遼河流域遼寧境內(nèi)水質(zhì)評(píng)價(jià)研究

田 力

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

水質(zhì)評(píng)價(jià)通常是根據(jù)不同的要求和目標(biāo)，調(diào)查與監(jiān)測(cè)水體的生物、化學(xué)、物理指標(biāo)，并對(duì)其質(zhì)量狀況利用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行分析描述。通過科學(xué)、客觀地確定水體污染程度，并將污染等級(jí)劃分為水質(zhì)評(píng)價(jià)的主要目標(biāo)，據(jù)此可為河流污染治理和科學(xué)管理提供一定的參考依據(jù)，同時(shí)也是組成水環(huán)境管理、水資源充分利用與合理開發(fā)的重要內(nèi)容。對(duì)于復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)評(píng)價(jià)，目前較為常用的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合法、指標(biāo)體系法以及灰色理論法。依次將河流各斷面、各時(shí)期分開來計(jì)算為水質(zhì)評(píng)價(jià)的普遍思路，而考慮了水環(huán)境質(zhì)量差異性與相似性的研究相對(duì)較少，特別是在長時(shí)間、多斷面、大樣本與大尺度流域水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，可能存在計(jì)算過程繁雜、精確度較低和重復(fù)計(jì)算的現(xiàn)象。針對(duì)此類問題，聚類法、方差法和因子法得到推廣和應(yīng)用。據(jù)此，本文以遼河流域遼寧段為例，在詳細(xì)分析了水質(zhì)常用指標(biāo)與因子法的基礎(chǔ)上，選擇了影響水環(huán)境狀況的關(guān)鍵參數(shù)，通過對(duì)樣本點(diǎn)的分組實(shí)現(xiàn)了大樣本、長距離、多斷面水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)[1- 2]。

1 原理方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

在水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中，科學(xué)、合理地選擇指標(biāo)具有重要作用，水質(zhì)指標(biāo)之間通常存在較大的相關(guān)性，并且作用關(guān)系較為復(fù)雜，如果指標(biāo)選取過多則可能造成由于指標(biāo)所包含的信息重疊而重復(fù)計(jì)算，不僅使得計(jì)算工作量增加，而且可造成評(píng)價(jià)結(jié)果存在偏差；如果指標(biāo)選取過少，則無法反應(yīng)水體的整體情況，并可能導(dǎo)致水體某些重要的特征被忽略。針對(duì)此類問題，因子分析法能較好地處理，該方法從多個(gè)可觀測(cè)變量中，提取少數(shù)潛在的能夠最大程度解釋和概括原有觀測(cè)變量信息的公共因子，并對(duì)事物的本質(zhì)進(jìn)行客觀、全面的解釋。其基本思路是通過分析觀測(cè)變量的相關(guān)性特征將其分組，不同組之間相關(guān)性較低而各組內(nèi)相關(guān)性較高，可根據(jù)變量的潛在公共因子反映每組觀測(cè)變量的基本結(jié)構(gòu)[3]。

在進(jìn)行多個(gè)相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)分析時(shí)，因子分析法具有良好的適用性與可行性，而對(duì)于相互之間具有較強(qiáng)獨(dú)立性的指標(biāo)，則無需進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[4]。因此，為判斷因子分析法是否適用于指標(biāo)簡(jiǎn)化處理，應(yīng)首先利用KMO法檢驗(yàn)各指標(biāo)數(shù)據(jù)。評(píng)價(jià)指標(biāo)按照因子分析法進(jìn)行篩選時(shí)，其基本原則為在確定了公共因子個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)選擇所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)變量[5]。因此，按照此方法選擇的指標(biāo)具有較強(qiáng)的變量解釋能力。

1.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)空尺度差異性檢驗(yàn)

