基于主成分分析法的渾河撫順段多環芳烴來源分析

王緒剛

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

隨著我國城鎮化程度的提高，各種污染物在河流、土壤等環境中不斷累積，給居民的身體健康帶來嚴重的威脅。由于多環芳烴污染物具有難揮發、難降解的特性，逐漸引起社會的廣泛關注[1]。環境中PAHs(多環芳烴)主要來源包括人為源與天然源，人為源包括某些化工產品的生成與使用、未經燃燒的石油類產品與各種燃料的燃燒，天然源包括火山爆發、天然火災以及生物、微生物合成等自然活動[2]。而天然源所占比例很小，環境中PAHs主要來源于人為源，因此展開城鎮化進程中多環芳烴來源解析研究具有十分重要的意義[3- 4]。本文選取渾河撫順段與沈撫新城為研究區域，利用同分異構體比值法與主成分分析法對城鎮化進程中多環芳烴來源進行解析，為相關研究提供了理論依據。

1 PAHs來源分析方法

1.1 同分異構體比值法

互為同分異構體的多環芳烴通常具有相似的動力學質量轉移系數與熱力學分配系數，因此能夠根據其含量比值來區分不同熱源與石油源等[5]。PAHs來源可以通過lnP/(lnP+BghiP)、lnP/(lnP+BaP)、BaA/(BaA+Chry)和Fla/(Fla+Pyr)等比值法進行分析，其標準為：lnP/(lnP+BghiP)<0.2、lnP/(lnP+BaP)<0.2、BaA/(BaA+Chry)<0.2、Fla/(Fla+Pyr)<0.4，PAHs來源為石油輸入源；lnP/(lnP+BghiP)>0.5、lnP/(lnP+BaP)>0.5、BaA/(BaA+Chry)>0.35、Fla/(Fla+Pyr)>0.5，PAHs來源為草、木、煤燃燒源；0.2

1.2 主成分分析法

盡管同分異構體比值法能夠對PAHs來源進行初步判斷，但是容易受大氣沉降、生物降解等因素的影響，得到的結論準確性需要進一步完善。利用主成分分析“降維”的思路，根據SPSS軟件進行主成分分析等統計學方法分析PAHs來源，能夠得到反映原始數據的綜合變量，依據方差進行排列，方差最大代表最多的數據信息，依次類推，最后根據各個主成分PAHs的載荷量來分析污染物的來源。通常，NaP(萘)、Ace(二氫苊)和Acy(苊)等PAHs代表石油揮發或者石油泄露；Phe(菲)、Fla(螢蒽)、Ant(蒽)、Chry()、BaA(苯并蒽)、Pyr(芘)等表示煤燃燒的特征指示物；BaP(苯并芘)、dBaAnt(雙苯并蒽)和BghiP(苯并ghi苝)代表汽油燃燒；BkF(苯并k螢蒽)、BbF(苯并b螢蒽)和InP(磷化銦)表示柴油燃燒的特征指示物[4- 5]。

2 城鎮化進程中多環芳烴來源解析

2.1 利用同分異構體比值法進行解析

由于河流中Chry與BaA不易檢測，因此利用lnP/(lnP+BghiP)、lnP/(lnP+BaP)、Fla/(Fla+Pyr)對河流樣品進行同分異構體來源分析，結果如圖1所示。

圖1 河流水體干濕兩季PAHs同分異構體比值

由圖1可知，河流水體干季中PAHs主要來源于石油燃燒與煤、柴等生物質燃燒，濕季中PAHs同樣來源于石油燃燒與草、木、煤燃燒，同時存在部分石油輸入源，兩季來源差異體現在濕季來源包含石油輸入源。渾河撫順段處于我國嚴寒地區，河流結冰現象普遍，環境中PAHs很難遷移至水中，因此干季水體中累積的PAHs來自燃燒源；由于濕季溫度高，PAHs能夠伴隨大氣沉降進行遷移進入水體。我國城市依河而建，河流中PAHs多數來源于人類活動，因此兩季來源差異與季節變化相關。

