某城市排污河水质状况分析评价

郝 园，孙彦敏，仲晓倩，裴 琨，梁立业

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄 050022)

某城市排污河水质状况分析评价

郝 园，孙彦敏，仲晓倩，裴 琨，梁立业

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄 050022)

以城市排污河道为研究对象，测定了表层沉积物中的重金属总量、水质常规指标及DBP和DEHP，采用改进的主成分分析法和等标有机污染指数分析对排污河污染状况进行分析评价。运用改进的主成分分析法找出了主要污染源和主要污染物。结果表明：不同排污口的主要污染物不同，B化工厂CODCr及pH值为主要污染物；C泵站污染严重的为CODCr，pH值和TP；D排污口主要污染物为CODCr，NH3-N，Cr和pH值；E化工厂的主要污染物为CODCr，NH3-N和Cd。D排污口是第一主成分的主要污染源点，B化工厂无论是DBP等标污染指数还是DEHP等标污染指数均明显高于其他排污口，是A排污河PAEs污染的主要污染源。

主成分分析法；DBP；DEHP；等标污染指数分析

A排污河数十年来一直是市政污水的主要受纳河体。统计、监测资料显示，该市的市区及郊县的化工厂、煤气厂、造纸厂、印染厂、制革厂、染化厂、电池厂等均直接向A排污河排放工业废水，其运行情况直接影响着工农业生产和人民生活。A排污河为地表水，属于地表水环境质量标准(GB 3838—2002)中的V类水体。水体环境受到诸多指标的影响，加大了水质评价的难度，客观、合理评价水体综合水质尤显重要[1-2]。

主成分分析法是一种成熟的数据降维或特征提取的方法，属于数理统计的应用范畴[3]。主成分分析法能够较为合理地对评价因子进行赋值，在水质评价因子赋值中具有广阔的应用前景。李经伟等运用改进的主成分分析法评价了白洋淀水质状况[4]。地表水环境质量评价应根据水域功能类别，选取相应类别标准，进行改进的主成分分析评价。近年来发现酞酸酯可对环境、生物与食品等形成污染[5]。邻苯二甲酸酯急性毒性不大，对Ames试验呈阴性反应，但在大剂量情况下，对动物有致畸和致突变的作用，显示较强的内分泌干扰性[6]。

本研究选取A排污河具有代表性的污染源点，对其进行了多种水质指标以及有机污染物的监测。运用数学统计方法找出主要污染因子和重要污染源点，初步探讨了水质的影响因素。其结果不仅可为该市排污河道的管理和治理提供指导，而且对于重点污染源的治理具有重要的参考价值。

1 材料与方法

1.1检测指标

选取某年5月到10月期间采集的24个水样进行分析，按照《水和废水监测分析方法》[7]对水样进行测定。常规检测指标：pH值，SS，好氧有机物(CODCr类)，生源要素(TN，TP，NH3-N)，重金属元素(Cu，Fe，Zn，Mn，Pb，Cd，Ni，Cr)；有机物检测指标：邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸异辛酯(DEHP)。

1.2评价方法

目前，水环境质量的综合评价有很多方法，本研究采用改进的主成分分析法对排污河水质状况进行评价。采用SPSS软件进行计算得到各指标的特征值、主成分的贡献率和累计贡献率。累计贡献率说明主成分所包含全部指标信息的比例。前n个主成分的累计方差贡献率达到85%以上，就可以充分反映原始数据的主要信息。因此，可以利用前n个主成分来对排污河的水质污染状况进行可比性研究。

设pH值为x1，CODCr为x2，SS为x3，总氮为x4，氨氮为x5，总磷为x6，铜为x7，锌为x8，铬为x9，镉为x10，铅为x11，铁为x12，锰为x13，镍为x14。

主成分分析方法是一种将多维因子纳入同一系统中进行定量化研究、理论比较完善的多元统计分析方法。改进的主成分分析法是对传统的主成分分析法的改进，适用于原始变量之间呈现出非线性关系的情况。它是一种新的评价模型，使得研究有一定的理论及实践价值[8]。改进的主成分分析可有效地弱化异常值的影响，增强分析结果的稳定性，提高分析的可信度，具有良好的降维效果[9]。

改进的主成分分析法的主要步骤如下：

第一，构造水质数据矩阵X=[x1,x2,…,xp]；

第三，计算矩阵s的特征值和特征向量，并按累计方差贡献率大于85%来确定一个m值；

第四，写出前m个主成分计算公式，则第i个主成分为

A=(aij)n×p为单位正交化的特征向量矩阵(e1,e2,e3,…,ep)中的各项，又称主成分载荷矩阵；

第五，对所选主成分作物理解释；

第六，求主成分值及综合主成分值[10]。

2 结果与分析

A排污河属于地表水，加之其排放污水的性质，按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[11]中的V类水为主要评价依据，对各个污染源进行水质评价。

