基于水質(zhì)分布特征和受體模型的河流水污染源解析研究

＊徐燕 唐周

（1.上海市浦東新區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 上海 200135 2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200001）

隨著城市化進(jìn)程的加快，河流水體污染日益嚴(yán)重，環(huán)境問(wèn)題層出不窮。污染物的排放使河流水體超過(guò)其自?xún)裟芰?，造成城市生態(tài)水環(huán)境的嚴(yán)重破壞[1]。一般來(lái)說(shuō)，河流水體的污染類(lèi)型主要可劃分為[2]：點(diǎn)源污染（如生活污水或工業(yè)廢水排放）、面源污染（如農(nóng)業(yè)化肥的施用）和自然來(lái)源（土壤和巖石風(fēng)化）。

后海灣位于中國(guó)香港新界西北部與深圳市南山區(qū)的東部對(duì)開(kāi)海域，是極具生態(tài)及旅游價(jià)值的濕地，近海水質(zhì)主要受點(diǎn)源污染和農(nóng)業(yè)面源污染影響[3]，且伴隨著深圳河的污染物輸入[4]。新界西北部河流作為深圳河的重要支流，直接或間接匯入后海灣。研究這些河溪的污染狀況、時(shí)空分布特征及污染來(lái)源，可有效為流域水質(zhì)管理提供有效決策支持。

1.研究區(qū)域和方法

（1）研究區(qū)域概況。新界是中國(guó)香港三大地理分區(qū)之一，區(qū)域內(nèi)丘陵起伏且河流交錯(cuò)縱橫。本研究選擇后海灣水質(zhì)管制區(qū)共13條河溪，其中梧桐河（IN）、雙魚(yú)河（RB）和平原河（GR）位于北區(qū)，元朗河（RB）、錦田河（KT）、天水圍明渠（TSR）及錦繡花園明渠（FVR）位于元朗區(qū)，其余6條小溪（DB）則位于流浮山一帶。

（2）數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理。本研究原始數(shù)據(jù)來(lái)源于香港環(huán)保署數(shù)據(jù)開(kāi)放共享平臺(tái)，共選取近15年（2005-2019年）各河溪24個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的12個(gè)水質(zhì)參數(shù)（分別為COD、NH3-N、NO3-N、Fe、DO、Chla、BOD、Cu、TP、E.coli、SS和TOC）。對(duì)于部分點(diǎn)位的水質(zhì)參數(shù)小于檢出限以檢出限代替[6]。個(gè)別數(shù)據(jù)缺失時(shí)，取同一檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的所有其他點(diǎn)位單個(gè)水質(zhì)濃度平均值代替。

（3）水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。單因子水質(zhì)指數(shù)[5]Pi由一個(gè)整數(shù)、小數(shù)點(diǎn)后一位有效數(shù)字組成，可表示為：Pi=X1X2，式中，X1和X2分別代表第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類(lèi)別和第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)在該類(lèi)水質(zhì)變化區(qū)間中的位置。

（4）聚類(lèi)分析。聚類(lèi)分析（CA）以研究變量間的相似性程度為依據(jù)，將數(shù)據(jù)劃分為若干個(gè)類(lèi)別，作為一種探索性分析方法，不同聚類(lèi)方法所得到的結(jié)果不盡相同，較為常用的為層次聚類(lèi)分析（HCA）[6]。本研究采用歐氏距離（Euclidean Distance）來(lái)計(jì)算樣點(diǎn)間相似性，并通過(guò)Ward's method來(lái)度量不同集群間的距離，該方法確保每個(gè)分析步驟中所形成的不同集群間平方和盡可能小[7-8]。

（5）主成分/因子分析。主成分/因子分析（PCA/FA）是一種用于降低數(shù)據(jù)集的維度而不會(huì)丟失大部分原始數(shù)據(jù)信息的方法。通過(guò)將相關(guān)矩陣對(duì)角化，將原始變量轉(zhuǎn)化為不相關(guān)的正交變量，且新變量為原始變量的線性組合，被稱(chēng)之為主成分（PCs）[9]。為了極化因子載荷，常采用FA分析，即通過(guò)旋轉(zhuǎn)由PCA定義的軸來(lái)產(chǎn)生一組新變量，稱(chēng)為公因子（VFs）。本研究利用最大方差法（Varimax）旋轉(zhuǎn)PCs，保留特征值大于1的VFs作為主因子。