由于研究區干、濕兩季中Fla、Chry、BaA、Pyr、BaP、BghiP、Inp等PAHs單體檢出率較高，所以使用lnP/(lnP+BaP)、lnP/(lnP+BghiP)、Fla/(Fla+Pyr)和BaA/(BaA+Chry)四種同分異構體比值對表層土壤PAHs進行分析，結果如圖2所示。

圖2 沈撫新城干濕兩季PAHs同分異構體比值

由圖2可知，沈撫新城干季土壤中PAHs主要來源于石油燃燒與草、木、煤等生物質燃燒，部分來源于石油輸入，濕季土壤中PAHs皆來源于石油燃燒與草、木、煤等生物質燃燒。干季采樣時沈撫新城處于寒冬供暖期，草、木、煤等生物質燃燒向空氣中排放大量PAHs，另外，沈撫新城處于城市轉變過渡時期，一些現代化器械的使用必然會帶來石油燃燒PAHs；濕季中不存在石油輸入源PAHs，這是由于季節更迭，溫度變化，使得石油輸入源PAHs發生遷移，因此沒有檢測到石油輸入源，而具體的PAHs來源與當地氣候、居民生活方式有很大關系。

2.2 利用主成分分析法進行解析

通過軟件SPSS19.0結合方差極大正交旋轉法進行河流多環芳烴成分分析，提取特征值根大于1的主因子，得到河流干濕兩季水體主成分因子載荷，結果見表1。

表1 河流干濕兩季水體樣品方差極大旋轉后的主成分因子載荷

由表1可知，河流干季水體PAHs的三個成分累積解釋了方差變量的97.137%，其中成分1解釋了方差變量的73.385%，成分1的載荷較大指示物有FI、Ant、Phe、Chry、BaA、BaP、BkF、BbF、dBaAnt、BghiP和Inp，分別代表煤炭燃燒和機動車排放；成分2解釋了方差變量的17.818%，貢獻較大的為Fla與Pyr，劃分為煤炭燃燒；成分3解釋了方差變量的6.034%，載荷最大為NaP，代表石油泄露。河流濕季水體PAHs的三個成分累積解釋了方差變量的87.458%，其中成分1解釋了方差變量的56.666%，成分1的載荷較大指示物包括Phe、Fla、Ret、Chry、BaA、BbF等，同樣代表煤炭燃燒和機動車排放；成分2解釋了方差變量的16.854%，載荷較大為Ace、Dibt和FI，劃分為石油泄露；成分3解釋了方差變量的13.938%，載荷最大為MNaP1、MNaP2、NaP和Acy，劃分為石油泄露與大氣沉降。

以上可知，河流水體多環芳烴來源分析結果與同分異構體分析結果一致，并且比同分異構體比值法更加透徹。相對渾河撫順段來說，由于濕季中增加了大氣沉降源，表明季節變化能夠對水體中PAHs產生一定的影響；干季中煤炭供暖必然會成為多環芳烴的主要來源；干濕兩季都包含石油泄露輸入與機動車排放，這與渾河船舶航運以及兩岸機動車行駛密不可分。

利用同種方法對沈撫新城干、濕兩季表層土壤PAHs進行主成分析，結果見表2。

由表2可知，沈撫新城干季表層土壤中PAHs的三個成分累積解釋了方差變量的94.421%，其中成分1解釋了方差變量的76.310%，成分1的載荷較大指示物有Ace、Acy、Dibt、FI、Fla、Ant、Chry、BaA、Pyr、BaP、BbF、dBaAnt、Pery、BghiP、Inp，劃分為機動車排放與煤炭燃燒；成分2解釋了方差變量的13.959%，貢獻較大的為MNaP1、MNaP2、NaP，代表大氣沉降與石油泄露；成分3解釋了方差變量的4.152%，載荷最大為NaP，代表石油泄露。撫新城濕季表層土壤中PAHs的三個成分累積解釋了方差變量的92.109%，其中成分1解釋了方差變量的68.325%，成分1的載荷較大指示物包括Ace、Phe、Dibt、Ant、Chry、BaA等，表明成分1代表機動車排放與煤炭燃燒；成分2解釋了方差變量的18.623%，載荷較大為MNaP1、MNaP2、NaP與Fla，劃分為柴油燃燒與石油泄露；成分3解釋了方差變量的5.161%，載荷最大為NaP、Ace、Dibt和FI，劃分為石油泄露與大氣沉降。

