基于主成分分析法的浑河抚顺段多环芳烃来源分析

王绪刚

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006)

随着我国城镇化程度的提高，各种污染物在河流、土壤等环境中不断累积，给居民的身体健康带来严重的威胁。由于多环芳烃污染物具有难挥发、难降解的特性，逐渐引起社会的广泛关注[1]。环境中PAHs(多环芳烃)主要来源包括人为源与天然源，人为源包括某些化工产品的生成与使用、未经燃烧的石油类产品与各种燃料的燃烧，天然源包括火山爆发、天然火灾以及生物、微生物合成等自然活动[2]。而天然源所占比例很小，环境中PAHs主要来源于人为源，因此展开城镇化进程中多环芳烃来源解析研究具有十分重要的意义[3- 4]。本文选取浑河抚顺段与沈抚新城为研究区域，利用同分异构体比值法与主成分分析法对城镇化进程中多环芳烃来源进行解析，为相关研究提供了理论依据。

1 PAHs来源分析方法

1.1 同分异构体比值法

互为同分异构体的多环芳烃通常具有相似的动力学质量转移系数与热力学分配系数，因此能够根据其含量比值来区分不同热源与石油源等[5]。PAHs来源可以通过lnP/(lnP+BghiP)、lnP/(lnP+BaP)、BaA/(BaA+Chry)和Fla/(Fla+Pyr)等比值法进行分析，其标准为：lnP/(lnP+BghiP)<0.2、lnP/(lnP+BaP)<0.2、BaA/(BaA+Chry)<0.2、Fla/(Fla+Pyr)<0.4，PAHs来源为石油输入源；lnP/(lnP+BghiP)>0.5、lnP/(lnP+BaP)>0.5、BaA/(BaA+Chry)>0.35、Fla/(Fla+Pyr)>0.5，PAHs来源为草、木、煤燃烧源；0.2

1.2 主成分分析法

尽管同分异构体比值法能够对PAHs来源进行初步判断，但是容易受大气沉降、生物降解等因素的影响，得到的结论准确性需要进一步完善。利用主成分分析“降维”的思路，根据SPSS软件进行主成分分析等统计学方法分析PAHs来源，能够得到反映原始数据的综合变量，依据方差进行排列，方差最大代表最多的数据信息，依次类推，最后根据各个主成分PAHs的载荷量来分析污染物的来源。通常，NaP(萘)、Ace(二氢苊)和Acy(苊)等PAHs代表石油挥发或者石油泄露；Phe(菲)、Fla(萤蒽)、Ant(蒽)、Chry()、BaA(苯并蒽)、Pyr(芘)等表示煤燃烧的特征指示物；BaP(苯并芘)、dBaAnt(双苯并蒽)和BghiP(苯并ghi苝)代表汽油燃烧；BkF(苯并k萤蒽)、BbF(苯并b萤蒽)和InP(磷化铟)表示柴油燃烧的特征指示物[4- 5]。

2 城镇化进程中多环芳烃来源解析

2.1 利用同分异构体比值法进行解析

由于河流中Chry与BaA不易检测，因此利用lnP/(lnP+BghiP)、lnP/(lnP+BaP)、Fla/(Fla+Pyr)对河流样品进行同分异构体来源分析，结果如图1所示。

图1 河流水体干湿两季PAHs同分异构体比值

由图1可知，河流水体干季中PAHs主要来源于石油燃烧与煤、柴等生物质燃烧，湿季中PAHs同样来源于石油燃烧与草、木、煤燃烧，同时存在部分石油输入源，两季来源差异体现在湿季来源包含石油输入源。浑河抚顺段处于我国严寒地区，河流结冰现象普遍，环境中PAHs很难迁移至水中，因此干季水体中累积的PAHs来自燃烧源；由于湿季温度高，PAHs能够伴随大气沉降进行迁移进入水体。我国城市依河而建，河流中PAHs多数来源于人类活动，因此两季来源差异与季节变化相关。

由于研究区干、湿两季中Fla、Chry、BaA、Pyr、BaP、BghiP、Inp等PAHs单体检出率较高，所以使用lnP/(lnP+BaP)、lnP/(lnP+BghiP)、Fla/(Fla+Pyr)和BaA/(BaA+Chry)四种同分异构体比值对表层土壤PAHs进行分析，结果如图2所示。

图2 沈抚新城干湿两季PAHs同分异构体比值

由图2可知，沈抚新城干季土壤中PAHs主要来源于石油燃烧与草、木、煤等生物质燃烧，部分来源于石油输入，湿季土壤中PAHs皆来源于石油燃烧与草、木、煤等生物质燃烧。干季采样时沈抚新城处于寒冬供暖期，草、木、煤等生物质燃烧向空气中排放大量PAHs，另外，沈抚新城处于城市转变过渡时期，一些现代化器械的使用必然会带来石油燃烧PAHs；湿季中不存在石油输入源PAHs，这是由于季节更迭，温度变化，使得石油输入源PAHs发生迁移，因此没有检测到石油输入源，而具体的PAHs来源与当地气候、居民生活方式有很大关系。

