遼陽(yáng)太子河水質(zhì)評價(jià)研究

　　1 引言

　　水質(zhì)評價(jià)是通過(guò)對水體的一些物理、化學(xué)、生物指標的監測和調查，根據不同的目的和要求，使用一定的方法對水體質(zhì)量?jì)?yōu)劣程度做出的定量描述.評價(jià)的目標是獲取水體的污染程度，劃分其污染等級，為水體的科學(xué)管理和污染防治提供依據，這也是水資源合理開(kāi)發(fā)、充分利用及水環(huán)境管理中不可缺少的重要內容.

　　基于環(huán)境系統的復雜性，目前應用較多的水質(zhì)綜合評價(jià)方法主要有指數評價(jià)法(陳潤羊等，2008)、模糊綜合評價(jià)法(潘峰等，2002)、灰色評價(jià)法(賴(lài)坤榮等，2010)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )評價(jià)法(鄒志紅等，2007)等.水質(zhì)評價(jià)方法的普遍思路是把各時(shí)期、各斷面獨立開(kāi)來(lái)依次評價(jià)，較少考慮水體污染物在時(shí)間、空間上的差異性與相似性，尤其是用于大尺度、多斷面、長(cháng)時(shí)間的大量樣本評價(jià)時(shí)，可能會(huì )導致不必要的重復計算且過(guò)程繁雜.為了解決這一問(wèn)題，因子分析、方差分析、聚類(lèi)分析等多元統計分析方法開(kāi)始應用于這一領(lǐng)域(王曉鵬等，2010).因此，本文以太子河遼陽(yáng)段為例，在采用因子分析篩選出水質(zhì)評價(jià)重要指標的基礎上，利用方差分析(ANOVA)對各監測斷面多年水質(zhì)指標數據進(jìn)行時(shí)間與空間尺度上的顯著(zhù)差異性檢驗，通過(guò)層次聚類(lèi)按樣本點(diǎn)之間的相似程度進(jìn)行聚類(lèi)分組.同時(shí)，以各組的樣本均值為基礎，采用水質(zhì)標識指數方法得到各組的水質(zhì)評價(jià)結果，并將其分解到各組對應的水質(zhì)樣本點(diǎn)，以實(shí)現對多斷面、長(cháng)時(shí)間大量樣本的水質(zhì)評價(jià).

　　2 原理及方法

　　2.1 基于因子分析的評價(jià)指標的篩選

　　評價(jià)指標的篩選是水質(zhì)評價(jià)工作中非常重要的一部分，如果評價(jià)指標過(guò)多，且彼此之間存在較大的相關(guān)性，用這些指標進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)時(shí)，由于各個(gè)指標反映的信息有一定程度的重疊，這不僅會(huì )增加評價(jià)的工作量，還會(huì )掩蓋水體的一些重要特征.而因子分析能較好地解決這一問(wèn)題，因子分析是一種用于提取多個(gè)變量潛在公共因子的統計方法，它是從眾多可觀(guān)測的變量中綜合和抽取少數潛在的公共因子，并使這些因子能夠最大程度地概括和解釋原有觀(guān)測變量的信息，從而解釋事物的本質(zhì).因子分析的基本思想就是通過(guò)觀(guān)測變量之間相關(guān)性的大小對其分組，使得各組內觀(guān)測變量之間的相關(guān)性較高，不同組之間觀(guān)測變量的相關(guān)性較低，每組觀(guān)測變量代表一種基本結構，并可以用這些變量的潛在公共因子來(lái)表示.

　　因子分析適用于相關(guān)性較強的多個(gè)指標的簡(jiǎn)化，而對于相互間獨立性較強的指標則無(wú)需進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此，需要對數據進(jìn)行KMO檢驗，以判別其是否適合進(jìn)行因子分析.利用因子分析篩選評價(jià)指標的原則是在按一定標準(特征值大于1)確定好公因子個(gè)數的基礎上，選取旋轉成分矩陣表中每個(gè)公因子對應的有最高因子載荷的兩個(gè)指標變量.這樣選取變量的原因在于各公因子對應的有最高因子載荷的變量對其有最強的解釋能力.

