郝 園，孫彥敏，仲曉倩，裴 琨，梁立業(yè)

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050022)

某城市排污河水質(zhì)狀況分析評價

郝 園，孫彥敏，仲曉倩，裴 琨，梁立業(yè)

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050022)

以城市排污河道為研究對象，測定了表層沉積物中的重金屬總量、水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)及DBP和DEHP，采用改進的主成分分析法和等標(biāo)有機污染指數(shù)分析對排污河污染狀況進行分析評價。運用改進的主成分分析法找出了主要污染源和主要污染物。結(jié)果表明：不同排污口的主要污染物不同，B化工廠CODCr及pH值為主要污染物；C泵站污染嚴(yán)重的為CODCr，pH值和TP；D排污口主要污染物為CODCr，NH3-N，Cr和pH值；E化工廠的主要污染物為CODCr，NH3-N和Cd。D排污口是第一主成分的主要污染源點，B化工廠無論是DBP等標(biāo)污染指數(shù)還是DEHP等標(biāo)污染指數(shù)均明顯高于其他排污口，是A排污河PAEs污染的主要污染源。

主成分分析法；DBP；DEHP；等標(biāo)污染指數(shù)分析

A排污河數(shù)十年來一直是市政污水的主要受納河體。統(tǒng)計、監(jiān)測資料顯示，該市的市區(qū)及郊縣的化工廠、煤氣廠、造紙廠、印染廠、制革廠、染化廠、電池廠等均直接向A排污河排放工業(yè)廢水，其運行情況直接影響著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活。A排污河為地表水，屬于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)中的V類水體。水體環(huán)境受到諸多指標(biāo)的影響，加大了水質(zhì)評價的難度，客觀、合理評價水體綜合水質(zhì)尤顯重要[1-2]。

主成分分析法是一種成熟的數(shù)據(jù)降維或特征提取的方法，屬于數(shù)理統(tǒng)計的應(yīng)用范疇[3]。主成分分析法能夠較為合理地對評價因子進行賦值，在水質(zhì)評價因子賦值中具有廣闊的應(yīng)用前景。李經(jīng)偉等運用改進的主成分分析法評價了白洋淀水質(zhì)狀況[4]。地表水環(huán)境質(zhì)量評價應(yīng)根據(jù)水域功能類別，選取相應(yīng)類別標(biāo)準(zhǔn)，進行改進的主成分分析評價。近年來發(fā)現(xiàn)酞酸酯可對環(huán)境、生物與食品等形成污染[5]。鄰苯二甲酸酯急性毒性不大，對Ames試驗呈陰性反應(yīng)，但在大劑量情況下，對動物有致畸和致突變的作用，顯示較強的內(nèi)分泌干擾性[6]。

本研究選取A排污河具有代表性的污染源點，對其進行了多種水質(zhì)指標(biāo)以及有機污染物的監(jiān)測。運用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法找出主要污染因子和重要污染源點，初步探討了水質(zhì)的影響因素。其結(jié)果不僅可為該市排污河道的管理和治理提供指導(dǎo)，而且對于重點污染源的治理具有重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1檢測指標(biāo)

選取某年5月到10月期間采集的24個水樣進行分析，按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[7]對水樣進行測定。常規(guī)檢測指標(biāo)：pH值，SS，好氧有機物(CODCr類)，生源要素(TN，TP，NH3-N)，重金屬元素(Cu，F(xiàn)e，Zn，Mn，Pb，Cd，Ni，Cr)；有機物檢測指標(biāo)：鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸異辛酯(DEHP)。

1.2評價方法

目前，水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價有很多方法，本研究采用改進的主成分分析法對排污河水質(zhì)狀況進行評價。采用SPSS軟件進行計算得到各指標(biāo)的特征值、主成分的貢獻率和累計貢獻率。累計貢獻率說明主成分所包含全部指標(biāo)信息的比例。前n個主成分的累計方差貢獻率達到85%以上，就可以充分反映原始數(shù)據(jù)的主要信息。因此，可以利用前n個主成分來對排污河的水質(zhì)污染狀況進行可比性研究。

設(shè)pH值為x1，CODCr為x2，SS為x3，總氮為x4，氨氮為x5，總磷為x6，銅為x7，鋅為x8，鉻為x9，鎘為x10，鉛為x11，鐵為x12，錳為x13，鎳為x14。

主成分分析方法是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進行定量化研究、理論比較完善的多元統(tǒng)計分析方法。改進的主成分分析法是對傳統(tǒng)的主成分分析法的改進，適用于原始變量之間呈現(xiàn)出非線性關(guān)系的情況。它是一種新的評價模型，使得研究有一定的理論及實踐價值[8]。改進的主成分分析可有效地弱化異常值的影響，增強分析結(jié)果的穩(wěn)定性，提高分析的可信度，具有良好的降維效果[9]。

