太子河流域鞍山境內水質評價及成因分析

李 雪

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山)

我國江河眾多，共有7大流域，包括長江流域、黃河流域、珠江流域、海河流域、淮河流域、松遼流域以及太湖流域。但是目前我國水資源短缺，受地形、氣候的影響，河流在地區上分布不均勻，水質受到不同程度的污染，河流水質的狀況對大自然環境以及生物包括人類有著直接影響，所以對河流水質現狀的分析與評價是當前全世界研究的重要課題，通過掌握水質狀況、變化特征和發展趨勢，為水資源的利用、水環境的治理與保護、污染源的控制提供依據[1]。

目前，水質評價常用的方法有單因子評價法、人工神經網絡法、模糊評價法、灰色系統法、主成分分析法和層次分析法等[2]。主成分分析法有能夠從眾多因子中篩選出主要成分，對數據結構進行簡化，為后續工作篩選主要因子提供依據等優點，是一種將多維因子納入同一系統進行定性、定量化研究的理論比較完善的多元統計分析方法[3-4]，評價過程簡單，減少主觀誤差，客觀地確定各個原始指標的權重，對原始指標進行線性組合，形成幾個新的綜合指標，且這幾個綜合指標互不相關，這就達到了簡化數據的目的；同時，這幾個綜合指標又能保留原始數據中的大部分信息，從而更容易抓住復雜環境問題中的主要矛盾，提高分析效率[5-6]，評價結果準確，更好地綜合反映水質的情況。

1 主成分分析法的數學模型

主成分分析的基本思想是設法將原來眾多具有一定相關性(如p個指標)，重新組合成一組新的互相無關的綜合指標來代替原來的指標。進行主成分分析主要步驟如下[7]：

(1)運用SPSS軟件對指標數據標準化處理。假定有n個樣本，每個樣本共有p個變量，構成一個n乘以p階的數據矩陣：

經過標準化變換為

(2)計算相關系數矩陣R=[rij]。

(3)計算特征值與特征向量。解特征方程|λIp-R|=0，求出特征值，并使其按大小順序排列：λ1≥λ2≥…≥λp≥0；然后分別求出對應于特征值λi的特征向量。

(5)計算主成分載荷lij。

(6)各主成分得分Fm=lm1x1+lm2x2+…+lmpxp。

2 材料與方法

2.1 評價斷面

太子河是遼寧省較大河流之一，位于遼寧省東部，是渾河支流。對太子河流域水質進行分析與評價可為太子河流域合理開發利用水資源、優化配置產業結構提供依據，從而實現太子河流域水資源、人口、社會經濟和生態環境的協調可持續發展。文章對太子河流域鞍山境內水質進行評價，鞍山境內太子河流域的支流有南沙河、楊柳河以及海城河等，在南沙河上選取郎家廠監測斷面，楊柳河上選取新堡監測斷面，海城河上選取海城監測斷面，通過對入太子河干流前的太子河支流的水質進行評價，掌握太子河水質現狀以及對成因進行分析。

2.2 評價指標與數據處理

文章根據2021年的水質監測數據，排除大部分月份小于檢出限的項目，選取pH值(X1)、溶解氧(X2)、高錳酸鹽指數(X3)、化學需氧量(X4)、五日生化需氧量(X5)、氨氮(X6)、總磷(以P計)(X7)、氟化物(X8)、六價鉻(X9)、鉛(X10)、揮發酚(X11)11個項目作為評價指標，利用Excel 2010和SPSS17.0對數據進行統計計算和主成分分析[8]。

3 基于SPSS的主成分分析

3.1 監測數據及標準化處理

對南沙河上郎家廠監測斷面、楊柳河上新堡監測斷面、海城河上海城監測斷面的2020年12月到2021年11月全年的監測數據進行分析與評價，監測數據見表1，并對監測數據進行標準化處理。

表1 各監測斷面水質監測數據 單位：mg/L

3.2 提取主成分并計算主成分得分

由表2可知，郎家廠監測數據的前4個主成分的特征根均大于1，分別為2.950、2.265、1.939和1.204；新堡監測數據的前5個主成分的特征根均大于1，分別為3.118、2.242、1.626、1.491和1.084；海城監測數據的前5個主成分的特征根均大于1，分別為2.953、2.432、1.670、1.460和1.171。表明這些主成分可反映11個原始指標提供的絕大部分信息，其中，第一主成分的方差貢獻率大于其余主成分，說明各評價斷面的污染物主要體現在第一主成分中[1]。