　　2.2 基于方差分析的指標數據時(shí)空尺度差異性檢驗

　　在水質(zhì)評價(jià)過(guò)程中，考慮到水體污染物在時(shí)間、空間上的差異性與相似性，采用方差分析的方法對各評價(jià)指標分別進(jìn)行年際間和空間上的顯著(zhù)差異性檢驗，以判斷各水質(zhì)評價(jià)指標在同一監測斷面不同年度間以及同一年度不同監測斷面間是否存在顯著(zhù)性差異.

　　方差分析用于對兩個(gè)或兩個(gè)以上的數據樣本進(jìn)行差異性檢驗，其基本思想是將數據的變異量分解為由控制變量引起的變異和由誤差因素引起的變異.如果由控制變量產(chǎn)生的變異顯著(zhù)多于誤差造成的變異，就能夠判斷控制變量確實(shí)對因變量產(chǎn)生了影響.公式表示為：SSt=SSw+SSb，其中，SSt表示總變異，SSb表示組間變異即控制變量引起的變異，SSw表示組內變異即誤差造成的變異.根據控制變量的個(gè)數，方差分析分為單因素方差分析和多因素方差分析兩種.本研究中的控制因素主要為時(shí)間或空間，屬于單因素方差分析.

　　式中，k代表數據組的個(gè)數，n代表第j個(gè)組內數據的個(gè)數，x2ij代表全體數據的平方之和，(xij)2代表全體數據之和的平方，(=1 xij)2代表第j個(gè)組內數據之和的平方，(=1 xij)2代表將j個(gè)組所求得的(=1 xij)2相加.組間變異與組內變異分別除以各自的自由度，得到組間方差與組內方差.方差分析的關(guān)鍵步奏是對組間方差與組內方差的比值進(jìn)行F檢驗.顯著(zhù)性檢驗公式如下：

　　2.3 基于層次聚類(lèi)分析的樣本點(diǎn)分組

　　聚類(lèi)分析是根據事物本身的特征，通過(guò)統計方法對事物進(jìn)行分類(lèi)的多元統計方法，其中，層次聚類(lèi)分析應用的最為廣泛，其實(shí)質(zhì)在于通過(guò)研究對象之間的親疏關(guān)系將相似的對象劃分為一類(lèi)，不相似的對象劃分到不同的類(lèi)別.考慮到水質(zhì)樣本點(diǎn)之間的差異性與相似性，本文采用層次聚類(lèi)的方法對樣本點(diǎn)進(jìn)行分組.親疏程度的計算包括樣本間距離和組間距離兩類(lèi)，前者的測量方法有歐氏距離平方、切比雪夫距離、絕對距離等，后者的測量方法有最鄰近法、最遠距離法、重心法、離差平方和法(Ward法)等.本研究中采用的是離差平方和法.

　　離差平方和法(Ward法)以差異度作為衡量標準來(lái)進(jìn)行對象(組)之間的合并，在聚類(lèi)過(guò)程中將與上一合并階段的差異度相比變化最小的對象(組)合并起來(lái)，形成新的組.Ward法的目的在于使合并后同一類(lèi)內各樣本間的差異度最小，不同類(lèi)之間樣本的差異度較大.其中，差異度是用組內樣本間的離差平方和來(lái)表示的，對于組g樣本間離差平方和Vg的算法如下：

　　式中，xijg是組g中對象i中變量j的觀(guān)察值，jg為組g中變量j的觀(guān)察值的平均值.

　　2.4 水質(zhì)標識指數評價(jià)法 2.4.1 單項指標水質(zhì)標識指數的確定

　　單項指標水質(zhì)標識指數Pi由一位整數和小數點(diǎn)后兩位有效數字組成，其中，整數部分代表水質(zhì)指標的水質(zhì)類(lèi)別，小數部分代表監測數據在此類(lèi)水質(zhì)變化區間中所處的位置(徐祖信，2005).單項指標水質(zhì)標識指數公式表示如下：

　　式中，Ki表示第i項水質(zhì)指標所處的水質(zhì)類(lèi)別，可以通過(guò)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)的比較來(lái)確定，取值為1，2，…，6;ρi為第i項指標的實(shí)測質(zhì)量濃度，ρik下≤ρi≤ρik上，ρik下為第i項水質(zhì)指標第Ki類(lèi)水區間質(zhì)量濃度的下限值，ρik上為第i項水質(zhì)指標第Ki類(lèi)水區間質(zhì)量濃度的上限值.在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中列示的水質(zhì)指標中，只有溶解氧為遞減性指標，其水質(zhì)標識指數用公式(7)來(lái)計算;其余的遞增性水質(zhì)指標用公式(6)來(lái)計算.

