基于标识指数法的辽河流域水质评价

李 硕

(辽宁省葫芦岛市平山供水有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125000)

水质评价及污染源解析可为流域水环境管理提供数据信息支持，有利于实现水环境质量的精准、全面、科学地评价。目前，我国比较常用的水质评价方法有综合水质标识指数法、罗斯和内梅罗水质指数法等，其中应用较为成熟且最为广泛的是综合水质标识指数法[1-2]。借鉴相关文献，对于污染源解析应用较为成熟的是多元统计分析法[3]。近年来，辽河流域的水环境问题日益突出，特别是河流城市段污染排放较集中，沿途接纳了辽阳、营口、沈阳、铁岭、抚顺、盘锦、鞍山等城市生产生活污废水，严重破坏了流域水生态功能，河流水质受到污染[4]。

虽然评价分析辽河流域水质的研究有很多，但大多选用单一的方法探讨部分水系状况，综合应用多元统计法与水质标识指数法的还鲜有报道[5-6]。鉴于此，本文将污染物源解析与辽河流域水质评价相结合，考虑流域水系特点选择NH3-N、BOD5、COD等6项典型指标，并以判别分析法为辅、以水质标识指数法为主，对流域干流水质及其主要污染物来源用多元统计分析法进行研究，旨在实现辽河流域污染物“追根溯源”的目标。

1 研究方法

1.1 数据来源

研究数据来源于2018-2020年环境质量报告，依据国家水质监测标准进行采样及测试。考虑辽河流域水系特点选择干流省控断面25个点位，每个点位选取石油类、挥发酚、CODMn、NH3-N、BOD5、COD等6个水质分析参数，相关数据共计450个。为便于计算评价，主要分析数据取2018-2020年三年的水质参数算术平均值。

1.2 研究方法

1)水质标识指数法。该方法是综合考虑单因子水质标识指数分析流域水质的一种数学方法，其计算表达式为：

Iwq=X1·X2X3X4

(1)

(2)

式中：X1代表流域综合水质类别；X2代表X1类水质类别内综合水质达到的水平；X3代表未达到功能区目标的单因子个数；X4代表水功能区类别的比较结果，X4代表2位或1位有效数字；代表单因子i的水质指数。根据Iwq的整数位和小数点后第1位(X1·X2)即可判定综合水质级别，其判定依据如下：劣Ⅴ类不黑臭：6

2)判别分析法。该方法是应用测量或观察到的若干变量值来判别决策样本状况的方法，其主要原理是在明确决策样本变量值和分类特征的情况下，选择出携带更多信息的变量建立判别函数，并最大程度地减小观测量所属类别判定时的错判率。

3)多元统计法。该方法是依据观测信息之间的相互关系来生成反映排放源因子或源成分谱，如FA因子、PCA主成分等。一般地，监测的污染源满足解析条件时都可以用于污染物来源解析，其中Exner方程、被分析因子的方差累计贡献和特征值决定了解析结果。实际应用时，要求被分析因子的方差累计贡献率接近100%、特征值大于1以及包含的因子数量较多，选取贡献率超过85%的因子组合即可满足解析要求。本文选用SPSS 12.0、Origin 8.0和Excel2010等分析工具，利用FA因子分析法完成流域水质污染源解析。

2 结果与分析

2.1 流域水质现状

(1) 水质达标率。各点位综合水质标识指数利用文中相关公式进行计算，结果如图1。考虑综合水质级别判断依据确定25个点位水质情况，具体如下：Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类水质点位依次有1个、1个、2个、9个、10个、2个，占整个监测点位比例依次为4%、4%、8%、36%、40%、8%。根据水功能区目标确定达标点位共有18个，水质达标率达到72%，表明辽河流域干流水质能够满足水功能区目标要求。

图1 各监测点位的综合水质标识指数

水质定性分析。根据水功能区类别定性评价水体污染或清洁程度，可以划分成重度污染、中度污染、轻度污染、优良4级。考虑综合水质标识指数、水功能区目标以及辽河流域水系特点，进一步对25个点位水质进行分级，分级标准为重度污染：X1·X2>7；中度污染：4

按照综合水质标识指数Iwq进一步将25个点位划分成4组，即重度污染、中度污染、轻度污染、水质优良组点位有2个、19个、2个、2个，占整个监测点位比例依次为8%、76%、8%、8%。然后应用SPSS软件检验分析以上分组结果，如表1。结果显示，第1个判别函数有统计学意义，其显著概率0.006满足小于0.05的要求，其它两个判别函数无统计学意义，其显著概率均超过0.05。

