運(yùn)用主成分分析法評價(jià)渾河水體中重金屬污染來源

張鴻齡，孫麗娜，趙國蘋

（1.沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110044；2.沈陽市環(huán)境保護(hù)局 東陵分局，遼寧 沈陽 110015）

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，由于人類活動的影響而進(jìn)入到河流水體環(huán)境中的污染物越來越多，造成水環(huán)境的污染.重金屬在水體中具有很高的穩(wěn)定性和難降解性，可以在水體沉積物中不斷積聚，當(dāng)累積到一定的程度就會對水體生物系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，并可通過食物鏈直接或間接地影響人類身體健康，因此，水體重金屬污染已經(jīng)成為世界上較嚴(yán)重的環(huán)境問題之一［1］.

渾河發(fā)源于遼寧省東部撫順市清原縣的滾馬嶺，屬高度受控河流，干流上游建有大伙房水庫，是下游撫順、沈陽、鞍山等7個(gè)城市的飲用水源地.另外，渾河還是重要的地下水補(bǔ)給水源，沈陽段沿岸分布著作為飲用水源的地下水取水井，其取水量占沈陽市取水總量的70%［2］.因此，渾河水質(zhì)狀況直接影響著周邊地區(qū)人群的身體健康.然而，由于近年來工礦企業(yè)不達(dá)標(biāo)污水的直接排放，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)藥、化肥大量施用，生活污水及生活垃圾的不定點(diǎn)排放等不合理資源開發(fā)利用活動，致使渾河流域水質(zhì)遭受不同程度的污染［3］.本文采用主成分分析法對渾河水體中重金屬分布及來源進(jìn)行研究，不但可以明確渾河水體重金屬的污染程度、主要污染物類別，并可對各控制斷面的綜合污染程度進(jìn)行排序，或?qū)ν粩嗝嬷胁煌廴疚锏奈廴境潭冗M(jìn)行排序，以找出優(yōu)先控制斷面或優(yōu)先控制指標(biāo)［4］，這對于開展渾河流域水體的污染防治及改善河流水質(zhì)具有重要的理論指導(dǎo)意義.

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

渾河發(fā)源于撫順市清原滿族自治縣灣甸子鎮(zhèn)滾馬嶺，流經(jīng)清原、新賓、撫順、沈陽、遼中、海城、臺安等市縣，在三岔河與太子河匯合入大遼河，流域面積1.22×104km2，干流全長415.4km.流域內(nèi)山丘占67%，平原占33%，處于大陸性季風(fēng)氣候條件下，年均氣溫和多年平均降水量分別為9℃和686.4mm.大伙房水庫位于渾河上游，目前是撫順和沈陽市區(qū)供水的重要來源.在非農(nóng)業(yè)灌溉季節(jié)，上游的大伙房水庫停止放水，河道水量較小，基本上屬于撫順市和沈陽市廢水的排放河道［5］.

采樣點(diǎn)沿渾河流域布控，從渾河上游清原上開始，共設(shè)置14個(gè)監(jiān)測斷面（9個(gè)干流斷面和5個(gè)主要支流斷面），如圖1所示.具體采樣時(shí)間、樣品分析方法、重金屬含量等詳見張鴻齡等［5］的研究結(jié)果.

圖1 渾河水系采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Study area and sampling locations in the Hunhe River

1.2 研究方法

主成分分析法（Principal Components Analysis）是一種通過降維技術(shù)把多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)主成分的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，能夠在最大限度地保留原始數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，對高維變量進(jìn)行綜合和簡化，并且能夠客觀地確定各指標(biāo)的權(quán)重，避免主觀隨意性，較其他方法有一定的優(yōu)越性，是環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)的一種簡單有效的方法［6］.在數(shù)學(xué)變換中保持變量的總方差不變，使第一個(gè)變量具有最大方差，稱為第一主成分，第二個(gè)變量的方差次之，并和第一個(gè)變量不相關(guān)，稱為第二主成分，以此類推，最后一個(gè)主成分方差最小，且與此前的主成分均不相關(guān)［7］.

