河網區(qū)水污染控制影響因素診斷分析

石 全 ，張建華，王會容，張玉珍，顏志俊，張 森 ，沙海明

（1.六安市水利局，安徽 六安 237061；2.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029；3.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；4.南京市水務局，江蘇 南京 210036）

1 河網區(qū)分類及特征

1.1 河網區(qū)分類

河網區(qū)主要指呈網狀結構，同時具有一定空間范圍的網狀水系。由于我國地形多樣，地質構造較為復雜，河網區(qū)的類型也是多種多樣，河網區(qū)主要是由干流及其附近的支流組成，如有湖泊與河流相通，湖泊也是該河網區(qū)的一部分。按照河流位置與流向、流經區(qū)域、支流分布、上下游情況及是否受潮汐影響等因素，我國河網區(qū)分為感潮河網區(qū)和非感潮河網區(qū)2大類。

（1）感潮河網區(qū)。河網內部主要河流下游與海洋交匯、受潮汐流影響的河網區(qū)稱為感潮河網區(qū)。根據感潮河網區(qū)內部主要河流規(guī)模、水文特征及其附近支流的密集程度等因素，感潮河網區(qū)又分為大型感潮河網區(qū)和一般感潮河網區(qū)2類。我國大型感潮河網區(qū)主要有太湖流域河網區(qū)和珠江三角洲河網區(qū)；一般感潮河網區(qū)主要有閩江河網區(qū)、溫黃平原河網區(qū)、韓江三角洲河網區(qū)等。

（2）非感潮河網區(qū)。非感潮河網區(qū)指不受潮汐流影響，處于江河中上游地區(qū)，一般有湖泊與河流相通的河網區(qū)。非感潮河網區(qū)由一個或若干個樹狀河網組成，對于一般樹狀分布河網，上一級河道總是匯入至下一級河道，位于河道下游斷面的流量總是由其上游匯集而至。我國非感潮河網主要有鄱陽湖河網區(qū)、洞庭湖河網區(qū)、成都平原河網區(qū)等。

1.2 河網區(qū)主要特征

（1）河網自然特征。河網地區(qū)一般地勢平坦，河網密布，縱橫交錯，河漫灘發(fā)育，河床較淺，低坡平緩。網狀河流結構是河網地區(qū)的典型地理特征，網狀河流具有比降較小、相互通連、河道穩(wěn)定及具有非常小的坡降和河道寬深比的基本特點。我國東部平原河網地區(qū)，大部分地區(qū)受到潮汐的影響，受潮汐影響的區(qū)域，流向、流態(tài)呈現隨機性變化，易使污染物在河道往復傳播，充分混合，從而影響整片區(qū)域。

（2）水文水環(huán)境特征。河網區(qū)一般水量豐富、流速平緩、流向不定、水質較差。河流流速平緩，水動力條件不足，水體自凈能力較差，易發(fā)生水環(huán)境污染。河網地區(qū)人口密集，工農業(yè)發(fā)達，產生的污水也多。天然的地貌造就了河流縱橫交錯，水流相互通連，在潮汐作用下，水流往復運動，污染物極易傳播，蜿蜒曲折，河道比降小，水流動力嚴重不足，污染物難以迅速排出，容易累積水體遭受污染[1]。

（3）人工干預和調節(jié)影響大。河網區(qū)河流多受人工節(jié)制，水閘工程分隔、調控便利、流動受限。高度的人工控制性，給環(huán)境流量的調節(jié)帶來了正負兩面的影響，正面影響是河流水位抬高、槽蓄水量增加等；負面影響是由于水閘的分隔，河流的連續(xù)性受到破壞，降低了水體的流動性，自凈能力降低等。

2 水污染控制影響因素分析方法

2.1 影響因素識別方法

（1）因果分析圖法。因果分析圖是逐層深入地分析問題產生原因的有效根據，由質量特征、要因、主干、支干等組成，主要通過對重點影響因素的篩選，結合各因素的特征加以分析，分類后進行整理歸納，使之形成層次分明、條理清楚、一目了然的圖形。河網區(qū)水污染排放主要問題的原因，可能出現某種問題或呈現某種狀態(tài)的原因多種多樣，通過采用因果分析圖法，對河網區(qū)水污染排放可能影響因素或存在問題，采用圖示的方法，逐層深入排查可能原因，確定主要影響因素，進而針對性地提出對策和措施，達到水污染物的有效控制，改善河網區(qū)水質。