改進的主成分分析法的主要步驟如下：

第一，構(gòu)造水質(zhì)數(shù)據(jù)矩陣X=[x1,x2,…,xp]；

第三，計算矩陣s的特征值和特征向量，并按累計方差貢獻率大于85%來確定一個m值；

第四，寫出前m個主成分計算公式，則第i個主成分為

A=(aij)n×p為單位正交化的特征向量矩陣(e1,e2,e3,…,ep)中的各項，又稱主成分載荷矩陣；

第五，對所選主成分作物理解釋；

第六，求主成分值及綜合主成分值[10]。

2 結(jié)果與分析

A排污河屬于地表水，加之其排放污水的性質(zhì)，按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[11]中的V類水為主要評價依據(jù)，對各個污染源進行水質(zhì)評價。

2.1改進的主成分分析法評價結(jié)果

2.1.1 各斷面間的相對污染程度

據(jù)4月到5月對A排污河4個污染源點采樣和分析得到的數(shù)據(jù)，以污染源點和監(jiān)測指標(biāo)為基礎(chǔ)，建立水質(zhì)數(shù)據(jù)矩陣。

利用SPSS軟件計算得到協(xié)方差矩陣的特征值、特征向量，以及主成分方差貢獻率、累計方差貢獻率。

方差分解主成分提取分析見表1，前m個主成分的載荷矩陣見表2，A排污河污染源點分析結(jié)果見表3—表6。

表1 方差分解主成分提取分析

表2 前m個主成分的載荷矩陣

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

改進的主成分分析中，由于同趨勢化后所有指標(biāo)為正指標(biāo)，所以只需通過計算綜合得分進行排序，無需考慮正負(fù)值關(guān)系，即可得到評價結(jié)果。首先選取A河5月、7月、8月、10月份監(jiān)測數(shù)據(jù)進行主成分分析。由表1可知，5月份第一主成分和第二主成分累計貢獻率達到91.23%，并且10月份累計貢獻率為100%。因此可以用其代表A河重點污染源的綜合污染情況。通過表2的5月份的載荷矩陣可知第一主成分為pH值及CODCr，SS，TP，Cr，Cd，Pb，F(xiàn)e，Mn；第二主成分為TN，Cu，Zn，Ni。由表1—表3可知，B化工廠在第一主成分的污染上最為嚴(yán)重，D排污口在第二主成分的污染最為嚴(yán)重。由表3可知，5月份C泵站總排名第2，且其在第一主成分上排名第2，說明5月份C泵站主要污染現(xiàn)象與第一主成分相關(guān)性較大。E化工廠在5月份的排名均在第4，說明污染相對較輕。

A河7月份數(shù)據(jù)的第一主成分和第二主成分累計貢獻率已經(jīng)超過85%，因此可以用其表征7月份主要污染。由表2可知：第一主成分為Mn，Cu，Ni，Zn，F(xiàn)e，Cr，pH值，CODCr，TP；第二主成分為SS，NH3-N?？梢钥闯?，重金屬污染和pH值指標(biāo)有很大的關(guān)系。同時由表4可知，整個7月份D排污口的第一主成分和綜合排名均為第1，說明其是7月份的主要污染源點，B化工廠為第4污染源點，和5月份相比B化工廠污染暫時減輕，說明污染情況相對于其他點稍微減輕。而D由5月份的綜合第3上升為第1，成為最嚴(yán)重的污染源。E化工廠排名呈上升趨勢。8月份前2個主成分累積貢獻率為92.6%。第一主成分包括SS，TN，NH3-N，TP，pH值，Cu，Zn，Cr，F(xiàn)e，Mn；第二主成分包括Pb，Cd，CODCr。由表5可知，8月份B化工廠污染有反復(fù)現(xiàn)象，綜合污染排名仍為D排污口第1。表6中10月份B排污河的數(shù)據(jù)變化起伏較大。由表1、表2可知：10月份分為3個主成分，其特征值分別為7.88，4.48和1.64，第一主成分為pH值，TP，Cu，Zn，Cr，F(xiàn)e，Mn；第二主成分為CODCr，SS，Cd，Ni；第三主成分為NH3-N和TN。第一主成分可以歸納為主要重金屬污染，第二主成分主要為無機鹽類污染，第三主成分為營養(yǎng)鹽類污染。

由表1—表6可知，D排污口為重金屬污染和pH值污染相當(dāng)嚴(yán)重的源點，這與該點pH值呈強酸性吻合，并且氮污染也較為嚴(yán)重。B化工廠為有機類污染，其中CODCr的污染載荷最高，也與實際監(jiān)測值吻合。C泵站為營養(yǎng)鹽污染最嚴(yán)重的點。從綜合排名可以看出，D排污口和C泵站排污口在后幾個月的污染呈逐漸加重的趨勢，B化工廠有緩和的趨勢。但是通過幾個月的主成分分析可以認(rèn)為，D排污口是第一主成分的主要污染源點。E化工廠污染的一個曲折性可能與E化工廠的生產(chǎn)狀況相關(guān)。