表2 沈撫新城干濕兩季土壤樣品方差極大旋轉后的主成分因子載荷

綜上可知，與同分異構體法相比，主成分分析法的分析結果更加具體化。沈撫新城干濕季表層土壤中PAHs來源存在一定的差異，濕季主要來源為石油泄露與大氣沉降混合源、石油泄露與柴油燃燒混合源以及煤燃燒與機動車排放混合源，干季主要來源為石油泄露輸入源、石油泄露輸入與大氣沉降混合源和煤燃燒與機動車排放混合源，兩季差異在于柴油燃燒源。

3 結語

本文介紹了同分異構體比值法與主成分分析法，對渾河撫順段與沈撫新城干濕兩季河流與土壤中多環芳烴進行來源解析，得到以下主要結論：

(1)利用同分異構體比值法進行城鎮化進程中多環芳烴來源解析，發現河流水體干濕兩季中PAHs皆來源于石油燃燒與煤、柴等生物質燃燒，而濕季中PAHs來源存在部分石油輸入源；沈撫新城干濕兩季土壤中PAHs來源于石油燃燒與草、木、煤等生物質燃燒，濕季并未發現石油輸入源，原因是季節變化影響了石油輸入源PAHs的遷移。

(2)利用主成分分析法進行城鎮化進程中多環芳烴來源解析，得到河流與土壤中主成分因子荷載。結果表明，渾河撫順段濕季PAHs來源增加了大氣沉降源，與季節變化密切相關。沈撫新城干濕兩季表層土壤中PAHs來源包括石油泄露與大氣沉降混合源、石油泄露與柴油燃燒混合源以及煤燃燒與機動車排放混合源，差異在于濕季PAHs來源包括柴油燃燒源。

(3)分別通過同分異構體比值法與主成分分析法進行城鎮化進程中多環芳烴來源解析，雖然兩種方法得到的分析結果一致，但是主成分分析法得到的結果更加直觀、更加具體、更加透徹，為相關研究提供了理論依據。

[1] 姚杰. 寧波市水功能區納污能力及限制排污總量研究芯里研究[J]. 中國水能及電氣化, 2016(10): 22- 25．

[2] 牟真, 胡麗麗. 滄州沿海各河流污染狀況與解決途徑[J]. 水利建設與管理, 2012(09): 85- 86．

[3] Duodu G O, Ogogo K N, Mummullage S, et al. Source apportionment and risk assessment or PAHs in Brisbane River sediment, Australia[J]. Ecological Indicators, 2017, 73: 784- 799．

[4] 王成龍, 鄒欣慶, 趙一飛, 等. 基于PMF模型的長江流域水體中多環芳烴來源解析及生態風險評價[J]. 環境科學, 2016, 37(10): 3789- 3797.

[5] 崔杰石. 基于SWAT模型的湯河流域面源污染時空分布研究[J]. 水利規劃與設計, 2016(02): 4- 6+29．

[6] 曲子良. 基于改進的水量水質耦合模型的流域非點源污染時空模擬研究[J]. 水利技術監督, 2017, 25(03): 92- 96．

[7] 宋曉光. 阜新市河流地表水污染現狀評價及其控制措施研究[J]. 水利技術監督, 2017, 25(01): 134- 137．

[8] 何造勝. 論海綿城市設計理念在河道水環境綜合整治中的應用[J]. 水利規劃與設計, 2016(01): 39- 42．