河道水體和底泥中污染物指標(biāo)相關(guān)性研究

唐大維

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

撫順市位于遼寧省東北部，是遼河流域重要城市之一，市內(nèi)河流眾多，渾河、社河等主干河道呈放射狀分布，隨著河流的外污染源得到控制，河流底泥成為上覆水體的主要污染源。因此，建立科學(xué)合理的水質(zhì)評(píng)價(jià)體系，為水環(huán)境保護(hù)與水污染控制提供理論依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在20世紀(jì)開展對(duì)河道底泥的研究工作，并取得了顯著的成果，陳蕾等采用等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究了沙土覆蓋對(duì)底泥總磷釋放的抑制效果；孫映宏以杭州城區(qū)河道水體實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了不同等污染指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系；魏善發(fā)運(yùn)用SPSS軟件研究了金山區(qū)地表水的水質(zhì)變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)斷面超標(biāo)污染物之間存在著高度相關(guān)性。本文以撫順市16條河道為研究對(duì)象，采用因子分析法對(duì)其上覆水及底泥的理化性質(zhì)氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、pH等指標(biāo)之間的潛在相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期為水環(huán)境管理與決策工作提供依據(jù)。

1 河道水體及底泥污染物檢測(cè)方法

1.1 目標(biāo)河道的分布情況

依據(jù)水系分布特征，選取英額河、章黨河、萬泉河、細(xì)河、蒲河、蘇子河、薩爾滸河、社河、東洲河、古城子河、拉古河、白塔堡河、渾河、北沙河、太子河、十里河為研究對(duì)象，對(duì)每條河道水質(zhì)和底泥進(jìn)行定期檢測(cè)，采用因子分析法對(duì)撫順市內(nèi)16條河道的水體和底泥數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 污染物指標(biāo)的檢測(cè)方法

水樣中污染物檢測(cè)：DO—溶氧儀讀取；pH—便攜式pH計(jì)；NH3-N—采用納氏試劑分光光度法；TP—采用鉬銻抗分光光度法；TN—采用紫外分光光度法；COD—采用重鉻酸鉀氧化法．

底泥中污染物檢測(cè)：稱取0.2g土樣于100mL試管中，加入50mL過硫酸鉀溶液，120℃下消解60min，冷卻至室溫后過濾、定容，取樣品溶液進(jìn)行TP、TN檢測(cè)，并將測(cè)定結(jié)果換算成沉積物中的總磷、總氮的含量。稱取20g土樣于500mL錐形瓶，加入2mol/L的氯化鉀溶液100mL，20℃下攪拌45min后過濾。采用納氏試劑分光光度法對(duì)過濾樣品的NH3-N進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定結(jié)果換算成沉積物的氨氮含量。

1.3 因子分析法統(tǒng)計(jì)模型

通過幾個(gè)假想變量來表述基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解釋觀測(cè)變量間的依存關(guān)系，因子模型的表達(dá)式如式1所示，模型的適應(yīng)性根據(jù)KMO值和Bartlett球型指數(shù)判定。

Zi=Ai1F1+Ai2F2++AimFm+ui(i=1，2，，j)

Z1=A11F1+A12F2++A1mFm+u1Z2=A21F1+A22F2++A2mFm+u2Zj=Aj1F1+Aj2F2++AjmFm+uj

(1)

式中，Aij—因子載荷；ui—每個(gè)觀測(cè)變量所特有的因子；m—變量共同因子的數(shù)目；F1，F(xiàn)2，，F(xiàn)m—共同因子。

2 水質(zhì)污染指標(biāo)數(shù)據(jù)及因素分析

以撫順市16條河道為研究對(duì)象，對(duì)各河道進(jìn)行定期取樣檢測(cè)包括：溫度、pH、COD、TP、NH3-N、TN等，檢測(cè)結(jié)果見表1。

通過SPSS對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，矩陣計(jì)算結(jié)果見表2，可以看出各指標(biāo)間相關(guān)性指數(shù)存在較大差異，表明污染物之間有不同的關(guān)系。相關(guān)系數(shù)越大，底泥和河道水體各污染物之間相關(guān)性越顯著。根據(jù)污染物的矩陣數(shù)據(jù)，得出KMO指數(shù)為0.8316，Bartlett檢驗(yàn)的顯著性為0.000，符合因子分析法特征，且各變量間顯著相關(guān)。通過SPSS軟件，采用主成分分析法獲得水體DO、水體COD、

表1 河道水體監(jiān)測(cè)斷面污染物的平均值

表2 河道水體底泥各污染指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

水體NH3-N、水體TP、底泥COD、底泥TN到達(dá)0.709左右，共同度在可接受的范圍內(nèi)；河道底泥的TP為0.865，水體TN為0.825，顯示提取得的因子能夠較好的表示原始變量。

采用卡爾特碎石圖對(duì)因子數(shù)目進(jìn)行確定，關(guān)于初始特征值的碎石圖，如圖1所示。可以看出，前2個(gè)因子特征值連線斜率較大，表明前2個(gè)公因子能夠有效表征河流水質(zhì)污染情況，當(dāng)達(dá)到第3個(gè)成分?jǐn)?shù)后，曲線趨于平緩，因子信息有所丟失，因此通過前兩個(gè)因子來表征所有變量，前2個(gè)公共因子對(duì)河流水質(zhì)狀況的累計(jì)貢獻(xiàn)率分別約為45.020%，31.809%。