（6）絕對(duì)因子得分-多元線性回歸模型（APCS-MLR）。受體模型APCS-MLR包括兩個(gè)步驟，分別為絕對(duì)因子得分（APCS）計(jì)算和多元線性回歸（MLR）。在水污染物溯源解析領(lǐng)域的基本假設(shè)為所有可能存在的污染源對(duì)某個(gè)點(diǎn)位不同水質(zhì)參數(shù)的貢獻(xiàn)線性相關(guān)。PCA/FA分析后，需經(jīng)APCS轉(zhuǎn)換為絕對(duì)因子得分，而后經(jīng)MLR得到各水質(zhì)參數(shù)對(duì)于不同污染源的相關(guān)系數(shù)從而計(jì)算濃度。

2.結(jié)果與討論

(1)水質(zhì)評(píng)價(jià)

單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)。以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）VI類(lèi)為目標(biāo)水質(zhì)，選擇BOD、COD、NH3-N、DO和TP年平均值進(jìn)行水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果以水質(zhì)指數(shù)表示，并通過(guò)圖1（Heat map）進(jìn)行水質(zhì)類(lèi)別可視化。

圖1 單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)

有機(jī)污染指標(biāo)BOD、COD及DO的單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，錦田河（KT）、元朗河（YL）、和錦繡花園明渠（FVR）水質(zhì)極差，且部分點(diǎn)位隨年份變化水質(zhì)無(wú)明顯好轉(zhuǎn)，基本均處于劣V類(lèi)。營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)NH3-N和TP的單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，錦田河（KT）、元朗河（YL）、平原河（GR）下游（GR1、GR2）和錦繡花園明渠（FVR）水質(zhì)超標(biāo)率均達(dá)到或接近100%。此外，NH3-N的單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示雙魚(yú)河（RB）、梧桐河（IN）和天水圍門(mén)渠（TSR）均自上游至下游水質(zhì)不斷惡化，總體超標(biāo)率分別為46.7%、44.3%和40%。

比較各單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，總體水質(zhì)超標(biāo)率由低到高順序依次為：TP（63.1%）＜NH3-N（50.6%）＜BOD（41.7%）＜DO（30.6%）＜COD（21.4%）。

(2)河流水質(zhì)污染來(lái)源分析

通過(guò)水質(zhì)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)后海灣沿岸河溪（樣點(diǎn)DB1～DB8）水質(zhì)較好且樣點(diǎn)間有較好的相關(guān)性，不宜與其他樣點(diǎn)整體進(jìn)行污染來(lái)源分析，因此本研究選擇其余18個(gè)樣點(diǎn)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行污染源定性和定量分析。

①主成分/因子分析

PCA/FA適合度檢驗(yàn)，KMO值為0.788，Bartlett球形檢驗(yàn)值為17742.433，且顯著性水平P＜0.01，說(shuō)明通過(guò)PCA可以有效降低樣本數(shù)據(jù)集的維度。當(dāng)公因子（VFs）因子載荷絕對(duì)值大于0.75、0.5～0.75和0.3～0.5時(shí)分別表示該因子在對(duì)應(yīng)的VFs上具有強(qiáng)、中和弱載荷[10]。