假定有n個(gè)待評水體樣本，每個(gè)樣本共有p個(gè)指標(biāo)變量，則構(gòu)成了一個(gè)n×p階的水質(zhì)數(shù)據(jù)矩陣：

原變量為 X1，X2，X3，…，Xp，設(shè)定它們降維處理后的綜合指標(biāo)（即新指標(biāo)）為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)m（m≤p），則

式中，F(xiàn)i與Fj（i≠j；i，j＝1，2…，m）線性無關(guān)；F1是上述X1，X2，…，Xm的一切線性組合中方差最大者，以此類推，F(xiàn)m是方差最小者.這樣得出的新指標(biāo)變量F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)m分別稱為原始變量的第1、第2、第m 主成分（F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m）［8-9］.

在水體環(huán)境中，影響水環(huán)境質(zhì)量變化的因素多種多樣，其中有些是主要因素，有些是次要因素，這些因素往往來自同一個(gè)總體.根據(jù)主成分分析法原理，可以將原始因素或變量線性組合為若干個(gè)彼此獨(dú)立的、且包含原始因素信息的新的綜合因素或變量，從而對原始的變量因素進(jìn)行提取和簡化，實(shí)現(xiàn)對水樣數(shù)據(jù)的可比性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值與特征向量以及貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率

以渾河每個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面的監(jiān)測值作為一個(gè)樣品，自渾河的源頭滾馬嶺到于家房共設(shè)置14個(gè)監(jiān)測斷面，結(jié)合遼寧地區(qū)地表水環(huán)境質(zhì)量特點(diǎn)，選取Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As和Cr 7種重金屬作為監(jiān)測指標(biāo).運(yùn)用SPSS軟件求出14個(gè)監(jiān)測斷面7種重金屬質(zhì)量濃度間的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣（見表1），再以水體中的重金屬質(zhì)量濃度為變量進(jìn)行方差極大正交旋轉(zhuǎn)后得出主成分分析計(jì)算結(jié)果，根據(jù)特征方差累計(jì)貢獻(xiàn)率確定選取主成分的個(gè)數(shù)（見表2）.由表2可知，第一、二、三前三個(gè)因子的特征值分別為2.365、1.640和1.327，均大于1，方差貢獻(xiàn)率分別為33.780%，23.431%和18.951%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為76.162%.因此，可以認(rèn)為這3個(gè)主因子反映了原始數(shù)據(jù)的基本信息.

表1 相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 Matrix of the correlation coefficients

表2 特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率Table 2 The eigenvalues，contribution tates and accumulated contribution rates of heavy metals

2.2 主成分載荷

從主成分載荷大小來看，與第一主成分密切相關(guān)的是Cu和Cd，它們與第一主成分的相關(guān)系數(shù)絕對值都超過了0.90（見表3），說明第一主成分主要反映了Cu和Cd的污染信息.而且由表1可知，Cu和Cd相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.725，表明第一主成分同時(shí)支配著水體中重金屬Cu、Cd的來源.表2可知，第二主成分F2因子的方差貢獻(xiàn)率為23.431%，該因子變量在As和Hg上有較高的正載荷（見表3），As和Hg的相關(guān)性為0.443（見表1）.與第三主成分相關(guān)的是重金屬Pb，它與第三主成分的相關(guān)系數(shù)絕對值超過了0.70，且呈正相關(guān).

表3 主成分載荷值Table 3 Loading values of the principal components

從表2方差貢獻(xiàn)率可以看出，第一主成分方差貢獻(xiàn)率為33.780%，第二主成分方差貢獻(xiàn)率為23.431%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他成分的貢獻(xiàn)率.因此，渾河水體中重金屬污染主要受第一主成分Cu和Cd控制，其次是As和Hg.

