主成分判別分析在社區(qū)管網(wǎng)水污染應(yīng)急溯源的應(yīng)用

孫喜夢，郝春明

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋面也在逐漸增大。無論是對農(nóng)村還是城市，管網(wǎng)都已成為一項關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，任何出現(xiàn)在管網(wǎng)中的污染都可能直接或間接威脅到居民的飲用水安全。近年來由于管網(wǎng)老化、管道材質(zhì)耐腐性較差、鋪設(shè)技術(shù)落后、管道維護(hù)不及時、管道施工安裝措施不當(dāng)?shù)?，?dǎo)致管網(wǎng)滲漏，引發(fā)飲用水污染、水資源浪費(fèi)等問題[1]，同時社區(qū)存在住宅小區(qū)雨污未分流，造成雨水管網(wǎng)水污染，管網(wǎng)水環(huán)境污染頻發(fā)[2]。管網(wǎng)水污染不僅會對自然環(huán)境造成破壞，同時因受污染水體中存在大量病毒、細(xì)菌，易引發(fā)傳染病，甚至出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，還會對居民生活以及身體健康產(chǎn)生危害。根據(jù)調(diào)查顯示，2007年寧夏某礦因社區(qū)輸水管網(wǎng)老化、破損，發(fā)生滲漏，又無城市下水設(shè)施，造成生活飲用水污染[3]；2014年江西省兩所學(xué)校因水管施工，造成管網(wǎng)水受大腸菌群污染，學(xué)生飲用未加熱的冷直飲水引發(fā)菌痢[4]；2017年許昌市某縣某高中發(fā)生一起群體性腹瀉事件，也是由管網(wǎng)水污染導(dǎo)致的[5]。

在發(fā)生突發(fā)性管網(wǎng)水污染事故時，因部分地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備不完善，不能及時明確污染物質(zhì)和污染來源，采取應(yīng)急防控措施，導(dǎo)致污染物擴(kuò)散迅速，對社區(qū)管網(wǎng)水質(zhì)安全危害巨大[6]。因此，進(jìn)行污染源解析快速識別社區(qū)管網(wǎng)中污染物來源，對處理水污染，保護(hù)水質(zhì)安全具有重要作用。

快速識別水環(huán)境污染來源是應(yīng)急處置工作最重要的內(nèi)容之一。為此，本文采集華北科技學(xué)院校園管網(wǎng)總排放口和潛在污染源水樣樣品，模擬水污染事件的發(fā)生，運(yùn)用主成分判別分析方法針對污染物進(jìn)行應(yīng)急溯源，為快速準(zhǔn)確判定社區(qū)管網(wǎng)污染源位置，并應(yīng)急處置提供科學(xué)依據(jù)。

1 樣品采集與測試

1.1 樣品采集

此次研究采樣點設(shè)置在華北科技學(xué)院學(xué)?？偱欧趴诤?個潛在污染源(求是樓、食堂、宿舍樓、家屬樓和浴室)如圖1所示，分別用6、1、2、3、4、5表示。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，求是樓潛在污染物為重金屬、有機(jī)物、微生物等，食堂主要是餐飲廢水，宿舍樓和家屬樓主要是糞便污水以及洗滌、洗浴廢水，浴室為洗浴廢水。采集水樣時打開排水專用監(jiān)測井，用采樣器迎著水流方向采樣，水滿提出水面，潤洗采樣瓶2～3遍后，將水樣裝入采樣瓶中，并及時貼標(biāo)簽標(biāo)記。在食堂采樣時，因水表面含有大量油污，要在水下5～30 cm處采樣。水樣在實驗室冰箱2～5℃冷藏保存。

氨氮測量前根據(jù)污染程度進(jìn)行預(yù)蒸餾處理；SS測前將濾紙及稱量瓶應(yīng)先在103～105℃烘箱中烘干0.5 h，冷卻后稱量至恒重；COD測前需要把加熱器提前預(yù)熱至165℃，便于反應(yīng)徹底；磷酸鹽測定前要對水樣進(jìn)行稀釋5～10倍。

1.2 測試與質(zhì)量保證

氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法，測量儀器為紫外分光光度計，精度為0.01 mg/L；SS的測定采用重量法；COD利用快速測定儀采用密封消解法測量，測定精度≤±5%；磷酸鹽的測定采用鉬酸銨分光光度法，測量精度為0.01 mg/L，實驗儀器與氨氮相同。