（2）河網區(qū)水污染控影響因果分析圖繪制。明確河網區(qū)水污染排放所要解決的問題和結果。首先由左至右畫出一條水平主干線，箭頭指向一個矩形框，框內注明研究的問題，即結果；根據影響河網區(qū)水污染排放的各種因素，分析確定影響較大的方面原因；將每種大原因進一步分解為中原因、小原因，直至分解的原因可以采取具體措施加以解決為止；檢查圖中的所列要素和原因是否齊全，對初步分析結果廣泛征求意見，進行必要的補充和修改；選擇影響權重大的關鍵因素，以便重點采取措施加以控制。用因果分析圖來歸納影響河網區(qū)水污染排放要素和問題的因果關系。因果分析識別河網區(qū)水污染控制主要影響因素過程，見圖1。

2.2 影響因素診斷分析方法

河網區(qū)水污染控制的關鍵影響因素，是對區(qū)域水資源特征、開發(fā)利用、節(jié)約保護和污染排放等諸方面綜合分析的基礎上，經過多要素分析而得出的，故需要對河網區(qū)水污染控制指標體系中的影響因素作全面定量分析，計算因素的綜合影響貢獻程度，確定能綜合反映水資源、社會、經濟、環(huán)境相互依存、相互協調關系的指標，使整體結構更為簡單。系統控制關鍵影響因素指標定量診斷分析方法，主要有主成分分析法[2]等。

2.2.1 主成分分析法基本原理

主成分分析是一種模式識別中的降維映射方法，主要是將多維空間的信息在低維（二維或三維）空間表現出來，消除眾多信息相互重疊的部分。將原始變量進行轉換，通過原始變量指標的線性組合，優(yōu)化組合系數，使新的變量指標之間相互獨立且代表性好。

如在一個指標體系中，有n個樣本m個變量，形成指標矩陣X＝[xij]（i＝1，2，...，n，j＝1，2，...，m）。

圖1 因果分析法識別河網區(qū)水污染控制影響因素過程

它們的綜合指標為z1，z2，...，zp（p≤ m），則：

式中：zi和zj互不相關，z1為x1的一切線性組合的方差最大者，并且彼此互不相關。這些新變量z1，z2，...，zp就是原來變量的第一、第二、…、第p主成分。其中zi在總方差中占的比例最大，依次遞減。

2.2.2 主要分析步驟

選取指標及指標的同趨化處理。通過以上指標選取，對與評價目的呈負相關的指標進行同趨化處理。用1/x或1-x代替原指標，保證所有指標得分都對評價目標作正貢獻。

（1）采集數據樣本。設樣本數據為n，對每個樣本收集到的指標數據進行趨同化處理后可得到矩陣為：

式中：Yij代表第i個樣本第j項評價指標數值。

（2）指標標準化處理。由于各指標數據量綱都不一致，數量間的差異很大，需要將不同度量的指標轉化為同度量的指標。使各指標具有可比性。標準化公式如下：

式中（i＝1，2，...，n；j＝1，2，...，m）。

（3）計算相關矩陣。將處理后的指標進行相關性分析，設rij為原來變量xi與xj的相關系數，其計算公式為：

可得相關系數矩陣：

整理得到：R＝XXT（/n-1），為實對稱矩陣（即rij＝ rji）。

（4）計算特征值和特征向量。利用上述相關系數矩陣R，求特征方程|λI-R|＝0的m個特征值 λi（i＝1，2，...，m），按其大小順序排列，即λ1≥λ2≥…≥λm≥0，然后分別求出特征向量e（ii＝1，2，...，m）。

（5）計算主成分貢獻率及累計貢獻率。主成分貢獻率見式（6），累計貢獻率見式（7）。

（6）選擇主成分并計算主成分載荷。設定對主成分所包含的總體信息程度，即累計貢獻率。一般若前p個主成分提供了85%～95%的信息量，則取特征值 λ1，λ2，…，λp。所對應的第一、第二、…、第p（p≤m）個主成分，變量數由m減至p個，產生了降維的效果。

主成分載荷計算式為：

可進一步計算主成分得分：

由此可對影響因素歸類，按照主成分代表的類別進行系統診斷分析。

3 實例分析

太湖流域為我國大型感潮河網區(qū)，涉及江蘇省、浙江省和上海市，總面積36895 km2，是我國經濟社會發(fā)展最具活力的地區(qū)之一。2015年人口5997萬人，占全國總人口的4.4%，GDP為6.69萬億元，占全國總GDP的9.9%，人均GDP11.2萬元，是全國人均GDP的2.3倍。

2015年太湖流域全年水質達到或優(yōu)于Ⅲ類的比例僅為20.3%，主要為氨氮、總磷、高錳酸鹽指數、生化需氧量、化學需氧量和溶解氧等超標[3]。

3.1 影響因素分析數據

針對太湖流域河網區(qū)社會經濟和水污染情況，利用因果分析圖法，河網區(qū)26個水污染控制的影響因素分析數據，見表1[3]。

表1 太湖流域河網區(qū)水污染控制影響因素和分析數據

（續(xù)表1）

3.2 主成分貢獻率和載荷

利用主成分分析方法，計算太湖流域河網區(qū)水污染控制影響因素特征值及主成分貢獻率，見表2。

由表2可知，太湖流域河網區(qū)水污染控制影響因素第一、第二、第三主成分的累計貢獻率已達到85.56%，達到主成分分析規(guī)定要求。根據主成分載荷計算公式得到主成分載荷矩陣，見表3。