2.3 水質(zhì)綜合評價(jià)結(jié)果

根據(jù)主成分1、主成分2和主成分3特征值大小做加權(quán)和，求得各斷面重金屬元素的綜合得分（見表4），依據(jù)綜合得分大小進(jìn)行了重金屬污染程度的斷面排序，得分越大，表明水體重金屬污染程度越嚴(yán)重［10-11］，由此對渾河斷面的污染程度進(jìn)行分級.

由各監(jiān)測斷面的因子得分結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因子F1在北雜木、七間房和七臺子得分較高.Cu和Cd污染物主要來源于采礦、電鍍等排放的廢水［12］，由于撫順紅透山銅礦位于清原縣，采礦廢水及尾礦壩廢水排入渾河清原段，因此位于渾河上游的北雜木河段水體可能受礦山廢水影響較大.七間房是撫順市的出市斷面，接納了上游及撫順市區(qū)的各類污水，因此該處的水體污染較嚴(yán)重.因子F2反映了23.43%的變異，主要反映了As和Hg的污染信息.由表4可以看出章黨河口、阿及堡和清原上F2因子得分較高，特別是章黨河口.根據(jù)采樣時(shí)對周邊環(huán)境的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段主要以農(nóng)田種植為主，水體受到農(nóng)藥、化肥的影響較大，而且撫順縣化肥廠的總排口也設(shè)置在章黨河，因此判斷該河段汞和砷的污染可能主要來源于化肥廠排污及農(nóng)田的化肥和農(nóng)藥徑流.因子F3反映了Pb的污染信息，對照因子得分結(jié)果清原上、阿及堡、東洲河口和東陵大橋有較高的F3因子得分.

根據(jù)各因子的特征值大小做加權(quán)和，求得各斷面重金屬元素的綜合得分，從表4可以發(fā)現(xiàn)14個(gè)監(jiān)測斷面重金屬污染綜合排序表現(xiàn)為：七間房＞章黨河口＞東洲河口＞北雜木＞于家房＞戈布橋＞東陵大橋＞砂山＞于臺＞清原上＞七臺子＞出庫口＞古樓＞阿及堡.七間房作為撫順市的出市斷面，其重金屬污染最嚴(yán)重，其次為章黨河口與東洲河口，而出庫口、古樓和阿及堡重金屬污染最輕.

從該污染排序來看，渾河流域撫順區(qū)段水體的重金屬污染大于沈陽區(qū)段，特別是七間房斷面.而渾河上游河段重金屬污染較輕.

表4 渾河各監(jiān)測斷面重金屬污染綜合得分及排名Table 4 Integrated evaluation results of water quality at all the monitoring sections

3 結(jié) 論

通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)主成分反映了渾河水體中重金屬的分布情況，它們的貢獻(xiàn)率分別為33.780%、23.431%和18.951%.第一主成分主要反映了Cu和Cd的污染信息，第二主成分主要反映了As和Hg的污染信息，Pb主要受第三主成分支配.

通過因子得分分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了因子F1在北雜木、七間房和七臺子得分較高，表明渾河水體中Cu和Cd主要來自于采礦廢水、尾礦壩廢水和工業(yè)廢水；因子F2在章黨河口、阿及堡和清原上斷面的得分較高，表明As和Hg的污染源主要來自農(nóng)藥和化肥，是化肥廠排污及農(nóng)田施加化肥和農(nóng)藥造成的結(jié)果.

14個(gè)監(jiān)測斷面重金屬污染綜合排序表現(xiàn)為：七間房＞章黨河口＞東洲河口＞北雜木＞于家房＞戈布橋＞東陵大橋＞砂山＞于臺＞清原上＞七臺子＞出庫口＞古樓＞阿及堡.七間房作為撫順市的出市斷面，接納了撫順市和上游的各類生活污水和工業(yè)廢水，重金屬污染最嚴(yán)重.章黨和東洲河口次之，而上游的出庫口、古樓和阿及堡斷面重金屬污染最輕.總體上來看，渾河流域撫順區(qū)段水體的重金屬污染要大于沈陽區(qū)段.

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