基于多元回歸方程在太子河流域污染源識別及貢獻率分析中的應用

邵 薇

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

太子河屬于渾河的重要支流，其主要流經遼寧中東部的遼陽、本溪、鞍山等城市[1]。太子河上游位于東部山區，植被覆蓋較多，水質狀況相對較好，而中下游主要流經城市段，工業污染和居民生活污水排放影響較大，水質狀況明顯劣于上游地區[2]。太子河流域作為流經城市的社會經濟命脈，其水環境保護對于區域社會經濟可持續發展具有重要意義[3]。近些年來，對太子河流域水環境特征研究取得一定成果[4- 15]，但是這些研究大都針對單個或多個水質監測斷面且分析的數據系列較短，對于整個太子河流域沿程水質特征分析還較少。為此本文根據太子河流域8個國控水質監測斷面2000—2019年5類水質監測數據，對流域水質時空變化趨勢進行分析并對污染控制措施進行探討，研究成果對于太子河流域整體水環境保護規劃具有重要的支撐作用。

1 研究方法

從太子河流域國家級省級水質監測斷面選取等小姐廟、小河口、唐馬寨、小林子、遼陽、二焦、本溪、老官砬子8個斷面，根據各水質監測斷面2000—2019年連續水質采樣監測數據，選取具有代表特征的氨氮、高錳酸鉀指數、化學需氧量、生化需氧量等5種水質監測指標用于太子河流域水質演變特征分析。水質影響因子主要采用主成分分析方法確定污染源，采用多元回歸方程結合各因子主成分值計算相應的污染因子貢獻率，從而對主要影響因子進行指標量化。以GB 3838—2002《地表水環境質量標準》對太子河流域選取的8個水質監測斷面進行水質評價，對每個水質指標分別進行評價后再對水質達標率進行分析，按照單一指標評價結果選取最差值作為水質整體評價結果。水質變化趨勢主要采用M-K非線性顯著檢驗方法對各水質指標變化特征進行顯著變化特征的分析。該方法將水質監測指標序列作為樣本序列對其統計變量S進行計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—水質指標樣本序列顯著性檢驗統計變量；xi和xj—來自同一個樣本總體的2個樣本數據系列；σs—方差標準計算值；sign—計算變量；n—總的樣本序數；Z—檢驗特征變量。

Z>0則表示水質指標呈現遞增變化趨勢，否則呈現遞減變化趨勢；|Z|>2.32、1.64<|Z|<2.32、1.28<|Z|<1.64則分別表示變化趨勢的顯著性可分別達到99%、95%以及90%的置信水平。

2 水質時間特征分析

2.1 水質斷面達標率分析

以GB 3838—2002對太子河流域選取的8個水質監測斷面進行水質評價，對每個水質指標分別進行評價后再對水質達標率進行分析，按照單一指標評價結果選取最差值作為水質整體評價結果對其水質達標率進行統計分析，結果見表1。

表1 太子河流域水質年達標率統計分析結果

對每個水質指標達標率分別進行分析，再按照單一指標評價結果選取最差值作為其水質整體評價結果對其水質達標率進行統計分析，由太子河流域水質年達標率統計分析結果可看出，2000—2010年，太子河流域水質斷面達到Ⅲ類水質以上的斷面大都為1個，部分年份無達標斷面，水質達標率較低；從2011年開始，通過太子河流域水環境綜合治理工程的實施，流域水環境得到不同程度的改善，水質達標率也逐年升高，從2011年8個水質斷面中水質達標斷面的2個，遞增到2019年的5個，流域水環境得到較大程度的改善。

2.2 水質斷面各指標變化趨勢分析

基于選取的太子河流域8個水質監測斷面的氨氮、生化需要量、化學需氧量、高錳酸鉀指數、揮發酚等水質指標數據，結合M-K非線性顯著檢驗方法對各斷面水質濃度變化趨勢進行檢驗和分析，變化趨勢分析結果見表2—6。

表2 太子河流域主要水質監測斷面氨氮濃度變化趨勢

表3 太子河流域主要水質監測斷面生化需氧量濃度變化趨勢

表4 太子河流域主要水質監測斷面化學需氧量濃度變化趨勢

表5 太子河流域主要水質監測斷面高錳酸鉀指數濃度變化趨勢

表6 太子河流域主要水質監測斷面揮發酚變化趨勢

從太子河流域8個國控水質斷面主要5類水質指標的變化趨勢可看出，小姐廟、小河口2個水質斷面各類水質指標均為顯著遞減，均達到90%以上的顯著性檢驗水平，各類水質指標濃度遞減率均較高。唐馬寨斷面除了化學需氧量和高錳酸鉀指數呈現顯著遞增變化趨勢外，其他指標均無顯著變化，其顯著遞增的主因在于工業污染影響。小林子斷面除高錳酸鉀指數無顯著變化外，其他水質均呈現顯著遞增或遞減變化，其中化學需氧量以及揮發酚呈現顯著遞增變化，其主要也因為工業污染影響，小林子斷面氨氮呈現顯著遞減變化，表明居民生活污染影響程度有所減弱。遼陽斷面生化需氧量呈現顯著遞減，揮發酚顯著遞減，其他指標均無顯著變化，主要受居民生活污染影響所致。二焦斷面除氨氮顯著遞增以及揮發酚無顯著變化外，其他指標均呈現顯著遞減變化趨勢，氨氮顯著遞增主要受居民生活污染影響，化學需氧量、生化需氧量、高錳酸鉀指數顯著遞減率均高于15%，其中高錳酸鉀指數遞減率高于80%。本溪站氨氮和生化需氧量受城市居民生活污染影響呈現顯著遞增變化，其他指標無顯著變化。老官砬子斷面位于太子河上游，水質指標均無顯著變化。

