李 碩

(遼寧省葫蘆島市平山供水有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

水質(zhì)評價(jià)及污染源解析可為流域水環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)信息支持，有利于實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量的精準(zhǔn)、全面、科學(xué)地評價(jià)。目前，我國比較常用的水質(zhì)評價(jià)方法有綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、羅斯和內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)法等，其中應(yīng)用較為成熟且最為廣泛的是綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[1-2]。借鑒相關(guān)文獻(xiàn)，對于污染源解析應(yīng)用較為成熟的是多元統(tǒng)計(jì)分析法[3]。近年來，遼河流域的水環(huán)境問題日益突出，特別是河流城市段污染排放較集中，沿途接納了遼陽、營口、沈陽、鐵嶺、撫順、盤錦、鞍山等城市生產(chǎn)生活污廢水，嚴(yán)重破壞了流域水生態(tài)功能，河流水質(zhì)受到污染[4]。

雖然評價(jià)分析遼河流域水質(zhì)的研究有很多，但大多選用單一的方法探討部分水系狀況，綜合應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)法與水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的還鮮有報(bào)道[5-6]。鑒于此，本文將污染物源解析與遼河流域水質(zhì)評價(jià)相結(jié)合，考慮流域水系特點(diǎn)選擇NH3-N、BOD5、COD等6項(xiàng)典型指標(biāo)，并以判別分析法為輔、以水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法為主，對流域干流水質(zhì)及其主要污染物來源用多元統(tǒng)計(jì)分析法進(jìn)行研究，旨在實(shí)現(xiàn)遼河流域污染物“追根溯源”的目標(biāo)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于2018-2020年環(huán)境質(zhì)量報(bào)告，依據(jù)國家水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采樣及測試。考慮遼河流域水系特點(diǎn)選擇干流省控?cái)嗝?5個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位選取石油類、揮發(fā)酚、CODMn、NH3-N、BOD5、COD等6個(gè)水質(zhì)分析參數(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)共計(jì)450個(gè)。為便于計(jì)算評價(jià)，主要分析數(shù)據(jù)取2018-2020年三年的水質(zhì)參數(shù)算術(shù)平均值。

1.2 研究方法

1)水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法。該方法是綜合考慮單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)分析流域水質(zhì)的一種數(shù)學(xué)方法，其計(jì)算表達(dá)式為：

Iwq=X1·X2X3X4

(1)

(2)

式中：X1代表流域綜合水質(zhì)類別；X2代表X1類水質(zhì)類別內(nèi)綜合水質(zhì)達(dá)到的水平；X3代表未達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)的單因子個(gè)數(shù)；X4代表水功能區(qū)類別的比較結(jié)果，X4代表2位或1位有效數(shù)字；代表單因子i的水質(zhì)指數(shù)。根據(jù)Iwq的整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后第1位(X1·X2)即可判定綜合水質(zhì)級別，其判定依據(jù)如下：劣Ⅴ類不黑臭：6

2)判別分析法。該方法是應(yīng)用測量或觀察到的若干變量值來判別決策樣本狀況的方法，其主要原理是在明確決策樣本變量值和分類特征的情況下，選擇出攜帶更多信息的變量建立判別函數(shù)，并最大程度地減小觀測量所屬類別判定時(shí)的錯(cuò)判率。

3)多元統(tǒng)計(jì)法。該方法是依據(jù)觀測信息之間的相互關(guān)系來生成反映排放源因子或源成分譜，如FA因子、PCA主成分等。一般地，監(jiān)測的污染源滿足解析條件時(shí)都可以用于污染物來源解析，其中Exner方程、被分析因子的方差累計(jì)貢獻(xiàn)和特征值決定了解析結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要求被分析因子的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率接近100%、特征值大于1以及包含的因子數(shù)量較多，選取貢獻(xiàn)率超過85%的因子組合即可滿足解析要求。本文選用SPSS 12.0、Origin 8.0和Excel2010等分析工具，利用FA因子分析法完成流域水質(zhì)污染源解析。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域水質(zhì)現(xiàn)狀

