太子河流域鞍山境內(nèi)水質(zhì)評價及成因分析

李 雪

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山)

我國江河眾多，共有7大流域，包括長江流域、黃河流域、珠江流域、海河流域、淮河流域、松遼流域以及太湖流域。但是目前我國水資源短缺，受地形、氣候的影響，河流在地區(qū)上分布不均勻，水質(zhì)受到不同程度的污染，河流水質(zhì)的狀況對大自然環(huán)境以及生物包括人類有著直接影響，所以對河流水質(zhì)現(xiàn)狀的分析與評價是當(dāng)前全世界研究的重要課題，通過掌握水質(zhì)狀況、變化特征和發(fā)展趨勢，為水資源的利用、水環(huán)境的治理與保護(hù)、污染源的控制提供依據(jù)[1]。

目前，水質(zhì)評價常用的方法有單因子評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊評價法、灰色系統(tǒng)法、主成分分析法和層次分析法等[2]。主成分分析法有能夠從眾多因子中篩選出主要成分，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，為后續(xù)工作篩選主要因子提供依據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)進(jìn)行定性、定量化研究的理論比較完善的多元統(tǒng)計分析方法[3-4]，評價過程簡單，減少主觀誤差，客觀地確定各個原始指標(biāo)的權(quán)重，對原始指標(biāo)進(jìn)行線性組合，形成幾個新的綜合指標(biāo)，且這幾個綜合指標(biāo)互不相關(guān)，這就達(dá)到了簡化數(shù)據(jù)的目的；同時，這幾個綜合指標(biāo)又能保留原始數(shù)據(jù)中的大部分信息，從而更容易抓住復(fù)雜環(huán)境問題中的主要矛盾，提高分析效率[5-6]，評價結(jié)果準(zhǔn)確，更好地綜合反映水質(zhì)的情況。

1 主成分分析法的數(shù)學(xué)模型

主成分分析的基本思想是設(shè)法將原來眾多具有一定相關(guān)性(如p個指標(biāo))，重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標(biāo)來代替原來的指標(biāo)。進(jìn)行主成分分析主要步驟如下[7]：

(1)運(yùn)用SPSS軟件對指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。假定有n個樣本，每個樣本共有p個變量，構(gòu)成一個n乘以p階的數(shù)據(jù)矩陣：

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化變換為

(2)計算相關(guān)系數(shù)矩陣R=[rij]。

(3)計算特征值與特征向量。解特征方程|λIp-R|=0，求出特征值，并使其按大小順序排列：λ1≥λ2≥…≥λp≥0；然后分別求出對應(yīng)于特征值λi的特征向量。

(5)計算主成分載荷lij。

(6)各主成分得分Fm=lm1x1+lm2x2+…+lmpxp。

2 材料與方法

2.1 評價斷面

太子河是遼寧省較大河流之一，位于遼寧省東部，是渾河支流。對太子河流域水質(zhì)進(jìn)行分析與評價可為太子河流域合理開發(fā)利用水資源、優(yōu)化配置產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)太子河流域水資源、人口、社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。文章對太子河流域鞍山境內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行評價，鞍山境內(nèi)太子河流域的支流有南沙河、楊柳河以及海城河等，在南沙河上選取郎家廠監(jiān)測斷面，楊柳河上選取新堡監(jiān)測斷面，海城河上選取海城監(jiān)測斷面，通過對入太子河干流前的太子河支流的水質(zhì)進(jìn)行評價，掌握太子河水質(zhì)現(xiàn)狀以及對成因進(jìn)行分析。

2.2 評價指標(biāo)與數(shù)據(jù)處理

文章根據(jù)2021年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，排除大部分月份小于檢出限的項(xiàng)目，選取pH值(X1)、溶解氧(X2)、高錳酸鹽指數(shù)(X3)、化學(xué)需氧量(X4)、五日生化需氧量(X5)、氨氮(X6)、總磷(以P計)(X7)、氟化物(X8)、六價鉻(X9)、鉛(X10)、揮發(fā)酚(X11)11個項(xiàng)目作為評價指標(biāo)，利用Excel 2010和SPSS17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算和主成分分析[8]。

3 基于SPSS的主成分分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)化處理

對南沙河上郎家廠監(jiān)測斷面、楊柳河上新堡監(jiān)測斷面、海城河上海城監(jiān)測斷面的2020年12月到2021年11月全年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評價，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表1 各監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mg/L

3.2 提取主成分并計算主成分得分

由表2可知，郎家廠監(jiān)測數(shù)據(jù)的前4個主成分的特征根均大于1，分別為2.950、2.265、1.939和1.204；新堡監(jiān)測數(shù)據(jù)的前5個主成分的特征根均大于1，分別為3.118、2.242、1.626、1.491和1.084；海城監(jiān)測數(shù)據(jù)的前5個主成分的特征根均大于1，分別為2.953、2.432、1.670、1.460和1.171。表明這些主成分可反映11個原始指標(biāo)提供的絕大部分信息，其中，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率大于其余主成分，說明各評價斷面的污染物主要體現(xiàn)在第一主成分中[1]。