2.1改进的主成分分析法评价结果

2.1.1 各断面间的相对污染程度

据4月到5月对A排污河4个污染源点采样和分析得到的数据，以污染源点和监测指标为基础，建立水质数据矩阵。

利用SPSS软件计算得到协方差矩阵的特征值、特征向量，以及主成分方差贡献率、累计方差贡献率。

方差分解主成分提取分析见表1，前m个主成分的载荷矩阵见表2，A排污河污染源点分析结果见表3—表6。

表1 方差分解主成分提取分析

表2 前m个主成分的载荷矩阵

表3 5月主成分得分及污染源排名

表4 7月主成分得分及污染源排名

表5 8月主成分得分及污染源排名

表6 10月主成分得分及污染源排名

改进的主成分分析中，由于同趋势化后所有指标为正指标，所以只需通过计算综合得分进行排序，无需考虑正负值关系，即可得到评价结果。首先选取A河5月、7月、8月、10月份监测数据进行主成分分析。由表1可知，5月份第一主成分和第二主成分累计贡献率达到91.23%，并且10月份累计贡献率为100%。因此可以用其代表A河重点污染源的综合污染情况。通过表2的5月份的载荷矩阵可知第一主成分为pH值及CODCr，SS，TP，Cr，Cd，Pb，Fe，Mn；第二主成分为TN，Cu，Zn，Ni。由表1—表3可知，B化工厂在第一主成分的污染上最为严重，D排污口在第二主成分的污染最为严重。由表3可知，5月份C泵站总排名第2，且其在第一主成分上排名第2，说明5月份C泵站主要污染现象与第一主成分相关性较大。E化工厂在5月份的排名均在第4，说明污染相对较轻。

A河7月份数据的第一主成分和第二主成分累计贡献率已经超过85%，因此可以用其表征7月份主要污染。由表2可知：第一主成分为Mn，Cu，Ni，Zn，Fe，Cr，pH值，CODCr，TP；第二主成分为SS，NH3-N。可以看出，重金属污染和pH值指标有很大的关系。同时由表4可知，整个7月份D排污口的第一主成分和综合排名均为第1，说明其是7月份的主要污染源点，B化工厂为第4污染源点，和5月份相比B化工厂污染暂时减轻，说明污染情况相对于其他点稍微减轻。而D由5月份的综合第3上升为第1，成为最严重的污染源。E化工厂排名呈上升趋势。8月份前2个主成分累积贡献率为92.6%。第一主成分包括SS，TN，NH3-N，TP，pH值，Cu，Zn，Cr，Fe，Mn；第二主成分包括Pb，Cd，CODCr。由表5可知，8月份B化工厂污染有反复现象，综合污染排名仍为D排污口第1。表6中10月份B排污河的数据变化起伏较大。由表1、表2可知：10月份分为3个主成分，其特征值分别为7.88，4.48和1.64，第一主成分为pH值，TP，Cu，Zn，Cr，Fe，Mn；第二主成分为CODCr，SS，Cd，Ni；第三主成分为NH3-N和TN。第一主成分可以归纳为主要重金属污染，第二主成分主要为无机盐类污染，第三主成分为营养盐类污染。

由表1—表6可知，D排污口为重金属污染和pH值污染相当严重的源点，这与该点pH值呈强酸性吻合，并且氮污染也较为严重。B化工厂为有机类污染，其中CODCr的污染载荷最高，也与实际监测值吻合。C泵站为营养盐污染最严重的点。从综合排名可以看出，D排污口和C泵站排污口在后几个月的污染呈逐渐加重的趋势，B化工厂有缓和的趋势。但是通过几个月的主成分分析可以认为，D排污口是第一主成分的主要污染源点。E化工厂污染的一个曲折性可能与E化工厂的生产状况相关。

2.1.2 各污染源点污染物的主成分分析

由改进的主成分分析法，分析各个排污口重点污染物。污染物排名见表7。D排污口的第一主成分的贡献率为99.829%，因此可以用第一主成分分析综合污染。D排污口排名前3的是CODCr，NH3-N，Cr，反映了该点有机污染严重。从整个污染物来看，D排污口是最为主要的污染源且CODCr是其主要污染现象。综合主成分分析及单因子分析可知，D排污口主要污染物为CODCr，NH3-N，Cr和pH值。C泵站前2个主成分累计贡献率约为85%。可以用前2个主成分表示污染物的综合排名，污染严重的为CODCr，pH值和TP。而由因子分析法可知，C泵站5月份的主要污染现象为氮污染，这与主成分分析稍有出入，可能是数据量不足的缘故。B化工厂采用前2个主成分累计贡献率达到87.216%，因此用其表示综合污染的CODCr，pH值为主要污染物。由于E化厂工缺少一定数据，故不适合进行主成分分析。