(1) 水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。各點(diǎn)位綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)利用文中相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖1?？紤]綜合水質(zhì)級別判斷依據(jù)確定25個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)情況，具體如下：Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類水質(zhì)點(diǎn)位依次有1個(gè)、1個(gè)、2個(gè)、9個(gè)、10個(gè)、2個(gè)，占整個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位比例依次為4%、4%、8%、36%、40%、8%。根據(jù)水功能區(qū)目標(biāo)確定達(dá)標(biāo)點(diǎn)位共有18個(gè)，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率達(dá)到72%，表明遼河流域干流水質(zhì)能夠滿足水功能區(qū)目標(biāo)要求。

圖1 各監(jiān)測點(diǎn)位的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

水質(zhì)定性分析。根據(jù)水功能區(qū)類別定性評價(jià)水體污染或清潔程度，可以劃分成重度污染、中度污染、輕度污染、優(yōu)良4級?？紤]綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)、水功能區(qū)目標(biāo)以及遼河流域水系特點(diǎn)，進(jìn)一步對25個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)進(jìn)行分級，分級標(biāo)準(zhǔn)為重度污染：X1·X2>7；中度污染：4

按照綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Iwq進(jìn)一步將25個(gè)點(diǎn)位劃分成4組，即重度污染、中度污染、輕度污染、水質(zhì)優(yōu)良組點(diǎn)位有2個(gè)、19個(gè)、2個(gè)、2個(gè)，占整個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位比例依次為8%、76%、8%、8%。然后應(yīng)用SPSS軟件檢驗(yàn)分析以上分組結(jié)果，如表1。結(jié)果顯示，第1個(gè)判別函數(shù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其顯著概率0.006滿足小于0.05的要求，其它兩個(gè)判別函數(shù)無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其顯著概率均超過0.05。

表1 SPSS檢驗(yàn)分類結(jié)果

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，重度污染組4、中度污染組3、輕度污染組2、優(yōu)良組1的判別正確率依次為100%、79%、100%、100%，判別正確率整體較高，平均值達(dá)到95%，表明依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)分析具有較高的可靠度和可行性。研究表明，參與評價(jià)的25個(gè)點(diǎn)位以中度污染為主，中度污染點(diǎn)位所占比例達(dá)到76%，說明遼河中下游水環(huán)境問題比較突出，相關(guān)管理部門應(yīng)加強(qiáng)水污染治理。

2.2 典型污染源解析

1)正態(tài)分布檢驗(yàn)。對于數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計(jì)分析理論有一定要求，所以有必要對數(shù)據(jù)的正態(tài)分布有效性利用SPSS軟件進(jìn)行探索性分析，如表2。一般地，考慮探索性檢驗(yàn)要求時(shí)符合正態(tài)分布特征的指標(biāo)數(shù)據(jù)顯著概率大于0.05。

表2 正態(tài)分布檢驗(yàn)

結(jié)果顯示，25個(gè)點(diǎn)位的理化指標(biāo)顯著概率均超過0.05且參與分析的數(shù)據(jù)總體符合正態(tài)分布特征。

2)Bartlett’s Sphericity和Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)檢驗(yàn)。通過Bartlett’s Sphericity和Kaiser-Meyer-Olkin檢驗(yàn)驗(yàn)證因子分析的適用性，研究認(rèn)為KMO值大于0.7、0.5～0.7、小于0.5時(shí)適合、比較適合、不適合因子分析。對于相關(guān)性矩陣是否為單位矩陣Bartlett’s Sphericity檢驗(yàn)具有較好適用性，若是單位則不適于因子分析。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)顯著概率小于0.05的Bartlett’s Sphericity和KMO檢驗(yàn)值分別為135.486、0.581，對于因子分析以上數(shù)據(jù)具有較好適用性。