2.1.2 各污染源點污染物的主成分分析

由改進的主成分分析法，分析各個排污口重點污染物。污染物排名見表7。D排污口的第一主成分的貢獻率為99.829%，因此可以用第一主成分分析綜合污染。D排污口排名前3的是CODCr，NH3-N，Cr，反映了該點有機污染嚴(yán)重。從整個污染物來看，D排污口是最為主要的污染源且CODCr是其主要污染現(xiàn)象。綜合主成分分析及單因子分析可知，D排污口主要污染物為CODCr，NH3-N，Cr和pH值。C泵站前2個主成分累計貢獻率約為85%。可以用前2個主成分表示污染物的綜合排名，污染嚴(yán)重的為CODCr，pH值和TP。而由因子分析法可知，C泵站5月份的主要污染現(xiàn)象為氮污染，這與主成分分析稍有出入，可能是數(shù)據(jù)量不足的緣故。B化工廠采用前2個主成分累計貢獻率達到87.216%，因此用其表示綜合污染的CODCr，pH值為主要污染物。由于E化廠工缺少一定數(shù)據(jù)，故不適合進行主成分分析。

表7 排污河污染物綜合排名

2.2排污口有機物污染狀況的等標(biāo)污染指數(shù)分析

中國大部分主要河流水體中近年也多檢出PAEs的存在。調(diào)查結(jié)果同時顯示水體中PAEs的主要成分為DBP和DEHP[12]。基于水樣全掃描數(shù)據(jù)、研究報告及環(huán)境中普遍存在的有毒有害物質(zhì)及其對人體的危害，本實驗以鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸異辛酯(DEHP)作為各排污口有毒有害物質(zhì)的監(jiān)測項目。

2.2.1 污染源點污染物分析

圖1和圖2分別為A排污河各排污口PAEs等標(biāo)污染指數(shù)。可以看出A排污河各污染源點在6月、7月、10月份的等標(biāo)污染指數(shù)較高，8月、9月份指數(shù)較低。B化工廠無論是DBP等標(biāo)污染指數(shù)還是DEHP等標(biāo)污染指數(shù)均明顯高于其他排污口，是A排污河PAEs污染的主要污染源。D排污口和E化工廠次之。

圖1 A排污河DBP等標(biāo)污染指數(shù)Fig.1 A sewage river DBP equivalent standard pollution index

圖2 A排污河DEHP等標(biāo)污染指數(shù)Fig.2 A sewage river DEHP equivalent standard pollution index

2.2.2 B化工廠主要污染源分析

由于B化工廠為有機污染物的主要污染源，因此對其進行詳細(xì)分析。B化工排污口水質(zhì)全掃描圖譜見圖3和圖4。其中圖3為非極性物質(zhì)全掃描譜圖，圖4為極性物質(zhì)全掃描譜圖。

圖3 B化工廠全掃描非極性物質(zhì)Fig.3 B Chemical factory full scan non-polar substances

圖4 B化工廠全掃描極性物質(zhì)Fig.4 B Chemical factory full scan polar substances

圖5 B化工廠PAEs等標(biāo)污染指數(shù)圖Fig.5 B PAEs and other standard chemical pollution index chart

圖3中，11.547 min出峰物質(zhì)為八甲基環(huán)四硅氧烷，與C泵站檢出物相同。圖4中，20.259，25.334 min出峰物質(zhì)均含有羥基與苯環(huán)，26.481 min出峰物質(zhì)為2,4-二叔丁基苯酚。由此可見，B化工排污口中易揮發(fā)性有機污染物種類大部分帶苯環(huán)，對環(huán)境危害較大。B化工排污口水質(zhì)PAEs分析見圖5。由圖5可見，B化工排污口DEHP污染程度嚴(yán)重于DBP。DBP呈現(xiàn)先降低、后升高的趨勢，6月份DBP等污染指數(shù)最高，且已超標(biāo)將近1.4倍，而8月份其指數(shù)為0，7月份等標(biāo)污染指數(shù)與10月份類似。DEHP等標(biāo)污染指數(shù)變化規(guī)律與DBP類似，6月份最高，超標(biāo)近2.4倍，7月份和8月份達標(biāo)排放，等標(biāo)污染指數(shù)將近0.3，9月份含量顯著增多，10月份指數(shù)有所下降但仍比較大。在監(jiān)測時段內(nèi)，6月份DBP超標(biāo)率均為20%。

3 結(jié) 論

通過改進的主成分分析法和有機污染物的等標(biāo)污染指數(shù)分析，對A排污河水質(zhì)狀況進行了研究，得到如下結(jié)論。

B化工廠CODCr和pH值為主要污染物；C泵站污染嚴(yán)重的為CODCr，pH值和TP；D排污口主要污染物為CODCr，NH3-N，Cr和pH值；E化工廠的主要污染物為CODCr，NH3-N和Cd。

從綜合排名可以看出，D排污口和C泵站排污口在后幾個月的污染有逐漸加重的趨勢，B化工廠有緩和的趨勢。但是通過幾個月的主成分分析可以認(rèn)為，D排污口是第一主成分的主要污染源點。

無論是DBP等標(biāo)污染指數(shù)還是DEHP等標(biāo)污染指數(shù)，B化工廠均明顯高于其他排污口，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

責(zé)任編輯：陳書欣

郝 園(1986-)，男，河北正定人，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測方面的研究。

E-mail:523583582@qq.com