2.2 利用主成分分析法进行解析

通过软件SPSS19.0结合方差极大正交旋转法进行河流多环芳烃成分分析，提取特征值根大于1的主因子，得到河流干湿两季水体主成分因子载荷，结果见表1。

表1 河流干湿两季水体样品方差极大旋转后的主成分因子载荷

由表1可知，河流干季水体PAHs的三个成分累积解释了方差变量的97.137%，其中成分1解释了方差变量的73.385%，成分1的载荷较大指示物有FI、Ant、Phe、Chry、BaA、BaP、BkF、BbF、dBaAnt、BghiP和Inp，分别代表煤炭燃烧和机动车排放；成分2解释了方差变量的17.818%，贡献较大的为Fla与Pyr，划分为煤炭燃烧；成分3解释了方差变量的6.034%，载荷最大为NaP，代表石油泄露。河流湿季水体PAHs的三个成分累积解释了方差变量的87.458%，其中成分1解释了方差变量的56.666%，成分1的载荷较大指示物包括Phe、Fla、Ret、Chry、BaA、BbF等，同样代表煤炭燃烧和机动车排放；成分2解释了方差变量的16.854%，载荷较大为Ace、Dibt和FI，划分为石油泄露；成分3解释了方差变量的13.938%，载荷最大为MNaP1、MNaP2、NaP和Acy，划分为石油泄露与大气沉降。

以上可知，河流水体多环芳烃来源分析结果与同分异构体分析结果一致，并且比同分异构体比值法更加透彻。相对浑河抚顺段来说，由于湿季中增加了大气沉降源，表明季节变化能够对水体中PAHs产生一定的影响；干季中煤炭供暖必然会成为多环芳烃的主要来源；干湿两季都包含石油泄露输入与机动车排放，这与浑河船舶航运以及两岸机动车行驶密不可分。

利用同种方法对沈抚新城干、湿两季表层土壤PAHs进行主成分析，结果见表2。

由表2可知，沈抚新城干季表层土壤中PAHs的三个成分累积解释了方差变量的94.421%，其中成分1解释了方差变量的76.310%，成分1的载荷较大指示物有Ace、Acy、Dibt、FI、Fla、Ant、Chry、BaA、Pyr、BaP、BbF、dBaAnt、Pery、BghiP、Inp，划分为机动车排放与煤炭燃烧；成分2解释了方差变量的13.959%，贡献较大的为MNaP1、MNaP2、NaP，代表大气沉降与石油泄露；成分3解释了方差变量的4.152%，载荷最大为NaP，代表石油泄露。抚新城湿季表层土壤中PAHs的三个成分累积解释了方差变量的92.109%，其中成分1解释了方差变量的68.325%，成分1的载荷较大指示物包括Ace、Phe、Dibt、Ant、Chry、BaA等，表明成分1代表机动车排放与煤炭燃烧；成分2解释了方差变量的18.623%，载荷较大为MNaP1、MNaP2、NaP与Fla，划分为柴油燃烧与石油泄露；成分3解释了方差变量的5.161%，载荷最大为NaP、Ace、Dibt和FI，划分为石油泄露与大气沉降。

表2 沈抚新城干湿两季土壤样品方差极大旋转后的主成分因子载荷

综上可知，与同分异构体法相比，主成分分析法的分析结果更加具体化。沈抚新城干湿季表层土壤中PAHs来源存在一定的差异，湿季主要来源为石油泄露与大气沉降混合源、石油泄露与柴油燃烧混合源以及煤燃烧与机动车排放混合源，干季主要来源为石油泄露输入源、石油泄露输入与大气沉降混合源和煤燃烧与机动车排放混合源，两季差异在于柴油燃烧源。

3 结语

本文介绍了同分异构体比值法与主成分分析法，对浑河抚顺段与沈抚新城干湿两季河流与土壤中多环芳烃进行来源解析，得到以下主要结论：

(1)利用同分异构体比值法进行城镇化进程中多环芳烃来源解析，发现河流水体干湿两季中PAHs皆来源于石油燃烧与煤、柴等生物质燃烧，而湿季中PAHs来源存在部分石油输入源；沈抚新城干湿两季土壤中PAHs来源于石油燃烧与草、木、煤等生物质燃烧，湿季并未发现石油输入源，原因是季节变化影响了石油输入源PAHs的迁移。

(2)利用主成分分析法进行城镇化进程中多环芳烃来源解析，得到河流与土壤中主成分因子荷载。结果表明，浑河抚顺段湿季PAHs来源增加了大气沉降源，与季节变化密切相关。沈抚新城干湿两季表层土壤中PAHs来源包括石油泄露与大气沉降混合源、石油泄露与柴油燃烧混合源以及煤燃烧与机动车排放混合源，差异在于湿季PAHs来源包括柴油燃烧源。

(3)分别通过同分异构体比值法与主成分分析法进行城镇化进程中多环芳烃来源解析，虽然两种方法得到的分析结果一致，但是主成分分析法得到的结果更加直观、更加具体、更加透彻，为相关研究提供了理论依据。

[1] 姚杰. 宁波市水功能区纳污能力及限制排污总量研究芯里研究[J]. 中国水能及电气化, 2016(10): 22- 25．

[2] 牟真, 胡丽丽. 沧州沿海各河流污染状况与解决途径[J]. 水利建设与管理, 2012(09): 85- 86．

[3] Duodu G O, Ogogo K N, Mummullage S, et al. Source apportionment and risk assessment or PAHs in Brisbane River sediment, Australia[J]. Ecological Indicators, 2017, 73: 784- 799．

[4] 王成龙, 邹欣庆, 赵一飞, 等. 基于PMF模型的长江流域水体中多环芳烃来源解析及生态风险评价[J]. 环境科学, 2016, 37(10): 3789- 3797.

[5] 崔杰石. 基于SWAT模型的汤河流域面源污染时空分布研究[J]. 水利规划与设计, 2016(02): 4- 6+29．

[6] 曲子良. 基于改进的水量水质耦合模型的流域非点源污染时空模拟研究[J]. 水利技术监督, 2017, 25(03): 92- 96．

[7] 宋晓光. 阜新市河流地表水污染现状评价及其控制措施研究[J]. 水利技术监督, 2017, 25(01): 134- 137．

[8] 何造胜. 论海绵城市设计理念在河道水环境综合整治中的应用[J]. 水利规划与设计, 2016(01): 39- 42．