2.3 太子河流域水質空間變化特征

結合選取的太子河流域8個水質監測斷面各水質指標濃度多年平均值，對流域水質沿程變化特征進行分析，各斷面水質濃度多年平均值見表7。

由太子河流域主要水質監測斷面水質多年平均濃度可看出，流域各水質斷面從上游到下游呈現一定程度的沿程遞減變化，遼陽站和本溪站作為城市水質斷面其各水質指標濃度較高，主要受城市工業和居民生活污染影響，而老官砬子作為太子河上游斷面，上游主要為植被，農業面源污染相對較少，因此其水質濃度相對較低。

3 主要污染源解析

3.1 污染源識別

結合太子河流域8個水質監測斷面的8個水質常規監測指標，對太子河流域的主要污染源進行識別，各水質變量間的相關度主要采用KOM和Bartlett球形進行檢驗，結果見表8。

主成分分析KOM取樣中適切量值高于0.7，相關度檢驗水平P低于0.05滿足置信度要求，8個水質變量之間具有較好的相關度，主成分分析的數據總體具有較好的正態分布，主成分分析結果有效。

表7 太子河流域主要水質監測斷面水質多年平均濃度 單位：mg/L

表8 太子河流域各水質指標主成分分析結果

太子河流域各水質指標主成分分析結果表明，3個主成分的累積貢獻率為70.80%，在主成分1中具有較強正載荷的為氨氮和化學需氧量，主成分1方差貢獻率為41.53%，太子河主要流經遼陽、本溪以及鞍山3市，城鎮居民生活污水的排放使得河流水體中不斷累積有機物，水體富營養化程度有所增加，因此城鎮污水排放是第一個主成分因子，氣象因子為第二個主成分因子，氣候條件影響程度較高的為pH，pH值的方差貢獻率達到12.75%，因此認定第二個主成分因子為氣象因子。揮發酚主要為工業生產所產生的水污染因子，其方差貢獻率為16.52%。

3.2 污染貢獻率分析

在各主成分分析的基礎上，采用絕對主成分建立多元回歸方程對各主成分污染貢獻率進行分析，結果見表9。

表9 太子河流域主要污染指標貢獻率分析結果

從太子河流域主要污染指標貢獻率分析結果，氨氮以及化學需氧量在第一主成分的貢獻率分別75.20%、82.65%，pH值在第二主成分的貢獻率為81.52%，揮發酚在第三主成分的貢獻率為83.60%。

4 污染控制措施

在對太子河流域主要水質控制斷面水質變化趨勢分析的基礎上，本文提出以下污染控制措施，具體為：

(1)加大控制點源污染排放力度。調整流域內高污染消耗的產業結構，嚴格控制點源污染排放的污染總量，對于收益較低，排放污染消耗較大的企業要嚴格把控，制定獎罰措施，將農業灌溉方式進行轉變，強化流域水環境保護，加快區域節水及水資源優化調控，改善太子河上游及干流水庫水土環境，加強區域水源優化保護力度。

(2)提升區域水質自動監測能力。改進和優化太子河流域水質監測能力，優化水質自動監測站點，建立水質自動監測系統，從多個角度采樣現代化監測體系去完善水質監測數據的連續性、完整性以及時效性，提升太子河流域水環境監控能力。

(3)調整區域產業布局。通過調整流域內化工企業的產業結構，加快工業環保措施優化調整，降低企業污染負荷排放，提倡耗水量較大的企業加大新技術的使用，提升用水效率。推進農業種植方式的調整，提高灌溉能力，推進生態農業的持續發展。

(4)持續加強生態保護力度。通過加大對生態工程的規劃和建設力度，降低區域農業額、工業污染負荷，采取有效方式加大對太子河流域內水源地的保護力度，以科學精準的農業面源、工業及居民生活點源污染排放的管理方式，加大對生態環境保護工程的推廣。

5 結語

(1)太子河流域主要污染因子為氨氮和化學需氧量，其主要來源居民生活點源排放，尤其是遼陽和本溪城市段，其氨氮和化學需氧量偏高，建議加大對流域氨氮和化學需氧量兩類水質指標的控制力度，可加大河段內枯季水量并加大對如和污染物排放量的控制。

(2)建議調整流域內化工企業的產業結構，加快工業環保措施優化調整，降低企業污染負荷排放，提倡耗水量較大的企業加大新技術的使用，提升用水效率。推進農業種植方式的調整，提高灌溉能力，推進流域生態農業的持續發展。

(3)本文主要從太子河流域各水質指標年變化趨勢進行分析，存在不足，在后期研究中還應考慮汛期和非汛期水量變化下太子河流域水質變化趨勢，從而對制定不同來水條件下的太子河水環境保護措施提供對策。