張鴻齡，孫麗娜，趙國蘋

（1.沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境與生態(tài)修復教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110044；2.沈陽市環(huán)境保護局 東陵分局，遼寧 沈陽 110015）

隨著社會和經濟的快速發(fā)展，由于人類活動的影響而進入到河流水體環(huán)境中的污染物越來越多，造成水環(huán)境的污染.重金屬在水體中具有很高的穩(wěn)定性和難降解性，可以在水體沉積物中不斷積聚，當累積到一定的程度就會對水體生物系統(tǒng)產生嚴重危害，并可通過食物鏈直接或間接地影響人類身體健康，因此，水體重金屬污染已經成為世界上較嚴重的環(huán)境問題之一［1］.

渾河發(fā)源于遼寧省東部撫順市清原縣的滾馬嶺，屬高度受控河流，干流上游建有大伙房水庫，是下游撫順、沈陽、鞍山等7個城市的飲用水源地.另外，渾河還是重要的地下水補給水源，沈陽段沿岸分布著作為飲用水源的地下水取水井，其取水量占沈陽市取水總量的70%［2］.因此，渾河水質狀況直接影響著周邊地區(qū)人群的身體健康.然而，由于近年來工礦企業(yè)不達標污水的直接排放，農業(yè)生產過程中的農藥、化肥大量施用，生活污水及生活垃圾的不定點排放等不合理資源開發(fā)利用活動，致使渾河流域水質遭受不同程度的污染［3］.本文采用主成分分析法對渾河水體中重金屬分布及來源進行研究，不但可以明確渾河水體重金屬的污染程度、主要污染物類別，并可對各控制斷面的綜合污染程度進行排序，或對同一斷面中不同污染物的污染程度進行排序，以找出優(yōu)先控制斷面或優(yōu)先控制指標［4］，這對于開展渾河流域水體的污染防治及改善河流水質具有重要的理論指導意義.

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數據來源

渾河發(fā)源于撫順市清原滿族自治縣灣甸子鎮(zhèn)滾馬嶺，流經清原、新賓、撫順、沈陽、遼中、海城、臺安等市縣，在三岔河與太子河匯合入大遼河，流域面積1.22×104km2，干流全長415.4km.流域內山丘占67%，平原占33%，處于大陸性季風氣候條件下，年均氣溫和多年平均降水量分別為9℃和686.4mm.大伙房水庫位于渾河上游，目前是撫順和沈陽市區(qū)供水的重要來源.在非農業(yè)灌溉季節(jié)，上游的大伙房水庫停止放水，河道水量較小，基本上屬于撫順市和沈陽市廢水的排放河道［5］.

采樣點沿渾河流域布控，從渾河上游清原上開始，共設置14個監(jiān)測斷面（9個干流斷面和5個主要支流斷面），如圖1所示.具體采樣時間、樣品分析方法、重金屬含量等詳見張鴻齡等［5］的研究結果.

圖1 渾河水系采樣點位置示意圖Fig.1 Study area and sampling locations in the Hunhe River

1.2 研究方法

主成分分析法（Principal Components Analysis）是一種通過降維技術把多個變量化為少數幾個主成分的多元統(tǒng)計分析方法，能夠在最大限度地保留原始數據信息的基礎上，對高維變量進行綜合和簡化，并且能夠客觀地確定各指標的權重，避免主觀隨意性，較其他方法有一定的優(yōu)越性，是環(huán)境質量綜合評價的一種簡單有效的方法［6］.在數學變換中保持變量的總方差不變，使第一個變量具有最大方差，稱為第一主成分，第二個變量的方差次之，并和第一個變量不相關，稱為第二主成分，以此類推，最后一個主成分方差最小，且與此前的主成分均不相關［7］.

假定有n個待評水體樣本，每個樣本共有p個指標變量，則構成了一個n×p階的水質數據矩陣：

原變量為 X1，X2，X3，…，Xp，設定它們降維處理后的綜合指標（即新指標）為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)m（m≤p），則

式中，F(xiàn)i與Fj（i≠j；i，j＝1，2…，m）線性無關；F1是上述X1，X2，…，Xm的一切線性組合中方差最大者，以此類推，F(xiàn)m是方差最小者.這樣得出的新指標變量F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)m分別稱為原始變量的第1、第2、第m 主成分（F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m）［8-9］.

在水體環(huán)境中，影響水環(huán)境質量變化的因素多種多樣，其中有些是主要因素，有些是次要因素，這些因素往往來自同一個總體.根據主成分分析法原理，可以將原始因素或變量線性組合為若干個彼此獨立的、且包含原始因素信息的新的綜合因素或變量，從而對原始的變量因素進行提取和簡化，實現(xiàn)對水樣數據的可比性分析.

2 結果與分析

2.1 相關系數矩陣的特征值與特征向量以及貢獻率和累積貢獻率

以渾河每個水質監(jiān)測斷面的監(jiān)測值作為一個樣品，自渾河的源頭滾馬嶺到于家房共設置14個監(jiān)測斷面，結合遼寧地區(qū)地表水環(huán)境質量特點，選取Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As和Cr 7種重金屬作為監(jiān)測指標.運用SPSS軟件求出14個監(jiān)測斷面7種重金屬質量濃度間的Pearson相關系數矩陣（見表1），再以水體中的重金屬質量濃度為變量進行方差極大正交旋轉后得出主成分分析計算結果，根據特征方差累計貢獻率確定選取主成分的個數（見表2）.由表2可知，第一、二、三前三個因子的特征值分別為2.365、1.640和1.327，均大于1，方差貢獻率分別為33.780%，23.431%和18.951%，累計方差貢獻率為76.162%.因此，可以認為這3個主因子反映了原始數據的基本信息.