圖1 關(guān)于初始特征值的碎石圖

依據(jù)成份得分系數(shù)矩陣表3，得到河流水質(zhì)評(píng)價(jià)綜合得分公式：

F1=底泥NH3-N×0.268-底泥TP×0.120-底泥TN×0.281-底泥COD×0.074+TP×0.221+TN×0.238+NH3-N×0.320+COD×0.293+DO×0.032

(2)

F2=-底泥NH3-N×0.107+底泥TP×0.383+底泥TN×0.526+底泥COD×0.307-TP×0.056-TN×0.064-NH3-N×0.191-COD×0.149-DO×0.251

(3)

表3 成分得分系數(shù)矩陣

由2個(gè)公因子的得分進(jìn)行加權(quán)求和，權(quán)數(shù)由旋轉(zhuǎn)后的方差貢獻(xiàn)率表示，各河道的綜合得分表達(dá)式如下：

zF=45.020%×F1+31.809%×F2

(4)

綜合得分反映了各監(jiān)測(cè)河道的污染程度，排名越靠前，表明污染越嚴(yán)重，河體水質(zhì)越差。計(jì)算得到16條河道污染情況見表4。其中，社河的水質(zhì)污染比較嚴(yán)重，主要由于該河道位于古鎮(zhèn)景區(qū)，大量垃圾和生活污水流入河道，導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)臭發(fā)黑；貫徑港為居民飲用水源保護(hù)地，水質(zhì)較好、水體受污染較小，分析結(jié)果符合河道實(shí)際污染現(xiàn)狀。

表4 各監(jiān)測(cè)河道的綜合得分與排名

3 水體和底泥中污染物指標(biāo)的相關(guān)性分析

3.1 水體和底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)性分析

水體中營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，見表5，可以看出，水體中的TP、TN和NH3-N之間呈顯著相關(guān)。主要由于水體中的硝化菌和反硝化菌通過硝化作用、氨化作用、反硝化作用等將氨氮化合物轉(zhuǎn)化為各種形態(tài)的氮。

表5 水體中營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)系數(shù)矩陣

注：“**”，“*”分別為在1%水平(雙側(cè))、5%水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，見表6，可以看出底泥中的TP與NH3-N、TN呈顯著相關(guān)，表明底泥中的氮對(duì)磷的釋放有一定的促進(jìn)作用，而底泥中NH3-N、TN沒有明顯的相關(guān)性。

表6 底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)系數(shù)矩陣

注：“**”為在1%水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

水體和底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)系數(shù)矩陣，見表7，可以看出，水體中的TP、NH3-N、TN的含量與底泥中TN含量沒有明顯相關(guān)性，而與底泥中TP、NH3-N含量有顯著相關(guān)性，表明底泥中的TN對(duì)TP和NH3-N有顯著的促進(jìn)作用。

表7 水體和底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)系數(shù)矩陣

注：“**”，“*”分別為在1%水平(雙側(cè))、5%水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.2 溶解氧對(duì)水體和底泥中各污染物的影響

為更好的詮釋控制變量對(duì)其它變量的影響，以溶解氧作為控制因子，利用偏相關(guān)分析對(duì)各指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果見表8。可以看出，在控制溶解氧的條件下，水體和底泥中各污染物之間相關(guān)系數(shù)明顯降低，表明溶解氧對(duì)其他污染物指標(biāo)有較大影響。水體中，TN與TP，NH3-N的相關(guān)系數(shù)分別為0.566，0.695；TN、TP的相關(guān)性明顯下降，表明溶解氧對(duì)TN、TP之間的相關(guān)性有較大影響，對(duì)NH3-N、TN的相關(guān)性變化較小。

3.3 因子分析法對(duì)污染物質(zhì)特征分析

利用因子分析法對(duì)河道水質(zhì)進(jìn)行分析，客觀的確定權(quán)重避免了人為主觀隨意性，更好地詮釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)論，分析結(jié)果見表9。可以看出，多個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)較大，各變量存在顯著相關(guān)性。因子分析法是主成分分析的深化和推廣，由于河道是一個(gè)相對(duì)開放的系統(tǒng)，受河道本身內(nèi)在因素和外界條件共同影響，利用因子分析理論，能夠合理解釋原始變量間的相關(guān)性，在自然科學(xué)領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。

表8 水體和底泥中各污染物間的相關(guān)系數(shù)

表9 污染物指標(biāo)初始變量相關(guān)系數(shù)表(因子分析法)

4 結(jié)語

以撫順市河道為研究對(duì)象，采用因子分析法對(duì)其上覆水及底泥的污染指標(biāo)之間的潛在相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算得到了16條河道污染情況，社河的水質(zhì)污染比較嚴(yán)重，主要由于該河道位于古鎮(zhèn)景區(qū)，大量垃圾和生活污水流入河道，導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)臭發(fā)黑；貫徑港為居民飲用水源保護(hù)地，水質(zhì)較好、水體受污染較小，分析結(jié)果符合河道實(shí)際污染現(xiàn)狀。水體中的TP、NH3-N、TN的含量與底泥中TN含量沒有明顯相關(guān)性，而與底泥中TP、NH3-N含量有顯著相關(guān)性，表明底泥中的TN對(duì)TP和NH3-N有顯著的促進(jìn)作用。在控制溶解氧的條件下，水體中，TN與TP，NH3-N的相關(guān)系數(shù)分別為0.566，0.695；TN、TP的相關(guān)性明顯下降。研究結(jié)果能夠?yàn)楹笃诔鞘泻拥乐卫硖峁├碚撘罁?jù)。