基于多元回歸方程在太子河流域污染源識別及貢獻率分析中的應用

邵 薇

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

太子河屬于渾河的重要支流，其主要流經(jīng)遼寧中東部的遼陽、本溪、鞍山等城市[1]。太子河上游位于東部山區(qū)，植被覆蓋較多，水質(zhì)狀況相對較好，而中下游主要流經(jīng)城市段，工業(yè)污染和居民生活污水排放影響較大，水質(zhì)狀況明顯劣于上游地區(qū)[2]。太子河流域作為流經(jīng)城市的社會經(jīng)濟命脈，其水環(huán)境保護對于區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。近些年來，對太子河流域水環(huán)境特征研究取得一定成果[4- 15]，但是這些研究大都針對單個或多個水質(zhì)監(jiān)測斷面且分析的數(shù)據(jù)系列較短，對于整個太子河流域沿程水質(zhì)特征分析還較少。為此本文根據(jù)太子河流域8個國控水質(zhì)監(jiān)測斷面2000—2019年5類水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對流域水質(zhì)時空變化趨勢進行分析并對污染控制措施進行探討，研究成果對于太子河流域整體水環(huán)境保護規(guī)劃具有重要的支撐作用。

1 研究方法

從太子河流域國家級省級水質(zhì)監(jiān)測斷面選取等小姐廟、小河口、唐馬寨、小林子、遼陽、二焦、本溪、老官砬子8個斷面，根據(jù)各水質(zhì)監(jiān)測斷面2000—2019年連續(xù)水質(zhì)采樣監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取具有代表特征的氨氮、高錳酸鉀指數(shù)、化學需氧量、生化需氧量等5種水質(zhì)監(jiān)測指標用于太子河流域水質(zhì)演變特征分析。水質(zhì)影響因子主要采用主成分分析方法確定污染源，采用多元回歸方程結(jié)合各因子主成分值計算相應的污染因子貢獻率，從而對主要影響因子進行指標量化。以GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》對太子河流域選取的8個水質(zhì)監(jiān)測斷面進行水質(zhì)評價，對每個水質(zhì)指標分別進行評價后再對水質(zhì)達標率進行分析，按照單一指標評價結(jié)果選取最差值作為水質(zhì)整體評價結(jié)果。水質(zhì)變化趨勢主要采用M-K非線性顯著檢驗方法對各水質(zhì)指標變化特征進行顯著變化特征的分析。該方法將水質(zhì)監(jiān)測指標序列作為樣本序列對其統(tǒng)計變量S進行計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—水質(zhì)指標樣本序列顯著性檢驗統(tǒng)計變量；xi和xj—來自同一個樣本總體的2個樣本數(shù)據(jù)系列；σs—方差標準計算值；sign—計算變量；n—總的樣本序數(shù)；Z—檢驗特征變量。

Z>0則表示水質(zhì)指標呈現(xiàn)遞增變化趨勢，否則呈現(xiàn)遞減變化趨勢；|Z|>2.32、1.64<|Z|<2.32、1.28<|Z|<1.64則分別表示變化趨勢的顯著性可分別達到99%、95%以及90%的置信水平。

2 水質(zhì)時間特征分析

2.1 水質(zhì)斷面達標率分析

以GB 3838—2002對太子河流域選取的8個水質(zhì)監(jiān)測斷面進行水質(zhì)評價，對每個水質(zhì)指標分別進行評價后再對水質(zhì)達標率進行分析，按照單一指標評價結(jié)果選取最差值作為水質(zhì)整體評價結(jié)果對其水質(zhì)達標率進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。

表1 太子河流域水質(zhì)年達標率統(tǒng)計分析結(jié)果

對每個水質(zhì)指標達標率分別進行分析，再按照單一指標評價結(jié)果選取最差值作為其水質(zhì)整體評價結(jié)果對其水質(zhì)達標率進行統(tǒng)計分析，由太子河流域水質(zhì)年達標率統(tǒng)計分析結(jié)果可看出，2000—2010年，太子河流域水質(zhì)斷面達到Ⅲ類水質(zhì)以上的斷面大都為1個，部分年份無達標斷面，水質(zhì)達標率較低；從2011年開始，通過太子河流域水環(huán)境綜合治理工程的實施，流域水環(huán)境得到不同程度的改善，水質(zhì)達標率也逐年升高，從2011年8個水質(zhì)斷面中水質(zhì)達標斷面的2個，遞增到2019年的5個，流域水環(huán)境得到較大程度的改善。