為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精密性，每一組實驗均需要有空白實驗消除空白值過高的影響，樣品設(shè)置三組平行樣品，測試結(jié)果為三組平行樣測試值的均值以減少隨機(jī)誤差，標(biāo)準(zhǔn)平均方差在10%之內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)性系數(shù)至少達(dá)到99.9%，加標(biāo)回收率確保在90%～100%，通過抽取20%的樣品設(shè)計為密碼樣品控制精密度。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

2.1 排放水水化學(xué)特征

實驗數(shù)據(jù)來自于華北科技學(xué)院總排放口和5個潛在污染源點的實驗結(jié)果，分析數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 總排放口數(shù)據(jù)描述

表2 各污染源水化學(xué)特征描述統(tǒng)計表

學(xué)?？偱欧趴谒畼又蠧OD、磷酸鹽、氨氮、SS含量分別為524.00 mg/L、4.33 mg/L、10.30 mg/L及4108.47 mg/L，根據(jù)《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB T31962-2015)A級限值，COD和SS超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.05、0.03。

在總排放口和5個潛在污染源點中，COD含量大小為食堂(596.94 mg/L)>總排放口(524.00 mg/L)>宿舍樓(506.33 mg/L)>家屬樓(428.00 mg/L)>浴室(161.88 mg/L)>求是樓(112.03 mg/L)，食堂COD含量最高，超標(biāo)0.19倍，其次為學(xué)?？偱欧趴冢奚針荂OD超標(biāo)0.01倍；磷酸鹽為食堂(12.02 mg/L)>宿舍樓(11.32 mg/L)>家屬樓(6.05 mg/L)>總排放口(4.33 mg/L)>求是樓(1.52 mg/L)>浴室(0.13 mg/L)，食堂和宿舍樓氨氮超過A級限值，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.50和0.42；氨氮大小為總排放口(10.30 mg/L)>食堂(9.87 mg/L)>宿舍樓(9.14 mg/L)>求是樓(4.87 mg/L)>家屬樓(4.64 mg/L)>浴室(3.67 mg/L)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)限值；SS含量總排放口(4108.47 mg/L)>求是樓(895.00 mg/L)>浴室(458.80 mg/L)>食堂(367.00 mg/L)>宿舍樓(153.83 mg/L)>家屬樓(152.33 mg/L)，只有總排放口樣品SS超標(biāo)。根據(jù)總排放口超標(biāo)情況以及其與潛在污染源點的COD、磷酸鹽、氨氮和SS含量比較，推測總排放口潛在污染源主要來自食堂和宿舍樓。

SS超標(biāo)可能原因有兩方面，一是未靜置水樣或靜置時間過短，導(dǎo)致上清液中懸浮物過多，進(jìn)行抽濾后烘干，未完全烘干稱重時未稱至恒重；二是排放超標(biāo)。學(xué)校總排放口COD含量超標(biāo)可能與餐飲廢水排放、含酸性洗滌廢水以及實驗殘渣有關(guān)。

2.2 主成分分析

為了進(jìn)一步分析各排放口監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究各個變量之間的關(guān)系，采用主成分分析法進(jìn)行降維處理，分析學(xué)?？偱欧趴谖廴緛碓碵11-12]。

KMO初始值為0.33<0.5，將原數(shù)據(jù)取log10進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一變量后進(jìn)行因子分析。由表3可知，得到KMO值為0.54>0.5，滿足主成分分析要求。

表3 排放水樣品KMO和Bartlett的檢驗

根據(jù)相關(guān)性分析，如圖2所示，可以看出COD、磷酸鹽和氨氮之間相關(guān)性系數(shù)|r|>0.5，相關(guān)性顯著。由表4可知，提取排放水中元素相關(guān)系數(shù)矩陣中的初始特征值得到累計貢獻(xiàn)率，根據(jù)初始特征值中合計大于1的原則，對排放水中污染源進(jìn)行解析時有2個特征值大于1的公因子，成分1和成分2，累計方差貢獻(xiàn)率為92.08%，表明源解析結(jié)果能夠反映排放水中92.08%的污染源信息。碎石圖(圖3)和累計貢獻(xiàn)率(表4)可知，總排放口水化學(xué)成分可提取,2個主成分信息。