在檢驗(yàn)2個(gè)及以上數(shù)據(jù)樣本差異性時(shí)，方差分析法具有較強(qiáng)的實(shí)用性與科學(xué)性，主要是對(duì)變異量按照不同的來源，將其劃分為誤差與控制變量2種類型。若誤差引起的變量顯著低于控制變量，則可認(rèn)為因變量主要受控制變量的影響，其表達(dá)式為SSt=SSw+SSb，其中SSb、SSw分別為控制變量與誤差引起的變異，SSt為總變異。根據(jù)控制變量個(gè)數(shù)的不同，可將方差分析分為單因素、多因素2種類型，本文主要是針對(duì)空間或時(shí)間因素開展研究，因此為典型的單因素分析，其表達(dá)公式為：

(1)

(2)

(3)

組內(nèi)方差可通過求解組內(nèi)變異與其自由度之比確定，同理可得到組間方差，組間與組內(nèi)方差比值的F檢驗(yàn)為方差分析方法的關(guān)鍵流程，其顯著性檢驗(yàn)公式如下：

(4)

1.3 層次聚類分析的樣本點(diǎn)分組

本文考慮采用層次聚類法將樣本點(diǎn)按照相似性與差異性進(jìn)行分組，組間距離與樣本間距離為樣本點(diǎn)親疏程度計(jì)算的主要內(nèi)容，其中樣本間距離測(cè)量方法有絕對(duì)距離、切比雪夫距離以及歐式距離平方距離等方法，組間距離的測(cè)量有離差平方和法、重心法、最遠(yuǎn)舉例法等，本文綜合考慮各種狀況采用差分平方和法進(jìn)行組間距離的測(cè)量[6]。

離差平方和法是將與上一階段合并的差異度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，并在聚類過程中合并變化最小的對(duì)象，從而組成新的組[7]。該方法的最終目的是實(shí)現(xiàn)不同樣本類別之間存在較大的差異度，而同一類內(nèi)的差異度最低，因此可利用離差平方和Vg表示組內(nèi)樣本間的差異度，計(jì)算公式如下：

(5)

1.4 水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)法

可將2位小數(shù)與一位整數(shù)組成的有效數(shù)字作為單向水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在水質(zhì)變化區(qū)間的位置可通過小數(shù)部分反映，而水質(zhì)類別可根據(jù)整數(shù)部分進(jìn)行判斷。Pi計(jì)算公式為：

(6)

(7)

式中，Ki—第i項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)類別，取值范圍為1～6，可根據(jù)GB 3838—2002《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》比較分析獲取；ρi、ρik下、ρik上—分別為第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度值、Ki類水區(qū)間濃度下限與上限值。

遞減性指標(biāo)溶解氧可根據(jù)式(6)計(jì)算，利用式(7)確定遞增性水質(zhì)指標(biāo)，若水體質(zhì)量較差并低于V類，可分別對(duì)溶解氧與遞增性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算：

(8)

(9)

水體在受到人文因素與自然因素的雙重作用下可能存在的情況有：相對(duì)于水環(huán)境功能區(qū)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)某項(xiàng)或兩項(xiàng)以上指標(biāo)處于嚴(yán)重超標(biāo)狀態(tài)，而其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；利用單因子法往往很難客觀、全面地表征水體的綜合狀況，并未考慮其他因素對(duì)水環(huán)境的影響作用[8]。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)可有效避免上述方法存在的問題和缺陷，該方法不僅考慮了所有的單項(xiàng)指標(biāo)，而且重點(diǎn)分析了污染嚴(yán)重的指標(biāo)，并能夠?qū)λ|(zhì)狀況進(jìn)行系統(tǒng)、全面地分析。單項(xiàng)指數(shù)最大值與平均值是組成綜合指數(shù)P的兩大內(nèi)容，其計(jì)算方法為：

(10)

污染程度與水質(zhì)級(jí)別，可利用水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)P進(jìn)行反映，水質(zhì)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ與劣Ⅴ級(jí)別時(shí)，綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)P的取值范圍分別為1～2、2～3、3～4、4～5、5～6和大于6。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 遼河流域概況