2.2 水質(zhì)斷面各指標變化趨勢分析

基于選取的太子河流域8個水質(zhì)監(jiān)測斷面的氨氮、生化需要量、化學需氧量、高錳酸鉀指數(shù)、揮發(fā)酚等水質(zhì)指標數(shù)據(jù)，結(jié)合M-K非線性顯著檢驗方法對各斷面水質(zhì)濃度變化趨勢進行檢驗和分析，變化趨勢分析結(jié)果見表2—6。

表2 太子河流域主要水質(zhì)監(jiān)測斷面氨氮濃度變化趨勢

表3 太子河流域主要水質(zhì)監(jiān)測斷面生化需氧量濃度變化趨勢

表4 太子河流域主要水質(zhì)監(jiān)測斷面化學需氧量濃度變化趨勢

表5 太子河流域主要水質(zhì)監(jiān)測斷面高錳酸鉀指數(shù)濃度變化趨勢

表6 太子河流域主要水質(zhì)監(jiān)測斷面揮發(fā)酚變化趨勢

從太子河流域8個國控水質(zhì)斷面主要5類水質(zhì)指標的變化趨勢可看出，小姐廟、小河口2個水質(zhì)斷面各類水質(zhì)指標均為顯著遞減，均達到90%以上的顯著性檢驗水平，各類水質(zhì)指標濃度遞減率均較高。唐馬寨斷面除了化學需氧量和高錳酸鉀指數(shù)呈現(xiàn)顯著遞增變化趨勢外，其他指標均無顯著變化，其顯著遞增的主因在于工業(yè)污染影響。小林子斷面除高錳酸鉀指數(shù)無顯著變化外，其他水質(zhì)均呈現(xiàn)顯著遞增或遞減變化，其中化學需氧量以及揮發(fā)酚呈現(xiàn)顯著遞增變化，其主要也因為工業(yè)污染影響，小林子斷面氨氮呈現(xiàn)顯著遞減變化，表明居民生活污染影響程度有所減弱。遼陽斷面生化需氧量呈現(xiàn)顯著遞減，揮發(fā)酚顯著遞減，其他指標均無顯著變化，主要受居民生活污染影響所致。二焦斷面除氨氮顯著遞增以及揮發(fā)酚無顯著變化外，其他指標均呈現(xiàn)顯著遞減變化趨勢，氨氮顯著遞增主要受居民生活污染影響，化學需氧量、生化需氧量、高錳酸鉀指數(shù)顯著遞減率均高于15%，其中高錳酸鉀指數(shù)遞減率高于80%。本溪站氨氮和生化需氧量受城市居民生活污染影響呈現(xiàn)顯著遞增變化，其他指標無顯著變化。老官砬子斷面位于太子河上游，水質(zhì)指標均無顯著變化。

2.3 太子河流域水質(zhì)空間變化特征

結(jié)合選取的太子河流域8個水質(zhì)監(jiān)測斷面各水質(zhì)指標濃度多年平均值，對流域水質(zhì)沿程變化特征進行分析，各斷面水質(zhì)濃度多年平均值見表7。

由太子河流域主要水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)多年平均濃度可看出，流域各水質(zhì)斷面從上游到下游呈現(xiàn)一定程度的沿程遞減變化，遼陽站和本溪站作為城市水質(zhì)斷面其各水質(zhì)指標濃度較高，主要受城市工業(yè)和居民生活污染影響，而老官砬子作為太子河上游斷面，上游主要為植被，農(nóng)業(yè)面源污染相對較少，因此其水質(zhì)濃度相對較低。

3 主要污染源解析

3.1 污染源識別

結(jié)合太子河流域8個水質(zhì)監(jiān)測斷面的8個水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測指標，對太子河流域的主要污染源進行識別，各水質(zhì)變量間的相關度主要采用KOM和Bartlett球形進行檢驗，結(jié)果見表8。

主成分分析KOM取樣中適切量值高于0.7，相關度檢驗水平P低于0.05滿足置信度要求，8個水質(zhì)變量之間具有較好的相關度，主成分分析的數(shù)據(jù)總體具有較好的正態(tài)分布，主成分分析結(jié)果有效。