圖2 水質(zhì)影響因素相關(guān)矩陣

圖3 主成分分析碎石圖

表4 排放水污染因子解釋的總方差

根據(jù)主成分分析矩陣(表5)和圖4可知，主成分1的主要貢獻(xiàn)元素為COD、磷酸鹽和氨氮，主成分2主要貢獻(xiàn)因素為SS。成分1中COD、磷酸鹽和氨氮的含量比較多，而氨和磷又是組成有機(jī)物所必須的物質(zhì)，故可知主成分1代表化學(xué)性污染，由有機(jī)物污染物的排放所導(dǎo)致的，比如洗衣排水、洗漱排水等生活廢水及食堂排水等[13]；成分2主要代表物理性污染，結(jié)合表1，出總排放口外，求是樓、食堂以及浴室都存在較高含量SS，可能是實驗殘渣或生活殘渣所導(dǎo)致，與水的背景值以及實驗過程中攪拌混勻有關(guān)。成分1的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到63.67%，說明有機(jī)物排放是污染源的主要因素；其次為成分2，其占比達(dá)到28.41%，說明導(dǎo)致污染嚴(yán)重的第二個因素為生活或?qū)嶒灥臍堅?/p>

表5 排放水成分矩陣

圖4 主成分結(jié)果圖

聚類分析就是通過一系列相繼的合并來進(jìn)行的，開始將樣品數(shù)據(jù)各自作為一類，將距離最近的兩類合并成為一個新類，計算新類與其他類之間的距離，并進(jìn)行此過程，最后將其合并成一類[14-15]。通過聚類分析，我們可以探究這4種排放物之間的關(guān)系。我們將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，采用組間連接，利用Origin軟件得出聚類譜系圖，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)聚類譜系圖

根據(jù)圖5可以看出，聚類分析將總排放口水中監(jiān)測元素分為2類，每類代表一種污染源：第一類為磷酸鹽、氨氮、COD；第二類為SS，其中第一類為化學(xué)性指標(biāo)，第二類為物理性指標(biāo)，與主成分分析結(jié)果一致。

2.3 外排污水來源判別

通過判別分析將通過實驗得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類利用，將總排放口作為目標(biāo)，其余5個污染源作為變量，判別其存在的關(guān)系，利用最大概率法得出總排放口的污染物質(zhì)主要來自哪個污染源。得出數(shù)據(jù)見表6。

求是樓、食堂、宿舍樓、家屬樓、浴室五個類別，分別用Y1、Y2、Y3、Y4、Y5表示，COD、磷酸鹽、氨氮、SS分別用X1、X2、X3、X4表示，對應(yīng)系數(shù)分別為a、b、c、d。用根據(jù)表6我們可以得出判別方程式：

表6 分類函數(shù)系數(shù)

Yi=aiX1+biX2+ciX3+diX4

(1)

在將總排放口中a=524，b=4.33，c=10.30，d=4108.47 分別代入Y1—Y5中，得：Y1=4218616.97，Y2=-6857026.28，Y3=-8333134.06，Y4=-3438472.34，Y5=872379.22。由此可以看出Y1>Y5>Y4>Y2>Y3，即總排放口的污染物主要來自求是樓其次是浴室，此分析結(jié)果相對準(zhǔn)確度低與實際情況存在差異，可能造成原因為總排放口的SS數(shù)值測量存在一定偏差，固將SS測定數(shù)據(jù)舍去，再次進(jìn)行判別分析，得到數(shù)據(jù)見表7。

表7 分類函數(shù)系數(shù)

同上理，得出判別方程式：

Yi=aiX1+biX2+ciX3

(2)

分別計算得：Y1=1464401.08，Y2=2964569.66，Y3=2744766.07，Y4=1394669.79，Y5=1105882.51。其中Y2>Y3>Y1>Y4>Y5，根據(jù)最大概率法選擇Y最大值作為主要污染源。因此，總排放口的污染物質(zhì)主要來自食堂，其次分別為宿舍樓、求是樓、家屬樓、浴室，與前面推論相符。

3 結(jié)論

(1) 主成分判別分析方法用于社區(qū)管網(wǎng)水污染事件進(jìn)行應(yīng)急溯源是可行的。

(2) 學(xué)校總排放口水樣中COD、磷酸鹽、氨氮、SS含量分別為524.00 mg/L、4.33 mg/L、10.30 mg/L、4108.47 mg/L。COD和SS含量超過《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB T31962-2015)A級限值，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.05、0.03。

(3) 主成分分析和聚類分析結(jié)果表明，學(xué)?？偱欧趴谒廴局饕袃蓚€來源，其一為有機(jī)物污染物的排放來源；其二為生活或?qū)嶒灥臍堅鼇碓?；各?3.67%和28.41%。

(4) 判別結(jié)果表明總排放口污染物質(zhì)主要來自食堂，食堂污水含有大量的食物纖維、蛋白質(zhì)及油脂等，COD等有機(jī)物污染源主要為原材料清洗、淘米、餐具清洗、地板清洗等產(chǎn)生的餐飲廢水；SS主要來自食堂產(chǎn)生的食物殘渣。