表1 相關系數矩陣Table 1 Matrix of the correlation coefficients

表2 特征值和主成分貢獻率及累積貢獻率Table 2 The eigenvalues，contribution tates and accumulated contribution rates of heavy metals

2.2 主成分載荷

從主成分載荷大小來看，與第一主成分密切相關的是Cu和Cd，它們與第一主成分的相關系數絕對值都超過了0.90（見表3），說明第一主成分主要反映了Cu和Cd的污染信息.而且由表1可知，Cu和Cd相關系數達到了0.725，表明第一主成分同時支配著水體中重金屬Cu、Cd的來源.表2可知，第二主成分F2因子的方差貢獻率為23.431%，該因子變量在As和Hg上有較高的正載荷（見表3），As和Hg的相關性為0.443（見表1）.與第三主成分相關的是重金屬Pb，它與第三主成分的相關系數絕對值超過了0.70，且呈正相關.

表3 主成分載荷值Table 3 Loading values of the principal components

從表2方差貢獻率可以看出，第一主成分方差貢獻率為33.780%，第二主成分方差貢獻率為23.431%，遠遠高于其他成分的貢獻率.因此，渾河水體中重金屬污染主要受第一主成分Cu和Cd控制，其次是As和Hg.

2.3 水質綜合評價結果

根據主成分1、主成分2和主成分3特征值大小做加權和，求得各斷面重金屬元素的綜合得分（見表4），依據綜合得分大小進行了重金屬污染程度的斷面排序，得分越大，表明水體重金屬污染程度越嚴重［10-11］，由此對渾河斷面的污染程度進行分級.

由各監(jiān)測斷面的因子得分結果發(fā)現(xiàn)，因子F1在北雜木、七間房和七臺子得分較高.Cu和Cd污染物主要來源于采礦、電鍍等排放的廢水［12］，由于撫順紅透山銅礦位于清原縣，采礦廢水及尾礦壩廢水排入渾河清原段，因此位于渾河上游的北雜木河段水體可能受礦山廢水影響較大.七間房是撫順市的出市斷面，接納了上游及撫順市區(qū)的各類污水，因此該處的水體污染較嚴重.因子F2反映了23.43%的變異，主要反映了As和Hg的污染信息.由表4可以看出章黨河口、阿及堡和清原上F2因子得分較高，特別是章黨河口.根據采樣時對周邊環(huán)境的調查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段主要以農田種植為主，水體受到農藥、化肥的影響較大，而且撫順縣化肥廠的總排口也設置在章黨河，因此判斷該河段汞和砷的污染可能主要來源于化肥廠排污及農田的化肥和農藥徑流.因子F3反映了Pb的污染信息，對照因子得分結果清原上、阿及堡、東洲河口和東陵大橋有較高的F3因子得分.

根據各因子的特征值大小做加權和，求得各斷面重金屬元素的綜合得分，從表4可以發(fā)現(xiàn)14個監(jiān)測斷面重金屬污染綜合排序表現(xiàn)為：七間房＞章黨河口＞東洲河口＞北雜木＞于家房＞戈布橋＞東陵大橋＞砂山＞于臺＞清原上＞七臺子＞出庫口＞古樓＞阿及堡.七間房作為撫順市的出市斷面，其重金屬污染最嚴重，其次為章黨河口與東洲河口，而出庫口、古樓和阿及堡重金屬污染最輕.

從該污染排序來看，渾河流域撫順區(qū)段水體的重金屬污染大于沈陽區(qū)段，特別是七間房斷面.而渾河上游河段重金屬污染較輕.

表4 渾河各監(jiān)測斷面重金屬污染綜合得分及排名Table 4 Integrated evaluation results of water quality at all the monitoring sections

3 結 論

通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，3個主成分反映了渾河水體中重金屬的分布情況，它們的貢獻率分別為33.780%、23.431%和18.951%.第一主成分主要反映了Cu和Cd的污染信息，第二主成分主要反映了As和Hg的污染信息，Pb主要受第三主成分支配.

通過因子得分分析進一步發(fā)現(xiàn)了因子F1在北雜木、七間房和七臺子得分較高，表明渾河水體中Cu和Cd主要來自于采礦廢水、尾礦壩廢水和工業(yè)廢水；因子F2在章黨河口、阿及堡和清原上斷面的得分較高，表明As和Hg的污染源主要來自農藥和化肥，是化肥廠排污及農田施加化肥和農藥造成的結果.

14個監(jiān)測斷面重金屬污染綜合排序表現(xiàn)為：七間房＞章黨河口＞東洲河口＞北雜木＞于家房＞戈布橋＞東陵大橋＞砂山＞于臺＞清原上＞七臺子＞出庫口＞古樓＞阿及堡.七間房作為撫順市的出市斷面，接納了撫順市和上游的各類生活污水和工業(yè)廢水，重金屬污染最嚴重.章黨和東洲河口次之，而上游的出庫口、古樓和阿及堡斷面重金屬污染最輕.總體上來看，渾河流域撫順區(qū)段水體的重金屬污染要大于沈陽區(qū)段.

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