辽河流域水质现状评价及其污染源解析

马溪平,吕晓飞,2,张利红,2,徐成斌,张 博

(1.辽宁大学环境学院,辽宁 沈阳 110036;2.辽宁省环境科学研究院,辽宁 沈阳 110031)

水质评价及污染源解析的目的是科学、全面、准确的评价水环境质量,并为水环境管理提供准确可靠的信息。目前,国内外针对水质评价的方法很多[1],主要有内罗梅水质指数法,罗斯水质指数法,综合水质标识指数法[2]等。综合水质标识指数法是其中应用范围最广,较为成熟的一种。污染源解析的方法也有很多[3],多元统计分析法亦是其中应用较为成熟的一种。

辽河流域辽宁省境内水污染严重,近年来综合污染指数一直居全国七大流域前列。污染排放主要集中在河流城市段[4],辽河流域水体沿途接纳了沈阳、鞍山,抚顺,辽阳,铁岭、盘锦和营口等城市的工业废水和生活污水后,河流水质污染严重,水环境受到破坏。

尽管近些年来针对辽河流域水质评价的研究很多[5-6],但同时应用综合水质标识指数法和多元统计分析法的却不多,或者只是单一使用以上方法中的一种对辽河流域内的某部分水系进行相关研究[7-8],没有将两种方法结合应用于整个辽河流域的先例。笔者依据辽河流域水系特点,选取COD,BOD5,NH3-N等6个典型水质指标,将辽河流域水质评价与污染物源解析相结合,以综合水质标识指数评价法为主,辅以判别分析法,以辽河流域主要干流水质评价为基础,结合多元统计分析方法对辽河流域主要干流水体中主要污染物及其来源进行探索性分析,以达到对污染物“追根溯源”的目的。

1 数据收集与研究方法

1.1 数据来源

数据来自2006—2008年辽宁省环境质量报告书,其采样及测试均符合国家水质监测标准。根据辽河流域水系特点,选用辽河流域河流主要干流省控断面共计26个点位作为分析点位(图1),每个点位选用 6个指标作为水质分析参数,包括 COD,BOD5,NH3-N,CODMn,挥发酚,石油类,共计468个数据。为了便于分析,选取2006—2008年6个水质参数3年平均值的算术平均数作为主要分析数据。

图1 辽河流域主要干流26个省控断面示意图

1.2 研究方法

1.2.1 综合水质标识指数评价方法

综合水质标识指数法是以单因子水质标识指数为基础,对河流水质进行综合分析评价的方法[12]。综合水质标识指数由整数位和3位或4位小数组成,其计算公式表示为[9]:

式中:X1为河流总体的综合水质类别;X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处位置;X3为参与综合水质评价的水质指标中,劣于水环境功能区目标的单项指标个数;X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果,视综合水质的污染程度,X4为1位或2位有效数字;P′i为第i个水质因子的单因子水质指数。

通过综合水质标识指数 Iwq的整数位和小数点后第1位,即 X1◦X2,可以判定综合水质级别。综合水质级别判断依据如下[9]:

Ⅰ类:1.0≤X1◦X2≤2.0;Ⅱ类:2.0＜X1◦X2≤3.0;Ⅲ 类:3.0 ＜X1◦X2≤4.0;Ⅳ类:4.0 ＜X1◦X2≤5.0;Ⅴ类 :5.0＜X1◦X2≤6.0;劣Ⅴ类但不黑臭:6.0＜X1◦X2≤7.0。

1.2.2 判别分析法

判别分析是根据观察或测量到的若干变量值判断研究对象如何分类的方法[10]。基本思想是在已知观测对象的分类和特征变量值的前提下,从中筛选出能提供较多信息的变量,并建立判别函数,目标是使得判别函数在对观测量进行判别其所属类别时的错判率最小。

1.2.3 多元统计方法

多元统计方法的基本思路是利用观测信息中物质间的相互关系来产生源成分谱或产生暗示重要排放源类型的因子[11],包括主成分分析(PCA)及因子分析法(FA)。只要监测的污染源满足解析条件[12-13],二者都可以用于污染物的来源解析[14-16],结果的取得主要取决于被分析因子的特征值、方差累计贡献(cumulativepercent variance)和Exner方程[17]。要求解析结果中包含的因子数量较多,被分析因子的特征值大于1,方差累计贡献率接近于100%。一般只要选取方差累计贡献率大于85%左右的因子组合就可以。本文主要应用因子分析法(FA)进行分析,分析工具为Excel 2003,Origin 8.0及SPSS 13.0。

2 结果与讨论

2.1 辽河流域水质现状分析

2.1.1 辽河流域水质达标率分析

图2 辽河流域主要干流26个监测点位综合水质标识指数

经过相关公式计算各点位综合水质标识指数(图2),根据综合水质级别判断依据,可以得到26个点位的水质情况如下:Ⅰ类水质点位1个,占整个监测点位的3.84%;Ⅱ类水质点位1个,占整个监测点位的3.84%;Ⅲ类水质点位2个,占整个监测点位的7.69%;Ⅳ类水质有 9个,占整个监测点位的34.62%;Ⅴ类水质有 11个,占整个监测点位的42.31%;劣Ⅴ类但不黑臭的有2个,占整个监测点位的7.69%。结合各点位水功能区目标,达标点位有20个,整个监测点位的水质达标率为73.92%,说明整个辽河流域水质基本达到功能区水质要求。

2.1.2 辽河流域水质定性分析

对照水体功能区类别,对水体清洁或污染程度进行的评价称为水质定性评价,可以分为5级:优、良、轻度污染、中度污染、重度污染[18]。根据辽河流域水系特点和水功能区目标及综合水质标识指数可以按以下标准对26个点位进一步分级:优良1.0≤X1◦X2≤3.0;轻度污染 3.0＜X1◦X2≤4.0;中度污染4.0＜X1◦X2≤6.0;重度污染 X1◦X2＞7.0。