遼河流域位于我國東北地區(qū)南部，全長1345km，流域面積21.9萬km2，主要流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林和遼寧等區(qū)域。遼寧省境內(nèi)的遼河流域面積6.9萬km2，地理位置介于東經(jīng)121°16′～125°20′，北緯40°28′～43°30′，主要涉及本溪、撫順、遼陽、鐵嶺、營口、盤錦等28個(gè)市縣，包括大遼河、太子河、渾河和遼河等水系。屬于半干旱半濕潤季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年降水量為300～1100mm，因其獨(dú)特的地理位置和季風(fēng)氣候，降水量在時(shí)空分布上極不均衡，其中65.0%以上集中在6—9月(汛期)，東部水域面積較大[9- 12]。

遼河流域沿岸人口較為集中、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快且城鎮(zhèn)化程度高，污水排放超標(biāo)嚴(yán)重，并且大中型工業(yè)較為集中，河流氨氮、化學(xué)需氧量和廢水等排放量較大，河流水體污染較重。該流域的8個(gè)斷面常年為劣Ⅴ類水質(zhì)，撫順上游的渾河流域水質(zhì)相對(duì)較好，部分河段水質(zhì)可達(dá)到Ⅰ、Ⅱ類。根據(jù)遼寧段實(shí)際狀況，在綜合考慮了該流域人文因素和各種自然條件的基礎(chǔ)上，本文選取了16項(xiàng)指標(biāo)作為遼河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)依據(jù)，如高錳酸鉀、氨氮、溶解氧等參數(shù)[1]。選擇2012—2015年太子河、渾河和遼河典型斷面的月度監(jiān)測(cè)值作為各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)來源，提取125個(gè)水質(zhì)樣本并利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終得到16項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)年度監(jiān)測(cè)均值，見表1。

2.2 水質(zhì)指標(biāo)的選取

利用因子分析法對(duì)2012—2015年3個(gè)典型斷面的125個(gè)監(jiān)測(cè)樣本進(jìn)行篩選，從16項(xiàng)水質(zhì)基礎(chǔ)指標(biāo)中選擇能夠綜合反映水質(zhì)級(jí)別的重要指標(biāo)。為判斷因子分析法是否適用于指標(biāo)篩選處理，應(yīng)首先利用KMO法檢驗(yàn)各指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明KMO值為0.772，利用因子分析法能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在旋轉(zhuǎn)成分矩陣表中前4個(gè)特征值大于1的公因子，所對(duì)應(yīng)的最高因子荷載變量主要包括六價(jià)鉻、揮發(fā)酚、糞大腸菌群、溶解氧、銅、氨氮、高錳酸鉀指數(shù)以及化學(xué)需氧量指標(biāo)，并以此作為水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要判斷依據(jù)。

2.3 指標(biāo)時(shí)空差異性檢驗(yàn)

同一年度不同斷面和不同年度同一斷面間的水質(zhì)評(píng)價(jià)重要指標(biāo)，其月度監(jiān)測(cè)值單因素方差分析結(jié)果，見表2。

表1 2012—2015年遼河流域遼寧段各典型斷面水質(zhì)指標(biāo)月度監(jiān)測(cè)均值

表2 水質(zhì)評(píng)價(jià)重要指標(biāo)的單方差分析Sig值

根據(jù)表2分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，同一斷面不同年度間的六價(jià)鉻、氨氮、化學(xué)需氧量與糞大腸菌群4個(gè)重要水質(zhì)指標(biāo)均不存在顯著性差異特征，在不同年度間銅與揮發(fā)酚指標(biāo)對(duì)于3個(gè)斷面呈現(xiàn)出較為顯著的差異性，在不同年度間的溶解氧與高錳酸鉀指數(shù)指標(biāo)相對(duì)于部分?jǐn)嗝娉尸F(xiàn)出顯著性差異；同一年度不同斷面間的六價(jià)鉻、溶解氧、氨氮、揮發(fā)酚和銅5項(xiàng)重要水質(zhì)指標(biāo)不存在顯著性差異，不同斷面間相對(duì)于4個(gè)年度的高錳酸鉀指數(shù)與化學(xué)需氧量均呈現(xiàn)出顯著性差異，在不同斷面間的部分年度糞大腸菌群指標(biāo)具有顯著性差異。