表7 太子河流域主要水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)多年平均濃度 單位：mg/L

表8 太子河流域各水質(zhì)指標主成分分析結(jié)果

太子河流域各水質(zhì)指標主成分分析結(jié)果表明，3個主成分的累積貢獻率為70.80%，在主成分1中具有較強正載荷的為氨氮和化學需氧量，主成分1方差貢獻率為41.53%，太子河主要流經(jīng)遼陽、本溪以及鞍山3市，城鎮(zhèn)居民生活污水的排放使得河流水體中不斷累積有機物，水體富營養(yǎng)化程度有所增加，因此城鎮(zhèn)污水排放是第一個主成分因子，氣象因子為第二個主成分因子，氣候條件影響程度較高的為pH，pH值的方差貢獻率達到12.75%，因此認定第二個主成分因子為氣象因子。揮發(fā)酚主要為工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的水污染因子，其方差貢獻率為16.52%。

3.2 污染貢獻率分析

在各主成分分析的基礎上，采用絕對主成分建立多元回歸方程對各主成分污染貢獻率進行分析，結(jié)果見表9。

表9 太子河流域主要污染指標貢獻率分析結(jié)果

從太子河流域主要污染指標貢獻率分析結(jié)果，氨氮以及化學需氧量在第一主成分的貢獻率分別75.20%、82.65%，pH值在第二主成分的貢獻率為81.52%，揮發(fā)酚在第三主成分的貢獻率為83.60%。

4 污染控制措施

在對太子河流域主要水質(zhì)控制斷面水質(zhì)變化趨勢分析的基礎上，本文提出以下污染控制措施，具體為：

(1)加大控制點源污染排放力度。調(diào)整流域內(nèi)高污染消耗的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，嚴格控制點源污染排放的污染總量，對于收益較低，排放污染消耗較大的企業(yè)要嚴格把控，制定獎罰措施，將農(nóng)業(yè)灌溉方式進行轉(zhuǎn)變，強化流域水環(huán)境保護，加快區(qū)域節(jié)水及水資源優(yōu)化調(diào)控，改善太子河上游及干流水庫水土環(huán)境，加強區(qū)域水源優(yōu)化保護力度。

(2)提升區(qū)域水質(zhì)自動監(jiān)測能力。改進和優(yōu)化太子河流域水質(zhì)監(jiān)測能力，優(yōu)化水質(zhì)自動監(jiān)測站點，建立水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，從多個角度采樣現(xiàn)代化監(jiān)測體系去完善水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性以及時效性，提升太子河流域水環(huán)境監(jiān)控能力。

(3)調(diào)整區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局。通過調(diào)整流域內(nèi)化工企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快工業(yè)環(huán)保措施優(yōu)化調(diào)整，降低企業(yè)污染負荷排放，提倡耗水量較大的企業(yè)加大新技術的使用，提升用水效率。推進農(nóng)業(yè)種植方式的調(diào)整，提高灌溉能力，推進生態(tài)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

(4)持續(xù)加強生態(tài)保護力度。通過加大對生態(tài)工程的規(guī)劃和建設力度，降低區(qū)域農(nóng)業(yè)額、工業(yè)污染負荷，采取有效方式加大對太子河流域內(nèi)水源地的保護力度，以科學精準的農(nóng)業(yè)面源、工業(yè)及居民生活點源污染排放的管理方式，加大對生態(tài)環(huán)境保護工程的推廣。

5 結(jié)語

(1)太子河流域主要污染因子為氨氮和化學需氧量，其主要來源居民生活點源排放，尤其是遼陽和本溪城市段，其氨氮和化學需氧量偏高，建議加大對流域氨氮和化學需氧量兩類水質(zhì)指標的控制力度，可加大河段內(nèi)枯季水量并加大對如和污染物排放量的控制。

(2)建議調(diào)整流域內(nèi)化工企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快工業(yè)環(huán)保措施優(yōu)化調(diào)整，降低企業(yè)污染負荷排放，提倡耗水量較大的企業(yè)加大新技術的使用，提升用水效率。推進農(nóng)業(yè)種植方式的調(diào)整，提高灌溉能力，推進流域生態(tài)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

(3)本文主要從太子河流域各水質(zhì)指標年變化趨勢進行分析，存在不足，在后期研究中還應考慮汛期和非汛期水量變化下太子河流域水質(zhì)變化趨勢，從而對制定不同來水條件下的太子河水環(huán)境保護措施提供對策。