基于因子分析法的河道水質(zhì)污染情況分析

(凌源市水務(wù)局，遼寧 朝陽 122500)

河道可為城鎮(zhèn)供水提供水源，關(guān)系到城市用水安全和市民的生活質(zhì)量。河道在城市中起著重要作用，不僅在美化城市環(huán)境，減輕城市熱島效應(yīng)等方面發(fā)揮積極作用，而且還對整個城市的生態(tài)環(huán)境有著重要作用。河道治理不只是對自身城市有著影響，還會影響下游城市和其他河道[1]。研究河道中各個污染物之間的聯(lián)系和變化趨勢對于制定河道治理方案意義重大。城市河道水質(zhì)在外部環(huán)境和自身條件的影響下會發(fā)生明顯的變化。

隨著科技的進步，越來越多的技術(shù)和方法被應(yīng)用到了河道治理上，具體的黑臭河道治理技術(shù)舉例如下。?原位覆蓋技術(shù)：始于20世紀70～80年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)實生活中，其在治理流速慢、污染程度低的河流中成效顯著。但這種技術(shù)在我國起步晚，還沒有比較成功的案例[2-3]。?物理方法：現(xiàn)如今大多數(shù)城市治理河道的方法還是選擇定期清理河道，雖然在短期內(nèi)對河道水質(zhì)有一定功效，但是對河道治理沒有根治作用[4]。?化學(xué)方法：運用化學(xué)試劑來中和污水中的化學(xué)成分，但很容易造成二次污染，并且試劑的量并不能準確掌握[5]。因此，在河道治理時首先應(yīng)該了解河道受污染情況和污染的成分，在此基礎(chǔ)上制定合理的治理方案。選擇大凌河作為研究對象，在河道代表性特征斷面進行實地檢測，對水質(zhì)和河底淤泥中污染物進行特征性研究，檢測指標主要包括氮化物、磷化物、氨類等，將檢測到的實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)計分析。研究結(jié)果對城市河道污染治理具有一定參考價值。

1 實驗方法

1.1 河道斷面的選取

在選取河道斷面時要選取一個能夠保證常年有水的河道并且能夠應(yīng)對不同水位、水量的河床。為了滿足實際要求，斷面的選取要保證連續(xù)性、有效性。大凌河流域位于我國遼寧西部，主干河流包括：大凌河、老虎山河、牛亡牛河等。大凌河流經(jīng)阜新、朝陽、北票、凌源、喀左、建昌等縣區(qū)，需要接納上述地區(qū)排放的工業(yè)廢水、城市生活污水及農(nóng)業(yè)污水，其中工業(yè)廢水和城市生活污水大多經(jīng)過污水處理后排放，而農(nóng)業(yè)污水一般未處理直接排放，因此大凌河水質(zhì)污染嚴重。由于遼寧地區(qū)水資源相對匱乏，一年大部分時間河道水量都比較小，但洪水來臨時又有較大流量，從防洪角度考慮又需要有較寬的河道斷面。目前，大凌河河道斷面的結(jié)構(gòu)包括矩形斷面、梯形斷面、復(fù)合型斷面，根據(jù)不同地區(qū)河道水量特點、流經(jīng)位置和受污染狀況，在河道不同位置隨機選取6個檢測點進行研究。

1.2 樣品采集

用水樣采集器和底泥采集器收集水樣和淤泥樣品，淤泥采集深度為10～20cm，每一個檢測點選取3～5份樣品，減小人為因素所導(dǎo)致的誤差。水樣取水30～50ml，淤泥樣品選取30～40g，將采集好的樣品貯存在冰箱中備用。

1.3 檢測方法

在監(jiān)測中常常需要檢測的是水體的pH值，當水體受到污染后pH會發(fā)生明顯的變化。pH值一般用pH計檢測；COD采用重鉻酸鉀法測量水中有機物的相對含量；TN采用紫外分光光度計檢測法測量水樣中懸浮物和可溶性物質(zhì)中的含氮總量；TP采用鉬銻抗分光光度法測量水體中懸浮物和可溶物的含磷總量；NH3-N采用納氏試劑分光光度法測量水體中氨氮含量。采樣點上覆水和底泥中污染物檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 大凌河河道上覆水和底泥污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)