表1 SPSS检验分类结果

结合表1数据，重度污染组4、中度污染组3、轻度污染组2、优良组1的判别正确率依次为100%、79%、100%、100%，判别正确率整体较高，平均值达到95%，表明依据上述标准分析具有较高的可靠度和可行性。研究表明，参与评价的25个点位以中度污染为主，中度污染点位所占比例达到76%，说明辽河中下游水环境问题比较突出，相关管理部门应加强水污染治理。

2.2 典型污染源解析

1)正态分布检验。对于数据分布统计分析理论有一定要求，所以有必要对数据的正态分布有效性利用SPSS软件进行探索性分析，如表2。一般地，考虑探索性检验要求时符合正态分布特征的指标数据显著概率大于0.05。

表2 正态分布检验

结果显示，25个点位的理化指标显著概率均超过0.05且参与分析的数据总体符合正态分布特征。

2)Bartlett’s Sphericity和Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)检验。通过Bartlett’s Sphericity和Kaiser-Meyer-Olkin检验验证因子分析的适用性，研究认为KMO值大于0.7、0.5～0.7、小于0.5时适合、比较适合、不适合因子分析。对于相关性矩阵是否为单位矩阵Bartlett’s Sphericity检验具有较好适用性，若是单位则不适于因子分析。检验结果显示，数据显著概率小于0.05的Bartlett’s Sphericity和KMO检验值分别为135.486、0.581，对于因子分析以上数据具有较好适用性。

3)主因子命名及总方差解释。考虑主成分提取标准，被分析因子的方差累计贡献率应趋近100%，特征值不得小于1，前3个主成分提取结果如表3。第一主成分体现了56.72%的总方差，其中CODMn、BOD5、COD的因子载荷较高，依次为82.1%、94.5%、94.8%，故将耗氧有机物命名成第一主成分；第二主成分体现了18.36%的总方差，其中NH3-N的因子载荷较高，达到89.6%，将富营养化因子命名成第二主成分；第三主成分体现了17.51%的总方差，其中挥发酚的因子载荷较高，达到82.6%，结合相关数据可将有毒有机物命名成第三主成分。

表3 因子载荷、总方差与旋转载荷矩阵

结合以上分析结果，辽河流域典型污染物包括有毒有机、化肥农药和耗氧有机污染物，这也是流域中下游主要污染物。

4)污染源及管控措施。辽河流域辽河段的COD、BOD5相对其它指标单因子水质标识指数较大，所以该河段的主导污染物为第一主成分。辽河干流段沿途多大中城市，其工业区规模大、城镇人口密集、畜牧业和造纸行业所占比例较大，排放的污废水中耗氧有机物含量较高，加之生活与工业具有较大的需水量，水处理系统面临着较大的负荷。因此，在维持供求关系不变的情况下，解决该河段水污染问题的关键是提高污水处理能力以及减少污染行业数量，加快推进节约用水。辽河流域大凌河段和浑河段的NH3-N相对其它单因子水质标识指数较大，所以该河段的主导污染物为第二主成分。该河段冶金、石化和造纸行业所占比例较大，工业生产排放的废污水中含有大量的NH3-N，致使周边水质较差。因此，应从加强相关行业监管和污染物排放控制等角度入手，采取有效措施解决水污染问题。辽河流域太子河段的挥发酚相对其它单因子水质标识指数较大，所以该河段的主导污染物为第三主成分。该河段建有北台、本溪等钢铁厂，实际生产过程中排放的废水含有大量挥发酚，并使得周边水体较差。

综上分析，工业废水和城市生活污水中的耗氧有机物污染、冶金厂、石油厂、造纸厂及炼钢厂的生产废水污染为第一、第二、第三主成分的来源，生产监测过程中相关部门要加强管理与控制。

3 结语

(1)辽河干流的整体水质达标率为72%，参与评价的点位以中度污染为主，特别是辽河中下游水环境问题比较突出，相关管理部门应加强水污染治理。耗氧有机物、富营养化因子和有毒有机物3种典型污染物对流域污染的贡献率依次为56.72%、18.36%、17.51%。

(2)炼钢厂的生产废水所形成的有毒有机污染物，石油化工厂、冶金厂、造纸厂排放的富营养化污水以及城市生产生活污水中的耗氧有机物为辽河流域3种典型污染物的来源，其作用的河段依次为辽河流域太子河段、大辽河段与浑河段、辽河段，应考虑不同河段特点采取行之有效的污染物控制措施。