根据26个点位的综合水质标识指数,可将各点位进一步分为以下4组:水质优良组有2个点位,占整个监测点位的7.69%;轻度污染组有2个点位,占整个监测点位的7.69%;中度污染组有20个点位,占整个监测点位的73.92%;重度污染的点位有2个,占整个监测点位的7.69%。将上述分组结果通过SPSS判别分析进行检验(表1,表2),由表1可知,第1个判别函数的显著概率为0.007＜0.05,有统计学意义,其他两个判别函数的显著概率均大于0.05,没有意义。由表2可知此次判别分析1,2,3,4组(即优良组,轻度污染组,中度污染组,重度污染组)的判别正确率分别为100%,100%,80%,100%。平均判别正确率为95%,正确率很高,说明按以上标准分组可信。通过以上分析可知,26个点位水质大部分为中度污染,占整个监测点位的73.92%。说明辽河流域尤其中下游水体中度污染比较严重,需要有关部门加强管理。

表1 判别分析Wilk′lambda值

2.2 辽河流域水质典型污染物源解析

2.2.1 数据的正态分布特征检验

在统计分析理论中,对数据分布有一定的要求[19],所以先应用SPSS软件中的探索性分析验证数据的正态分布有效性。结果如表3所示,根据探索性检验要求,显著概率大于0.05的指标数据符合正态分布特征,可以看到,参与分析的26个点位的理化指标的显著概率均大于0.05,可以认为此次参与分析的数据整体符合正态分布的要求。

表2 分类结果

表3 正态分布检验

2.2.2 典型污染物的因子分析

a.Kaiser-Meyer-Olkin 和 Bartlett′s Sphericity 检验。为了验证因子分析的适用性,首先要对数据进行 Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和 Bartlett′s Sphericity 检验。一般认为KMO值大于0.7(KMO值在0～1之间变化)的适合因子分析,小于0.5的不适合因子分析,介于二者之间的,比较适合。Bartlett′s Sphericity检验用于检验相关性矩阵是否为单位矩阵,如果是单位矩阵,则不适合因子分析。

通过检验可知,在显著概率小于0.05,数据的KMO检验值为0.575,Bartlett′s Sphericity检验值为136.496,表明数据适合因子分析。

b.因子分析的总方差解释及主因子命名。根据因子分析提取主成分的要求,被分析因子的特征值必须大于1,方差累计贡献接近于100%,从分析结果(表4)中可以提取3个主成分。主成分1解释了总方差的56.85%,其中COD,BOD5,CODMn占有较高的因子载荷,分别为94.3%,94%,92.8%。结合表4,可以将主成分1命名为耗氧有机物污染物。主成分2解释了总方差的18.25%,其中NH3-N占有较高的因子载荷,为89.8%,可将主成分2命名为富营养化因子污染。主成分3解释了总方差的17.51%,挥发酚因子载荷较高,为82.5%,结合表5,可以将主成分3命名为有毒有机污染物。

表4 因子载荷与总方差解释

表5 旋转因子载荷矩阵

综合上述分析可得出,辽河流域典型污染物有3种,分别为耗氧有机物污染物,化肥农药污染物和有毒有机污染物。以上三种为辽河流域主要污染物质。

c.水体污染物来源分析及控制措施。辽河流域辽河段的BOD5、COD的单因子水质标识指数值相比其他指标数值较大,可认为第1主成分为此区间的主导污染物。主要由于该区间多为大中城市,城镇人口众多,工业区规模较大,造纸行业和畜牧业占有较大比例,其排放的废水中含有大量的耗氧有机物质,加之工业和生活需水量大,水处理负荷也较大。所以,解决此区间水体污染问题,应在保证供求关系的前提下减少污染行业数目,提高污水处理能力,节约用水等方面入手。辽河流域浑河段和大辽河段的NH3-N的单因子水质标识指数值相比其他指标数值较大,可认为第2主成分为此区间的主导污染物。主要由于该区间工业区中造纸、石化和冶金行业占有较大比例,生产过程中向附近水体中排放大量的含NH3-N污染物质所造成的。解决方法应从控制污染物排放入手,加强对相关行业的排放监测。辽河流域太子河段挥发酚的单因子水质标识指数值相比其他指标数值较大,可认为第3主成分为此区间的主导污染物。主要由于该区间的本溪钢铁厂、北台钢铁厂在生产过程中向附近水体排放了大量含酚超标的废水所致。

综上所述,主成分1、2、3分别来自于城市生活污水和工业废水中的耗氧有机物污染;造纸厂、石油化工厂、冶金厂排放的生产废水污染以及来自炼钢厂的生产废水污染。相关部门在生产和监测过程中应加强控制与管理。

3 结 论

a.辽河流域干流水质整体达标率较高,达标率为73.92%,但大多数河流尤其是中下游水体中度污染比较严重,仍需要有关部门加强管理。

b.辽河流域水体有3种典型污染物,对整个辽河流域污染的贡献率分别为56.85%,18.23%和17.51%,为辽河流域水体主要污染物。

c.辽河流域水体3种典型污染物的来源分别为来自于城市生活污水和工业废水中的耗氧有机物污染物,造纸厂、石油化工厂、冶金厂排放的生产废水污染所形成的富营养化因子污染物和炼钢厂的生产废水所形成的有毒有机污染物,其作用的河段分别为辽河流域辽河段,浑河段和大辽河段,以及辽河流域太子河段,应根据每段区间特点采用相应措施实现污染物控制。

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