　　當水體質(zhì)量劣于Ⅴ類(lèi)水時(shí)，遞增性水質(zhì)指標和溶解氧指標的水質(zhì)標識指數分別用公式(8)和公式(9)來(lái)計算.

　　2.4.2 綜合水質(zhì)標識指數的確定

　　由于受到自然因素和人文因素的雙重影響，部分水體存在如下情況：某一項或兩項水質(zhì)指標相對于水環(huán)境功能區設定的類(lèi)別標準嚴重超標，其余指標相對正常.《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中采用的單因子評價(jià)法忽略了其他指標對水質(zhì)的影響，難以全面反映水體的綜合狀況，可能會(huì )造成水體水質(zhì)評價(jià)等級偏低.為了克服單因子評價(jià)法以偏概全的缺點(diǎn)，綜合水質(zhì)標識指數既考慮了污染最嚴重的指標，又綜合考慮了所有單項指標以全面反映水體的水質(zhì)狀況.綜合水質(zhì)標識指數P由單項指標水質(zhì)標識指數的平均值和最大值兩部分構成，用公式表示如下：

　　式中，PMAX是n項單項指標水質(zhì)標識指數中的最大值.

　　通過(guò)綜合水質(zhì)標識指數P可以判斷水體的水質(zhì)級別和污染程度：當1.0≤P≤2.0時(shí)，水質(zhì)狀況為Ⅰ級;當2.06.0時(shí)，水質(zhì)狀況為劣Ⅴ級.

　　3 應用與討論

　　3.1 研究區域及數據

　　太子河發(fā)源于撫順，全長(cháng)約413 km，流域面積約13883 km2.太子河遼陽(yáng)段位于太子河中游，經(jīng)本溪市進(jìn)入遼陽(yáng)市境內，入口與參窩水庫相接，出口進(jìn)入鞍山境內，境內流程142.8 km，流域面積約4000 km2，約占全市總面積的85%.太子河遼陽(yáng)段及其支流湯河、北沙河和柳壕河與參窩水庫和湯河水庫構成了遼陽(yáng)地表水監測體系.太子河是遼陽(yáng)市人民的母親河，其水質(zhì)狀況深受各級政府和人民的關(guān)注.因此，正確評價(jià)太子河的水質(zhì)情況，對遼陽(yáng)市社會(huì )、經(jīng)濟的可持續發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)都具有重要意義.太子河遼陽(yáng)段干流上共設有3個(gè)監測斷面，分別為入市斷面參窩壩下斷面、國控斷面下王家橋斷面和出市斷面下口子斷面.圖 1顯示了太子河流經(jīng)的區域及各監測斷面的地理位置.

　　圖 1 研究區域及采樣點(diǎn)(1.參窩壩下，2.下王家橋，3.下口子)　　

　　針對太子河遼陽(yáng)段的具體情況，在綜合考慮了影響太子河水質(zhì)的各種自然及人文因素的基礎上，結合重要性原則本文選取了包括溶解氧、高錳酸鉀指數、氨氮在內的16個(gè)水質(zhì)監測指標作為太子河水質(zhì)評價(jià)的基礎指標.研究中采用的水質(zhì)數據為2009—2012年參窩壩下、下王家橋、下口子3個(gè)斷面16個(gè)水質(zhì)指標的月度監測值，水質(zhì)樣本共144個(gè)(數據來(lái)源于遼陽(yáng)市環(huán)保局).數據分析采用的軟件為SPSS18.0.表 1顯示了2009—2012年太子河遼陽(yáng)段干流各斷面16個(gè)水質(zhì)指標的年度平均值(12個(gè)月度監測值平均值).

