響；第二主成分對DO、高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、BOD5以及石油類的貢獻(xiàn)率分別為10.13%、35.79%、21.19%、94.75%、70.65%，影響該污染物的主要原因可能為城市生活污水和企業(yè)污、廢水集中排放。

遼河水體枯水期第一主成分對高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、BOD5、NH3-N、石油類以及糞大腸菌群的貢獻(xiàn)率分別為100.25%、101.26%、128.36%、93.71%、54.33%和79.76%，污染物主要來源于豐水期第三主成分相似。第二主成分對DO、高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、NH3-N以及石油類的貢獻(xiàn)率分別為42.39%、31.16%、25.75%、164.60%和27.34%，污染物主要受到冶金行業(yè)與城市生活污水和企業(yè)污、廢水集中排放的影響。第三主成分主要影響石油類，對其污染貢獻(xiàn)率為24.58%，污染物主要來源為石油化工等。

表4 各時期主成分對污染物的貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution rate of principal components to pollutants in all periods

4 結(jié) 論

4.1 利用主成分分析與絕對主成分得分—多元線性回歸分析對遼河水體進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評價及其水體污染源分析，結(jié)果表明水體主要污染物包括高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、BOD5、NH3-N和石油類。豐水期第一主成分對NH3-N、石油類的貢獻(xiàn)率分別為49.09和24.71；平水期第一主成分對高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、BOD5和NH3-N的貢獻(xiàn)率為30.48%、56.16%、26.93%和160.89%；枯水期第一主成分對高錳酸鹽指數(shù)、CODCr、BOD5、NH3-N和石油類的貢獻(xiàn)率分別為100.25%、101.26%、128.36%、93.71%和54.33%。

4.2 豐水期第一主成分的污染物主要來源于農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖等面源污染以及冶金行業(yè)的污廢水排放；平水期第一主成分的污染物主要來源于石化企業(yè)污廢水排放；枯水期第一主成分的污染物則偏向于城市生活污水和工業(yè)廢水的排放以及畜牧業(yè)造成的污染。

4.3 遼河7個監(jiān)測斷面中，馬虎山斷面的水質(zhì)優(yōu)于其他監(jiān)測斷面，雙臺子河閘斷面水質(zhì)最差，遼河水質(zhì)整體上為Ⅳ類或Ⅴ類水質(zhì)，總體上呈現(xiàn)出中游水質(zhì)較好，下游水質(zhì)最差的趨勢。該評價結(jié)果明確指出遼河水體的污染物來源，為遼河水質(zhì)的治理提供了明確的方向。