3)主因子命名及總方差解釋?？紤]主成分提取標(biāo)準(zhǔn)，被分析因子的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率應(yīng)趨近100%，特征值不得小于1，前3個(gè)主成分提取結(jié)果如表3。第一主成分體現(xiàn)了56.72%的總方差，其中CODMn、BOD5、COD的因子載荷較高，依次為82.1%、94.5%、94.8%，故將耗氧有機(jī)物命名成第一主成分；第二主成分體現(xiàn)了18.36%的總方差，其中NH3-N的因子載荷較高，達(dá)到89.6%，將富營養(yǎng)化因子命名成第二主成分；第三主成分體現(xiàn)了17.51%的總方差，其中揮發(fā)酚的因子載荷較高，達(dá)到82.6%，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可將有毒有機(jī)物命名成第三主成分。

表3 因子載荷、總方差與旋轉(zhuǎn)載荷矩陣

結(jié)合以上分析結(jié)果，遼河流域典型污染物包括有毒有機(jī)、化肥農(nóng)藥和耗氧有機(jī)污染物，這也是流域中下游主要污染物。

4)污染源及管控措施。遼河流域遼河段的COD、BOD5相對其它指標(biāo)單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)較大，所以該河段的主導(dǎo)污染物為第一主成分。遼河干流段沿途多大中城市，其工業(yè)區(qū)規(guī)模大、城鎮(zhèn)人口密集、畜牧業(yè)和造紙行業(yè)所占比例較大，排放的污廢水中耗氧有機(jī)物含量較高，加之生活與工業(yè)具有較大的需水量，水處理系統(tǒng)面臨著較大的負(fù)荷。因此，在維持供求關(guān)系不變的情況下，解決該河段水污染問題的關(guān)鍵是提高污水處理能力以及減少污染行業(yè)數(shù)量，加快推進(jìn)節(jié)約用水。遼河流域大凌河段和渾河段的NH3-N相對其它單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)較大，所以該河段的主導(dǎo)污染物為第二主成分。該河段冶金、石化和造紙行業(yè)所占比例較大，工業(yè)生產(chǎn)排放的廢污水中含有大量的NH3-N，致使周邊水質(zhì)較差。因此，應(yīng)從加強(qiáng)相關(guān)行業(yè)監(jiān)管和污染物排放控制等角度入手，采取有效措施解決水污染問題。遼河流域太子河段的揮發(fā)酚相對其它單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)較大，所以該河段的主導(dǎo)污染物為第三主成分。該河段建有北臺、本溪等鋼鐵廠，實(shí)際生產(chǎn)過程中排放的廢水含有大量揮發(fā)酚，并使得周邊水體較差。

綜上分析，工業(yè)廢水和城市生活污水中的耗氧有機(jī)物污染、冶金廠、石油廠、造紙廠及煉鋼廠的生產(chǎn)廢水污染為第一、第二、第三主成分的來源，生產(chǎn)監(jiān)測過程中相關(guān)部門要加強(qiáng)管理與控制。

3 結(jié)語

(1)遼河干流的整體水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為72%，參與評價(jià)的點(diǎn)位以中度污染為主，特別是遼河中下游水環(huán)境問題比較突出，相關(guān)管理部門應(yīng)加強(qiáng)水污染治理。耗氧有機(jī)物、富營養(yǎng)化因子和有毒有機(jī)物3種典型污染物對流域污染的貢獻(xiàn)率依次為56.72%、18.36%、17.51%。

(2)煉鋼廠的生產(chǎn)廢水所形成的有毒有機(jī)污染物，石油化工廠、冶金廠、造紙廠排放的富營養(yǎng)化污水以及城市生產(chǎn)生活污水中的耗氧有機(jī)物為遼河流域3種典型污染物的來源，其作用的河段依次為遼河流域太子河段、大遼河段與渾河段、遼河段，應(yīng)考慮不同河段特點(diǎn)采取行之有效的污染物控制措施。