表 1 2009—2012年太子河遼陽(yáng)段干流各斷面各水質(zhì)指標年平均值

　　3.2 水質(zhì)評價(jià)指標的篩選

　　為了篩選出用于綜合評價(jià)水質(zhì)級別的重要指標，對現有的16個(gè)水質(zhì)基礎指標(除流量和pH兩個(gè)指標，即14個(gè)變量)在2009—2012年每個(gè)月3個(gè)斷面的共144個(gè)監測樣本進(jìn)行因子分析.因子分析結果顯示：KMO檢驗值為0.773，表明原始數據適用于因子 分析進(jìn)行簡(jiǎn)化;前4個(gè)公因子的特征值大于1，這4個(gè)公因子在旋轉成分矩陣表中對應的有最高因子載荷的兩個(gè)變量分別為化學(xué)需氧量和高錳酸鉀指數、氨氮和銅、溶解氧和糞大腸菌群、揮發(fā)酚和六價(jià)鉻，即選取這8個(gè)變量作為水質(zhì)評價(jià)的重要指標.

　　3.3 指標數據時(shí)空尺度差異性檢驗

　　表 2和表 3分別顯示了對各個(gè)水質(zhì)評價(jià)重要指標進(jìn)行同一斷面不同年度間月度監測值和同一年度不同斷面間月度監測值單因素方差分析的結果.由表可見(jiàn)：化學(xué)需氧量、氨氮、六價(jià)鉻及糞大腸菌群4個(gè)水質(zhì)評價(jià)指標在同一斷面不同年度間均不存在顯著(zhù)性差異，揮發(fā)酚和銅兩個(gè)指標對于3個(gè)斷面在不同年度間均存在顯著(zhù)性差異，CODMn和溶解氧兩個(gè)指標對于部分斷面在不同年度間存在顯著(zhù)性差異;氨氮、銅、溶解氧、揮發(fā)酚和六價(jià)鉻5個(gè)水質(zhì)評價(jià)指標在同一年度不同斷面間均不存在顯著(zhù)性差異，化學(xué)需氧量和高錳酸鉀指數兩個(gè)指標對于4個(gè)年度在不同斷面間均存在顯著(zhù)性差異，糞大腸菌群指標對于部分年度在不同斷面間存在顯著(zhù)性差異.

表 2 同一斷面年際間方差分析Sig值

表 3 同一年度斷面間方差分析Sig值

　　從方差分析結果可以看出，在8個(gè)水質(zhì)評價(jià)指標中，有4個(gè)指標在同一斷面不同年度間不存在顯著(zhù)性差異，其余4個(gè)指標對于全部或部分監測斷面在不同年度間存在顯著(zhù)性差異;有5個(gè)指標在同一年度不同斷面間不存在顯著(zhù)性差異，其余3個(gè)指標對于全部或部分年度在不同斷面間存在顯著(zhù)性差異.這說(shuō)明水體中的污染物濃度在空間和時(shí)間尺度上不僅存在著(zhù)差異性，更存在著(zhù)相似性.在這種情況下，把各時(shí)期、各斷面獨立開(kāi)來(lái)依次評價(jià)可能會(huì )導致不必要的重復計算且過(guò)程繁雜，可以根據樣本點(diǎn)之間的相似性對樣本進(jìn)行分組，對每一組進(jìn)行評價(jià)，再把每一組的評價(jià)結果分配給各自對應的樣本點(diǎn).

　　3.4 樣本點(diǎn)分組

　　采用Ward法對144個(gè)樣本進(jìn)行層次聚類(lèi)分析.在Ward法中，離差平方和是決定聚類(lèi)過(guò)程的重要指標.通過(guò)觀(guān)察SPSS18.0生成的聚類(lèi)表可以看出，離差平方和系數從11類(lèi)變化到10類(lèi)時(shí)出現了一個(gè)大幅度的增加(從296.1增加到320.9);若在坐標系統(類(lèi)數為橫軸，離差平方和系數為縱軸)中形成曲線(xiàn)可以看出，從11類(lèi)變化到10類(lèi)時(shí)曲線(xiàn)的斜率出現了一個(gè)明顯的增加，在這種情況下應該把144個(gè)樣本聚成11組(分別編號G1~G11).表 4顯示了通過(guò)層次聚類(lèi)得到的11個(gè)組各自對應的水質(zhì)樣本點(diǎn).