注在水樣中除pH外其他檢測指標的數(shù)據(jù)單位為mg/L；NH3-N的測量數(shù)據(jù)單位是g/Kg。

從表1中可以看到，對于pH、TN、NH3-N這三個檢測指標來說，9月的數(shù)據(jù)要小于3月，這和季節(jié)有很大的關(guān)系。夏季時河流水量大流速快，水質(zhì)的更新快，水質(zhì)狀況相對較好。在春冬季時降水少氣候干旱，河水流量小，大量污染物囤積在河道無法流走使河道受到嚴重污染。對于TP、COD這兩個檢測指標來說，9月的檢測數(shù)據(jù)也要小于3月，而底泥的檢測數(shù)據(jù)正好相反。9月的河道受污染情況明顯小于3月，這主要受到光照時間、降水量、生物活性等因素的影響。

2 河道水體及底泥污染情況分析

2.1 分析方法

河道污染問題是一個十分復(fù)雜的問題，要想解決河道污染必須要整體考慮、開展可靠地數(shù)據(jù)分析。目前，常用的河道水體及底泥污染分析方法包括：單因子評價法、模糊綜合評價法、系統(tǒng)聚類分析法等。單因子評價法是將測量結(jié)果和標準值進行比較，選取最差的類別作為評價結(jié)果，此方法雖然計算簡單方便，但不能真實反映河道受污染情況。模糊綜合評價法屬于多因子分析法，選取水質(zhì)參評指標，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，其可以很好地解決模糊問題，但難以解決量化問題。系統(tǒng)聚類分析法利用數(shù)學(xué)方法將樣品或變量歸為幾個不同類別，能夠較為客觀的反映分類對象個體之間的差異和聯(lián)系，但該方法不適用于樣本數(shù)量大或數(shù)據(jù)間都存在較為緊密聯(lián)系時的實驗。

因子分析法是一種從研究各項指標內(nèi)部的依賴關(guān)系出發(fā)，把一些信息重疊、具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的變量歸納為少數(shù)幾個不相關(guān)的綜合因子的多元統(tǒng)計分析方法[6-7]。因子分析法適應(yīng)性強，并且精度高，在處理河道污染治理上有其特有的功效。因子分析法通過化繁為簡，將河道污染這個復(fù)雜問題變?yōu)楹唵螁栴}，在多種影響因子中找出各個變量最佳子集合。根據(jù)子集合中所包含的信息，描述多種變量的系統(tǒng)結(jié)果和各個因子對系統(tǒng)的影響。這樣就可以綜合分析河道污染情況。

因子分析通常有以下4個基本步驟：?確認原變量是否適合作因子分析；?構(gòu)造因子變量；?利用旋轉(zhuǎn)方法使因子變量更具有可解釋性；?計算因子變量得分。

因子分析的計算過程為：?將原始數(shù)據(jù)標準化，消除變量間數(shù)量級和綱量的不同；?將數(shù)據(jù)矩陣化；?對所得數(shù)據(jù)進行Bartlett球體檢驗；?計算方差貢獻率與累積方差貢獻率；?確定因子，設(shè)F1、F2、…、Fp為p個因子，其中前m個因子包含的數(shù)據(jù)信息總量(即其累積貢獻率)不低于80%時，可取前m個因子來反映原評價指標；?若所得的m個因子無法確定或其實際意義不是很明顯，這時需將因子進行旋轉(zhuǎn)以獲得較為明顯的實際含義；?以各因子的方差貢獻率為權(quán)，由各因子的線性組合得到綜合評價指標函數(shù)。

2.2 污染因素分析

檢測數(shù)據(jù)指標包括COD、pH、TN、TP、NH3-N。借助于SPSS軟件對因子分析法的各個數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找出各污染物之間的相關(guān)性。水體和底泥受污染指標關(guān)系矩陣見表2，由水體和底泥受污染指標關(guān)系矩陣可以得到因子方差(見表3)和提取公因子的總方差(見表4)。由表3可知，河道底泥的NH3-N的關(guān)聯(lián)度為0.8419，說明提取的兩個公因數(shù)對河道底泥NH3-N含量的方差貢獻率為84.19%，其是衡量因子分析法有效性的重要依據(jù)。通過表3中的數(shù)據(jù)可以看到河道底泥中的TP的因子方差提取值最接近1，其他測量指標的因子方差提取數(shù)值也都大于0.7，均在允許范圍之內(nèi)，都比較好地保存了原始信息。