經(jīng)PCA/FA分析，共提取出4個(gè)公因子，累計(jì)方差解釋率為68.15%，反應(yīng)了大部分原始水質(zhì)參數(shù)信息。公因子VF1解釋了37.73%的總方差，該公因子中強(qiáng)載荷的因子有NH3-N、TP、TOC，中等載荷的有COD。通常水體中的有機(jī)物和氮磷多來(lái)自于未經(jīng)處理的生活污廢水排放及農(nóng)業(yè)面源[11]，因此VF1可表示未經(jīng)處理的生活污廢水及農(nóng)業(yè)面源的影響。公因子VF2解釋了12.26%的總方差，強(qiáng)載荷的因子有E.coli，中等載荷有BOD和NO3-N。水體中外源輸入的E.coli多來(lái)自于動(dòng)物糞便，而動(dòng)物糞便通常易生物降解。管制區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)較多，當(dāng)?shù)卣訌?qiáng)推行教育計(jì)劃，以控制當(dāng)?shù)匦笄蒉r(nóng)場(chǎng)所導(dǎo)致的污染[12]。因此，VF2可表示畜禽廢水的影響。公因子VF3解釋了9.56%的總方差，該公因子中強(qiáng)載荷的有Fe，中載荷的有Cu和SS?；鶐r在風(fēng)化作用的影響下，隨著降雨過(guò)程通過(guò)地表徑流進(jìn)入自然水體，導(dǎo)致水體中的Fe、Cu等金屬離子含量明顯增高[13]，同時(shí)地表徑流還會(huì)將SS帶入水體中。此外，河流底泥的再懸浮也會(huì)使其中的金屬離子和SS釋放到水體中，導(dǎo)致其濃度升高。因此，VF3可表示地表徑流及底泥擾動(dòng)的影響。公因子VF4解釋了8.60%的總方差。強(qiáng)載荷的因子有Chla，中等載荷的有DO。Chla主要與浮游植物有關(guān)，且浮游植物光合作用和增殖過(guò)程中會(huì)分別產(chǎn)生和消耗DO，因此，VF4可代表浮游植物生長(zhǎng)的影響。

②基于APCS-MLR模型的污染源貢獻(xiàn)率解析

本研究采用Haji等[14]提出的將負(fù)貢獻(xiàn)率轉(zhuǎn)化為絕對(duì)值的改進(jìn)方法進(jìn)行計(jì)算。將APCS-MLR模型結(jié)果（表1）與PCA/FA法相結(jié)合，各污染源貢獻(xiàn)率分別為未經(jīng)處理的生活污廢水及農(nóng)業(yè)面源（F1，28.57%）＞浮游植物生長(zhǎng)（F4，16.44%）≈地表徑流及底泥擾動(dòng)（F3，16.27%）＞畜禽廢水（F2，12.25%）。未經(jīng)處理的生活污廢水及農(nóng)業(yè)面源NH3-N和TP貢獻(xiàn)率達(dá)到64.88%和61.30%，且有機(jī)污染指標(biāo)貢獻(xiàn)率也偏高。Chla指標(biāo)在浮游植物生長(zhǎng)的影響中貢獻(xiàn)率達(dá)69.79%，F(xiàn)e及SS指標(biāo)在地表徑流及底泥擾動(dòng)中貢獻(xiàn)率達(dá)51.87%和46.58%，畜禽廢水中E.coli貢獻(xiàn)率占37.87%，說(shuō)明PCA/FA法識(shí)別的污染來(lái)源具有可靠性。

表1 PCA/FA水質(zhì)參數(shù)旋轉(zhuǎn)載荷及APCS-MLR受體模型貢獻(xiàn)率

3.結(jié)論

本研究以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)IV類(lèi)為目標(biāo)水質(zhì)，通過(guò)Heat map進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的可視化，各河流斷面水質(zhì)超標(biāo)率由低到高順序依次為：TP（63.1%）＜NH3-N（50.6%）＜ BOD（41.7%）＜DO（30.6%）＜COD（21.4%），TP及NH3-N污染較為嚴(yán)重，且不同樣點(diǎn)間水質(zhì)差異明顯?；谒|(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，篩選特征樣點(diǎn)通過(guò)PCA/FA法定性分析其污染來(lái)源，并通過(guò)APCS-MLR模型進(jìn)行污染源的定量解析，各污染源貢獻(xiàn)率分別為未經(jīng)處理的生活污廢水及農(nóng)業(yè)面源（F1，28.57%）＞浮游植物生長(zhǎng)（F4，16.44%）≈地表徑流及底泥擾動(dòng)（F3，16.27%）＞畜禽廢水（F2，12.25%）。

致謝

本研究感謝來(lái)自香港環(huán)境保護(hù)署開(kāi)放數(shù)據(jù)平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)支持。