表 4 11組樣本各對應的水質(zhì)樣本點(diǎn)

　　聚類(lèi)分析的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是在計算各樣本點(diǎn)各水質(zhì)指標之間的距離，把距離較近的樣本點(diǎn)分為一組，距離較遠的樣本點(diǎn)分到不同的組;而距離越近，兩個(gè)樣本點(diǎn)水質(zhì)指標濃度之間的差距就越小，水質(zhì)狀況就越相似，屬于同一水質(zhì)級別的可能性也就越大.因此，通過(guò)聚類(lèi)得到的在同一組中的樣本的水質(zhì)狀況是相似的，從某種程度上說(shuō)它們處于同一水質(zhì)級別，可以作為整體統一進(jìn)行評價(jià).各組樣本的數據特征用組內樣本的均值來(lái)表示(表 5)，并以此進(jìn)行各組的水質(zhì)評價(jià)，再把每一組的評價(jià)結果根據表 4分配給各自對應的樣本點(diǎn).

表 5 11組樣本各項水質(zhì)指標均值

　　由表 5可見(jiàn)，11個(gè)組中，G1聚集了有較低溶解氧和較高糞大腸菌群濃度的水質(zhì)樣本點(diǎn)，G2聚集了有較高高錳酸鉀指數和化學(xué)需氧量的樣本點(diǎn)，G3聚集了有較高氨氮和銅濃度的樣本點(diǎn)，G4聚集了有較高氨氮濃度的樣本點(diǎn)，G5聚集了有較高氨氮、揮發(fā)酚、銅和糞大腸菌群濃度的樣本點(diǎn)，G6聚集了有較高六價(jià)鉻濃度的樣本點(diǎn)，G10聚集了有較高揮發(fā)酚和糞大腸菌群濃度的樣本點(diǎn)，G7、G8、G9、G11中沒(méi)有明顯濃度較高或較低的水質(zhì)評價(jià)指標.

　　3.5 水質(zhì)標識指數評價(jià)結果

　　3.5.1 各組樣本的水質(zhì)標識指數評價(jià)結果

　　把通過(guò)層次聚類(lèi)得到的各組水質(zhì)樣本各項指標的均值帶入水質(zhì)標識指數計算公式(6)~(11)中，得到各組水質(zhì)樣本的單項指標水質(zhì)標識指數及綜合水質(zhì)標識指數(表 6).

表 6 11組樣本單項指標和綜合水質(zhì)標識指數評價(jià)結果

　　從表 6可以看出，11組樣本的水質(zhì)狀況主要分布在Ⅱ級到Ⅴ級之間，其中有3組屬于Ⅱ級水質(zhì)(G6、G8、G11)，5組屬于Ⅲ級水質(zhì)(G2、G3、G7、G9、G10)，2組屬于Ⅳ級水質(zhì)(G4、G5)，1組屬于Ⅴ級水質(zhì)(G1).這11組樣本中，水質(zhì)狀況最好的是G6，組中的3個(gè)樣本點(diǎn)均取自2010年;水質(zhì)狀況最差的是G1，組中9個(gè)樣本中有6個(gè)取自2012年，2個(gè)取自2009年，剩余1個(gè)取自2011年.從評價(jià)結果來(lái)看，綜合水質(zhì)標識指數評價(jià)方法既綜合考慮了各項水質(zhì)評價(jià)指標，又突出了最差指標的影響，避免了單因子評價(jià)方法以偏概全的缺點(diǎn)，反映了水質(zhì)樣本的總體特征;對于處于同一水質(zhì)級別的水質(zhì)樣本，綜合水質(zhì)標識指數方法可以比較其優(yōu)劣(例如，G8和G6都是Ⅱ級水質(zhì)，但G8水質(zhì)劣于G6水質(zhì));另外，綜合水質(zhì)標識指數方法還可以判斷劣Ⅴ級水體的污染程度.