表2 特征值及主成分貢獻(xiàn)率

由表3可知，郎家廠監(jiān)測斷面高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氟化物在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映了這些原始指標(biāo)的信息。同理，pH值、溶解氧、總磷，鉛、揮發(fā)酚和氨氮、六價鉻分別在第二、第三和第四主成分上有較高載荷。

表3 初始因子載荷矩陣

新堡監(jiān)測斷面pH值、五日生化需氧量、總磷、六價鉻在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映了這些原始指標(biāo)的信息。同理，高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量，氨氮、鉛，溶解氧、揮發(fā)酚和氟化物分別在第二、第三、第四和第五主成分上有較高載荷。

海城監(jiān)測斷面溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映了這些原始指標(biāo)的信息。同理，五日生化需氧量、總磷、六價鉻、揮發(fā)酚，pH值、鉛，氟化物和氨氮分別在第二、第三、第四和第五主成分上有較高載荷。

這些指標(biāo)主要為生活和工業(yè)污染因子，其中，溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和揮發(fā)酚為水體有機(jī)污染綜合指標(biāo)，pH值、氨氮、鉛、總磷、氟化物和六價鉻為無機(jī)有毒有害物質(zhì)，這表明水體水質(zhì)狀況主要受生活污水和工業(yè)廢水污染影響。

計算各評價斷面的主成分得分和綜合得分，對水體污染程度進(jìn)行定量化描述，得分越大，表明水質(zhì)狀況越差，結(jié)果如圖1、表4所示。郎家廠監(jiān)測斷面豐水期8—9月和平水期10—11月水質(zhì)優(yōu)于其他時期，新堡監(jiān)測斷面豐水期7—9月和平水期10—11月水質(zhì)優(yōu)于其他時期，海城監(jiān)測斷面除了6、7月份水質(zhì)差一些，其余月份水質(zhì)均較好。總的來說，太子河鞍山境內(nèi)的三條支流南沙河、楊柳河以及海城河全年水質(zhì)總體較好。

表4 各評價斷面水質(zhì)綜合評價結(jié)果

圖1 各監(jiān)測斷面全年水質(zhì)綜合變化趨勢

3.3 水質(zhì)現(xiàn)狀及成因分析

郎家廠是太子河支流南沙河上入太子河干流之前的監(jiān)測斷面，評價結(jié)果表明，豐水期8—9月和平水期10—11月水質(zhì)優(yōu)于其他月份，南沙河主要接納選礦廠、化學(xué)工業(yè)公司以及水泥廠等廢污水排放，化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷和氟化物排放量比較大，但從全年評價結(jié)果來看，2月份的污染相對嚴(yán)重一些，可能是因?yàn)?月份處于枯水期，河流流量減少、流速降低，使得水體中污染物濃度稀釋擴(kuò)散能力減弱，這對水體的自凈能力不利；其余月份水質(zhì)較好，說明河流自凈能力可以承受廢水的排放。

新堡是太子河支流楊柳河上入太子河干流之前的監(jiān)測斷面，評價結(jié)果表明，豐水期7—9月和平水期10—11月水質(zhì)優(yōu)于其他月份，楊柳河主要接納燒結(jié)廠、紡織廠以及畜牧業(yè)等廢污水排放，化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷和氟化物排放量比較大，但從全年評價結(jié)果來看，6月份的污染相對嚴(yán)重一些，6月份是豐水期，可能是因?yàn)樯a(chǎn)生活向河流排放污染物量增多超過水體自凈能力，其他月份水質(zhì)現(xiàn)狀較好。

海城是太子河支流海城河上入太子河干流之前的監(jiān)測斷面，評價結(jié)果表明，除了6、7月份水質(zhì)差一些，其余月份水質(zhì)均較好。海城河主要接納鎂礦廠、印染廠、紡織廠、食品加工廠、造紙廠及居民生活污水等廢污水排放，化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷和氟化物排放量比較大，但從全年評價結(jié)果來看，6、7月份的污染相對嚴(yán)重一些，可能是因?yàn)樯a(chǎn)生活向河流排放污染物量增多超過水體自凈能力。

4 結(jié)論與建議

文章利用主成分分析法對太子河鞍山境內(nèi)的三條支流南沙河、楊柳河以及海城河水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與評價，評價結(jié)果表明，三條支流水質(zhì)較好，每個監(jiān)測斷面只有1～2個月份水質(zhì)稍差，主要是因?yàn)榕欧盼廴疚锪砍^水體自凈能力，根源在于枯水期水體自凈能力下降以及生產(chǎn)生活廢水的過量排放。評價結(jié)果可為水資源保護(hù)和發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，政府各部門要完善相關(guān)的法律法規(guī)，根據(jù)豐水期、平水期、枯水期以及季節(jié)變化調(diào)整污廢水排放量，同時加強(qiáng)對工業(yè)廢水排放的監(jiān)管力度，多措并舉，減輕河流的污染負(fù)荷，堅持綠水青山就是金山銀山的環(huán)保理念。