表2 特征值及主成分貢獻率

表3 主成分載荷矩陣

（續(xù)表3）

3.3 影響因素診斷分析

根據表2的污染控制影響因素主成分貢獻率，結合表3的主成分載荷值，可以看出：

（1）第一主成分：對污染控制影響的貢獻率為65.85%，其中萬元GDP用水量（X1）、農田畝均灌溉用水量（X4）、人均用水量（X6）、地表水源供水量（X11）、地下水源供水量（X12）、長江引水總量（X13）、錢塘江引水總量（X14）、城鎮(zhèn)居民生活污水排放量（X15）、第二產業(yè)廢污水排放量（X16）、第三產業(yè)廢污水排放量（X17）、廢污水排放總量（X22）、城鎮(zhèn)廢污水處理率（X25）、農田畝均化肥施用量（X26）等13個影響因素的載荷系數在0.9以上，與第一主成分都有較強的正相關或負相關，表明這些因素對太湖流域河網區(qū)水污染控制具有很強的影響效力。

（2）第二主成分：對污染控制影響的貢獻率為12.57%，其中農田灌溉水有效利用系數（X2）、工業(yè)用水重復利用率（X3）、GDP增長率（X7）、人均GDP（X8）、人口（X9）、評價河長水質達到或優(yōu)于Ⅲ類（X19）、省界河流參評斷面水質達到或優(yōu)于Ⅲ類（X20）、區(qū)水全年期水質達標率（X21）、農業(yè)節(jié)水灌溉率（X23）、城鎮(zhèn)廢污水處理回用率（X25）等10個影響因素的載荷系數為0.8～0.9，與第二主成分都有較強的正相關或負相關，表明這些因素對太湖流域河網區(qū)水污染控制具有一定的影響效力。

（3）第三主成分：指標影響貢獻率僅為7.13%左右，其中人均水資源量（X5）、降雨量（X10）和耗水率（X2）等3個因素的的載荷系數為0.7～0.8，表明這些因素對太湖流域河網區(qū)水污染控制影響效力相對較小。

上述分析結果表明，供用水量、廢污水排放量等水資源開發(fā)利用和經濟社會發(fā)展等因素，是太湖流域河網區(qū)水污染控制的關鍵影響因素。

4 結語

河網地區(qū)是我國水資源比較豐富的地區(qū)，密布的河網為社會經濟的快速發(fā)展提供了寶貴資源。河網區(qū)人口密集、經濟發(fā)達，大量工農業(yè)廢污水和生活污水直接或間接排放到河網中，對水體水質和水生態(tài)環(huán)境構成嚴重威脅[4]。河網區(qū)水污染控制的主要措施為：

（1）地表水污染控制。加強河網地區(qū)工業(yè)污染控制，做到增產減污或增產不增污；加大城市污水處理設施建設力度，提高污水處理水平；加強面源污染控制，減少氮、磷排放量；實施排污口整治工程，優(yōu)化入河排污口設置；加強監(jiān)測預警，提高應急處置能力。

（2）地下水污染控制。調整河網地區(qū)供用水格局，將優(yōu)質有限的深層地下水主要用于城鄉(xiāng)居民的生活供水；劃定地下水保護區(qū)，設置衛(wèi)生防護帶；完善地下水資源管理制度，加強對地下水取水的監(jiān)督、檢查；完善地下水監(jiān)測網絡、動態(tài)管理信息和預警系統。

（3）水生態(tài)保護和修復。合理配置河網地區(qū)水資源，優(yōu)化水利工程調度，建設生態(tài)用水保護工程，保障河流生態(tài)基流量和湖庫生態(tài)水位；建設河湖濕地生態(tài)工程，培育水生植被，恢復湖泊、河流水生態(tài)系統功能；健全生態(tài)監(jiān)測與預警網絡體系，維護河湖水生態(tài)系統良性循環(huán)。

參考文獻：

[1]YU Miao，JIN Tong. Principal Component Analysis of Major Pollutants Discharge Amount in Major Cities，Agricultural Science&Technology[J] . 2017，18（7）∶1260-1262 .

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[3]水利部太湖流域管理局 . 太湖流域及東南諸河水資源公報[R] . 2003-2016 .

[4]鄭石，王熒.基于主成分分析的農業(yè)經濟與環(huán)境污染問題研究 [J] . 江西農業(yè)學報，2017，29（6）∶125-130 .