　　3.5.2 多斷面、長(cháng)時(shí)間的水質(zhì)評價(jià)

　　把以各組樣本均值作為輸入計算得到的各組樣本的水質(zhì)標識指數評價(jià)結果根據表 4分配到各組對應的水質(zhì)樣本點(diǎn)，即實(shí)現了對多斷面、長(cháng)時(shí)間大量樣本的水質(zhì)評價(jià).圖 2顯示了太子河遼陽(yáng)段參窩壩下、下王家橋和下口子3個(gè)斷面2009—2012年的綜合水質(zhì)標識指數評價(jià)結果.

　　圖 2 太子河遼陽(yáng)段3個(gè)斷面2009—2012年的水質(zhì)評價(jià)結果

　　從橫向來(lái)看，太子河遼陽(yáng)段的水質(zhì)狀況從上游到下游逐漸變差，3個(gè)斷面中水質(zhì)狀況最好的是入市斷面參窩壩下斷面(平均綜合水質(zhì)標識指數為3.23)，國控斷面下王家橋斷面次之(平均綜合水質(zhì)標識指數為3.48)，出市斷面下口子斷面最差(平均綜合水質(zhì)標識指數為3.51).綜合考慮太子河遼陽(yáng)段所處的人文環(huán)境，可以分析出影響中下游斷面水質(zhì)狀況的一些人文因素.下王家橋斷面至下口子斷面入河排污口相對集中，河水在徑流中難以形成自身降解.國控斷面下王家橋斷面的水質(zhì)狀況受到軍工企業(yè)遼寧慶陽(yáng)化工有限公司的影響，該廠(chǎng)南排口位于下王家橋斷面上游約10 km處，受廠(chǎng)區排污影響，下王家橋斷面水質(zhì)較差.出市斷面下口子斷面的水質(zhì)狀況則受到從下王家橋斷面下游匯入太子河干流的支流柳壕河的影響，柳壕河的污染源排放口比較集中，遼陽(yáng)市城市生活污水大多排入柳壕河內，受其影響下口子斷面的水質(zhì)狀況較為惡劣.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　從縱向來(lái)看，這4年中水質(zhì)狀況相對較差的是2009年和2012年，相對較好的是2010年和2011年.從季節來(lái)看，夏季水質(zhì)狀況最好，春秋兩季次之，冬季水質(zhì)狀況最差.遼陽(yáng)太子河為雨污合流，在工業(yè)廢水和生活污水排放量變化不大的情況下，太子河的污染狀況受降水量的多少影響，每年的枯水期(1、2、3、4、11、12月)為污染最嚴重的時(shí)期，平水期(5、6、9、10月)次之，豐水期(7、8月)最好.

　　4 結論

　　1)提出了基于多元統計分析和水質(zhì)標識指數的水質(zhì)評價(jià)方法，研究發(fā)現，該方法適用于多斷面、長(cháng)時(shí)間大量樣本的水質(zhì)評價(jià)工作.其特點(diǎn)在于：從多個(gè)相關(guān)性較強的水質(zhì)指標中篩選出水質(zhì)評價(jià)因子，降低主觀(guān)因素對評價(jià)結果的影響;充分利用了水質(zhì)指標數據的時(shí)間和空間特征，識別出監測樣本的內在差異性和相似性，減輕了水質(zhì)評價(jià)的工作量;在水質(zhì)評價(jià)過(guò)程中綜合考慮了各項水質(zhì)評價(jià)指標，又突出了最差指標的影響，避免了單因子評價(jià)方法以偏概全的缺點(diǎn)，反映了水質(zhì)樣本的總體特征.

　　2)太子河遼陽(yáng)段2009—2012年干流的水質(zhì)狀況分布在Ⅱ級到Ⅴ級之間，其中大部分處于Ⅲ級以上.從評價(jià)結果來(lái)看，太子河遼陽(yáng)段水質(zhì)狀況相對于水功能區劃分標準仍存在超標狀況.在今后的太子河水環(huán)境治理和保護工作中，一方面要加強對轄區內所有企業(yè)排污狀況的監管力度，使企業(yè)污水全部達標后排放;另一方面要在加快建設縣區污水處理廠(chǎng)的同時(shí)，提高現有處理廠(chǎng)的污水處理技術(shù)，使污水處理廠(chǎng)在太子河水質(zhì)改善中發(fā)揮更大作用.