綜上所述，不同年度同一斷面間有4項(xiàng)指標(biāo)不存在顯著性差異，而剩余其他4項(xiàng)指標(biāo)在不同年度間的部分或全部監(jiān)測(cè)斷面存在顯著性差異；在同一年度不同斷面間存在3個(gè)指標(biāo)具有顯著性差異，而其他5項(xiàng)指標(biāo)不存在差異性。由此表明，在時(shí)間與空間尺度上，水體中的污染物濃度不僅存在著相似性特征，而且具有差異性。在此條件下，將各斷面與各時(shí)期分開進(jìn)行評(píng)價(jià)，可能會(huì)導(dǎo)致繁瑣的計(jì)算過程和不必要的重復(fù)性計(jì)算。因此，可通過合適的方法按照相似性與差異性特征，將樣本點(diǎn)分組，并根據(jù)每組評(píng)價(jià)結(jié)果合理地分配給相對(duì)應(yīng)的樣本點(diǎn)。

2.4 樣本點(diǎn)分組

本文對(duì)125個(gè)樣本點(diǎn)的層次聚類考慮采用差分平方和法和SPSS軟件分析，在聚類分析過程中離差平方和發(fā)揮著重要的作用。結(jié)果顯示，在10類至9類離差平方和系數(shù)變化過程中存在一個(gè)較大幅度的增加，即由295.2提升至320.6；分別以離差平方和與類數(shù)作為坐標(biāo)系統(tǒng)的縱橫軸，并將層次聚類分析繪制成曲線，結(jié)果顯示曲線斜率在10類與9類區(qū)間表現(xiàn)出較大的增加，因此可將125個(gè)樣本聚類成10組并標(biāo)記為G1～G10，結(jié)果見表3。

表3 10個(gè)樣本組所對(duì)應(yīng)的水質(zhì)樣本點(diǎn)

根據(jù)各樣本點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)之間的距離計(jì)算結(jié)果，將距離較近和較遠(yuǎn)的樣本點(diǎn)進(jìn)行組類的劃分，該過程即為聚類分析的本質(zhì)。水質(zhì)指標(biāo)濃度之間的差距與2個(gè)樣本點(diǎn)之間的距離呈正相關(guān)性，即距離越近則濃度差距越小，水質(zhì)狀況所屬同一級(jí)別的可能性就越大。所以，在同一組中利用聚類分析法可得到相似的水質(zhì)狀況，換而言之就是該組內(nèi)的水樣點(diǎn)屬于相同的水質(zhì)級(jí)別，并可進(jìn)行統(tǒng)一的整體評(píng)價(jià)。利用組內(nèi)樣本均值作為樣本數(shù)據(jù)特征并進(jìn)行水質(zhì)級(jí)別評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4，然后根據(jù)各樣本點(diǎn)分組賦予相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

由表4可知，在各水樣分組中G1聚集了濃度較高的糞大腸菌群和濃度較低的溶解氧指標(biāo)；G2與G3分別聚集了濃度較高的化學(xué)需氧量、高錳酸鉀指數(shù)和銅與氨氮；G4與G5分別聚集了濃度較高的氨氮和糞大腸菌群、銅、揮發(fā)酚與氨氮；六價(jià)鉻在G6組內(nèi)的聚集濃度較高，而G7、G8和G9組并未聚集濃度較高或較低的指標(biāo)。

2.5 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)文中所述水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)計(jì)算公示(6)～(10)和各樣本的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)均值，分別得到各水質(zhì)樣本的綜合標(biāo)識(shí)與單項(xiàng)指標(biāo)指數(shù)，結(jié)果見表5。