表2 水體和底泥受污染指標關(guān)系矩陣

續(xù)表

表3 因子方差

從表4中可以看出第二個公共因子能夠更好地體現(xiàn)河道水質(zhì)狀況。河流水質(zhì)綜合評價：

A=COD×0.298+NH3-N×0.324+TN×0.241+TP×0.225-底泥COD×0.077-底泥TN×0.285-底泥TP×0.122+底泥NH3-N×0.272；

B=底泥COD×0.309+底泥TN×0.533-底泥TP×0.122+底泥NH3-N×0.109-COD×0.152-NH3-N×0.195-TN×0.066-TP×0.058。

旋轉(zhuǎn)前后載荷矩陣見表5。

表4 提取公因子的總方差

表5 旋轉(zhuǎn)前后載荷矩陣

從表5中可以看出，第一個公因子更能體現(xiàn)水質(zhì)的受污染程度，第二個公因子更好地體現(xiàn)河道底泥。成分得分系數(shù)矩陣見表6。

表6 成分得分系數(shù)矩陣

根據(jù)表5和表6計算結(jié)果可知，河道受污染情況綜合得分C=45.479%×A+32.129%×B 。由此計算得到各個檢測點河道污染情況得分，并對其進行排名，見表7。

表7 河道受污染情況排名

從表7中可以看出，檢測點4和檢測點5的受污染程度大，其原因是檢測點4周圍的餐飲店和商販比較多，大多數(shù)污水和垃圾進入河道，大大超出了河道的承受范圍，導(dǎo)致水體變黑、發(fā)臭，嚴重影響周邊環(huán)境。在檢測點5周圍分布著一些工廠，一些處理不達標的污水流水河道，致使河道水質(zhì)受到嚴重的污染。檢測點1和檢測點3的受污染程度比較輕。其原因是檢測點1是一個高檔小區(qū)，周圍環(huán)境比較好，河道的治理力度大并且長期有專門的負責人進行維護。檢測點3在河道的上游位置，人口少、政府的治理力度大，環(huán)境維護的好，所以河道受污染程度很小。通過最終綜合分析結(jié)果與現(xiàn)實河道水質(zhì)狀況的對比，可以看到因子分析法對綜合分析河道污染情況是十分可靠的。此外，天津市城市河道治理也是采用SPSS因子分析法對河道受污染情況進行綜合分析評價，最終分析結(jié)果與河道污染情況一致。

3 結(jié) 語

采用因子分析法和SPSS軟件對河道水體和底泥污染物檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，排除主觀因素的影響，保證實驗結(jié)果的可靠性，對于制定河道治理方案有很大的幫助。研究結(jié)果表明：?因子分析法在研究河道受污染狀況方面能夠很好地保存原始數(shù)據(jù)，在處理污染物檢測數(shù)據(jù)方面具有可行性。最終結(jié)果和河道受污染情況相符，為河流受污染情況的檢測提供分析方法。?河道主要污染成分為NH3-N和TP，這與大量生活污水排放到河道有很大的關(guān)系，直接導(dǎo)致河道水體富營養(yǎng)化，水中其他生物無法正常生長繁殖，造成河道水體變黑、發(fā)臭，并形成惡性循環(huán)，因此在河道治理過程中也應(yīng)有所側(cè)重。?通過SPSS因子分析方法對河道污染情況進行綜合分析得出了系統(tǒng)可靠的結(jié)論。SPSS因子分析法相對于其他分析方法(主成分分析、聚類分析、判別分析)在綜合分析方面有著獨特的優(yōu)勢。因子分析法最大程度的保證數(shù)據(jù)完整性，最終分析結(jié)果和實際勘察結(jié)果保持一致。?通過綜合分析可知，在進行河道治理時，檢測點4和檢測點5是重點治理地區(qū)，需要加強排污管道的建設(shè)和日常的監(jiān)管維護。