表7 排污河污染物综合排名

2.2排污口有机物污染状况的等标污染指数分析

中国大部分主要河流水体中近年也多检出PAEs的存在。调查结果同时显示水体中PAEs的主要成分为DBP和DEHP[12]。基于水样全扫描数据、研究报告及环境中普遍存在的有毒有害物质及其对人体的危害，本实验以邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸异辛酯(DEHP)作为各排污口有毒有害物质的监测项目。

2.2.1 污染源点污染物分析

图1和图2分别为A排污河各排污口PAEs等标污染指数。可以看出A排污河各污染源点在6月、7月、10月份的等标污染指数较高，8月、9月份指数较低。B化工厂无论是DBP等标污染指数还是DEHP等标污染指数均明显高于其他排污口，是A排污河PAEs污染的主要污染源。D排污口和E化工厂次之。

图1 A排污河DBP等标污染指数Fig.1 A sewage river DBP equivalent standard pollution index

图2 A排污河DEHP等标污染指数Fig.2 A sewage river DEHP equivalent standard pollution index

2.2.2 B化工厂主要污染源分析

由于B化工厂为有机污染物的主要污染源，因此对其进行详细分析。B化工排污口水质全扫描图谱见图3和图4。其中图3为非极性物质全扫描谱图，图4为极性物质全扫描谱图。

图3 B化工厂全扫描非极性物质Fig.3 B Chemical factory full scan non-polar substances

图4 B化工厂全扫描极性物质Fig.4 B Chemical factory full scan polar substances

图5 B化工厂PAEs等标污染指数图Fig.5 B PAEs and other standard chemical pollution index chart

图3中，11.547 min出峰物质为八甲基环四硅氧烷，与C泵站检出物相同。图4中，20.259，25.334 min出峰物质均含有羟基与苯环，26.481 min出峰物质为2,4-二叔丁基苯酚。由此可见，B化工排污口中易挥发性有机污染物种类大部分带苯环，对环境危害较大。B化工排污口水质PAEs分析见图5。由图5可见，B化工排污口DEHP污染程度严重于DBP。DBP呈现先降低、后升高的趋势，6月份DBP等污染指数最高，且已超标将近1.4倍，而8月份其指数为0，7月份等标污染指数与10月份类似。DEHP等标污染指数变化规律与DBP类似，6月份最高，超标近2.4倍，7月份和8月份达标排放，等标污染指数将近0.3，9月份含量显著增多，10月份指数有所下降但仍比较大。在监测时段内，6月份DBP超标率均为20%。

3 结 论

通过改进的主成分分析法和有机污染物的等标污染指数分析，对A排污河水质状况进行了研究，得到如下结论。

B化工厂CODCr和pH值为主要污染物；C泵站污染严重的为CODCr，pH值和TP；D排污口主要污染物为CODCr，NH3-N，Cr和pH值；E化工厂的主要污染物为CODCr，NH3-N和Cd。

从综合排名可以看出，D排污口和C泵站排污口在后几个月的污染有逐渐加重的趋势，B化工厂有缓和的趋势。但是通过几个月的主成分分析可以认为，D排污口是第一主成分的主要污染源点。

无论是DBP等标污染指数还是DEHP等标污染指数，B化工厂均明显高于其他排污口，是A排污河PAEs污染的主要污染源。

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Water quality assessment of some city drainage river

HAO Yuan，SUN Yanmin，ZHONG Xiaoqian，PEI Kun，LIANG Liye

(Shijiazhuang Municipal Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang Hebei 050022, China)

The A drainage river in Tianjin is studied. The pollutants in the surface layer of the river sediment is measured, including heavy metals, water quality indexes, DBP and DEHP, by improved principal component analysis method and organic pollution index method. The experimental results show that:(1) The main pollutants of each outfall is different, for example, the B chemical plant' main pollutants are CODCrand pH; the C pump station's main pollutants are TP, CODCrand pH; the D outlet's main pollutants are CODcr, NH3-N, Cr and pH; the E chemical plant's main pollutants are CODCr, NH3-N and Cd. (2)D outfall is the main source of the first component.(3) the DBP and DEHP of B chemical plant are significantly higher than that of other outfalls, which are the main source of PAEs of A drainage river.

principal component analysis method; DBP; DEHP; equal-standard organic pollutant index analysis

1008-1534(2013)05-0391-07

X824

A

10.7535/hbgykj.2013yx0519

2013-04-30;

2013-06-06

责任编辑：陈书欣

郝 园(1986-)，男，河北正定人，硕士，主要从事环境监测方面的研究。

E-mail:523583582@qq.com