由表5可知，遼河流域遼寧段水質(zhì)級(jí)別處于Ⅱ～Ⅴ級(jí)范圍，水質(zhì)為Ⅱ級(jí)的主要有G6與G8組，水質(zhì)最差的為G1組其水質(zhì)處于Ⅴ級(jí)，共有5組水質(zhì)處于Ⅲ級(jí)。水質(zhì)最好的是水質(zhì)樣本點(diǎn)來源于2012年的G6組，最差的是水質(zhì)樣本點(diǎn)來源于2015年的G1組。

表4 遼河流域遼寧境內(nèi)10組樣本的水質(zhì)指標(biāo)均值

表5 10組樣本綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)與單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果，利用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)法不僅重點(diǎn)突出了最差指標(biāo)對(duì)水質(zhì)的影響，而且綜合考慮了各項(xiàng)指標(biāo)并有效避免了以偏概全的弊端，從而更加客觀、全面地反映了水質(zhì)的整體狀況。利用該方法可同時(shí)對(duì)比同一水質(zhì)級(jí)別樣本的優(yōu)劣狀況，并判斷較差水質(zhì)的受污染程度。

對(duì)水質(zhì)樣本點(diǎn)分配相應(yīng)的標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明橫向分析可得到長時(shí)間、多斷面、大樣本的水質(zhì)評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示遼河流域遼寧段自上游至下游水質(zhì)狀況，整體呈現(xiàn)出逐漸變差的變化規(guī)律，其中水質(zhì)狀況最好的區(qū)段位于撫順上游的渾河段，最差的位于太子河下游段。依據(jù)遼河流域水文環(huán)境和特殊的地理位置，可以得出人文因素影響該區(qū)段下游斷面水質(zhì)的狀況。下游區(qū)段的工業(yè)較為密集，污水排放口較為集中，河流難以利用其自凈功能實(shí)現(xiàn)降解，并且生活污水的排放，進(jìn)一步對(duì)下游水質(zhì)造成不利影響，水質(zhì)狀況較為惡劣。縱向分析結(jié)果表明研究期間水質(zhì)較差的為2012年，水質(zhì)相對(duì)較好的為2015年；結(jié)合研究區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)際狀況，夏季與冬季分別為水質(zhì)最好、最次的期間，而春秋季節(jié)的水質(zhì)狀況處于一般水平。遼河為雨污河流區(qū)域，在生活污水與工業(yè)廢水入河量相差不大的條件下，水體污染最為嚴(yán)重的時(shí)期為每年的枯水期，而豐水期相對(duì)較好。

3 結(jié)論

(1)該水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法通過選取相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)，從而降低評(píng)價(jià)結(jié)果受人為主觀因素的影響。對(duì)樣本內(nèi)的相似性與差異性特征，可通過水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的空間與時(shí)間特征來反映，并有效提高了評(píng)價(jià)分析的效果。所選取的各項(xiàng)指標(biāo)不僅避免了單因素方法以偏概全的不足，而且重點(diǎn)突出了最差指標(biāo)的影響作用，能夠客觀、科學(xué)地反映流域水質(zhì)狀況。

(2)遼河流域遼寧段2012—2015年，其水質(zhì)級(jí)別處于Ⅱ～Ⅴ級(jí)范圍，水質(zhì)為Ⅱ級(jí)的主要有G6與G8組，水質(zhì)最差的為G1組，其水質(zhì)處于Ⅴ級(jí)，共有5組水質(zhì)處于Ⅲ級(jí)。相對(duì)于水功能區(qū)化標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)段水質(zhì)狀況仍處于超標(biāo)狀態(tài)，在今后的水質(zhì)保護(hù)與治理工作中，不僅要加大對(duì)污水企業(yè)排放的監(jiān)管力度，而且還要注重發(fā)展污水處理技術(shù)，使得在改善遼河流域水質(zhì)狀況方面發(fā)揮更大的作用。