表2 特征值及主成分貢獻率

由表3可知，郎家廠監測斷面高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氟化物在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映了這些原始指標的信息。同理，pH值、溶解氧、總磷，鉛、揮發酚和氨氮、六價鉻分別在第二、第三和第四主成分上有較高載荷。

表3 初始因子載荷矩陣

新堡監測斷面pH值、五日生化需氧量、總磷、六價鉻在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映了這些原始指標的信息。同理，高錳酸鹽指數、化學需氧量，氨氮、鉛，溶解氧、揮發酚和氟化物分別在第二、第三、第四和第五主成分上有較高載荷。

海城監測斷面溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映了這些原始指標的信息。同理，五日生化需氧量、總磷、六價鉻、揮發酚，pH值、鉛，氟化物和氨氮分別在第二、第三、第四和第五主成分上有較高載荷。

這些指標主要為生活和工業污染因子，其中，溶解氧、化學需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數和揮發酚為水體有機污染綜合指標，pH值、氨氮、鉛、總磷、氟化物和六價鉻為無機有毒有害物質，這表明水體水質狀況主要受生活污水和工業廢水污染影響。

計算各評價斷面的主成分得分和綜合得分，對水體污染程度進行定量化描述，得分越大，表明水質狀況越差，結果如圖1、表4所示。郎家廠監測斷面豐水期8—9月和平水期10—11月水質優于其他時期，新堡監測斷面豐水期7—9月和平水期10—11月水質優于其他時期，海城監測斷面除了6、7月份水質差一些，其余月份水質均較好。總的來說，太子河鞍山境內的三條支流南沙河、楊柳河以及海城河全年水質總體較好。

表4 各評價斷面水質綜合評價結果

圖1 各監測斷面全年水質綜合變化趨勢

3.3 水質現狀及成因分析

郎家廠是太子河支流南沙河上入太子河干流之前的監測斷面，評價結果表明，豐水期8—9月和平水期10—11月水質優于其他月份，南沙河主要接納選礦廠、化學工業公司以及水泥廠等廢污水排放，化學需氧量、氨氮、總氮、總磷和氟化物排放量比較大，但從全年評價結果來看，2月份的污染相對嚴重一些，可能是因為2月份處于枯水期，河流流量減少、流速降低，使得水體中污染物濃度稀釋擴散能力減弱，這對水體的自凈能力不利；其余月份水質較好，說明河流自凈能力可以承受廢水的排放。

新堡是太子河支流楊柳河上入太子河干流之前的監測斷面，評價結果表明，豐水期7—9月和平水期10—11月水質優于其他月份，楊柳河主要接納燒結廠、紡織廠以及畜牧業等廢污水排放，化學需氧量、氨氮、總氮、總磷和氟化物排放量比較大，但從全年評價結果來看，6月份的污染相對嚴重一些，6月份是豐水期，可能是因為生產生活向河流排放污染物量增多超過水體自凈能力，其他月份水質現狀較好。

海城是太子河支流海城河上入太子河干流之前的監測斷面，評價結果表明，除了6、7月份水質差一些，其余月份水質均較好。海城河主要接納鎂礦廠、印染廠、紡織廠、食品加工廠、造紙廠及居民生活污水等廢污水排放，化學需氧量、氨氮、總氮、總磷和氟化物排放量比較大，但從全年評價結果來看，6、7月份的污染相對嚴重一些，可能是因為生產生活向河流排放污染物量增多超過水體自凈能力。

4 結論與建議

文章利用主成分分析法對太子河鞍山境內的三條支流南沙河、楊柳河以及海城河水質現狀進行了分析與評價，評價結果表明，三條支流水質較好，每個監測斷面只有1～2個月份水質稍差，主要是因為排放污染物量超過水體自凈能力，根源在于枯水期水體自凈能力下降以及生產生活廢水的過量排放。評價結果可為水資源保護和發展提供科學依據，政府各部門要完善相關的法律法規，根據豐水期、平水期、枯水期以及季節變化調整污廢水排放量，同時加強對工業廢水排放的監管力度，多措并舉，減輕河流的污染負荷，堅持綠水青山就是金山銀山的環保理念。