翟 俊，李玲麗，肖海文，余秋陽

(重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

污染源解析的目的是科學(xué)、全面、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)水環(huán)境污染狀況并分析污染物主要來源及其對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)率，為水環(huán)境管理提供準(zhǔn)確可靠的信息[1]。根據(jù)目前國內(nèi)外對(duì)河流污染源解析所用方法中可以看出，多元統(tǒng)計(jì)分析法是其中應(yīng)用較多的一種[2-4]。多元統(tǒng)計(jì)分析法能有效的運(yùn)用在水質(zhì)空間分布規(guī)律評(píng)價(jià)、地下水和沿海水域變更以及海洋沉積物中潛在污染源的鑒定中[5]。

三峽庫區(qū)的水質(zhì)狀況除受到重慶市、湖北省影 響外，庫區(qū)上游的污染源排放也將輻射影響庫區(qū)水環(huán)境質(zhì)量。近年來，由于點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染的加劇，重慶市三峽庫區(qū)內(nèi)水質(zhì)污染逐漸嚴(yán)重。污染排放主要集中在三峽庫區(qū)干流段。

盡管近年來針對(duì)三峽庫區(qū)流域水污染源解析的方法很多[6-7]，但目前運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)三峽庫區(qū)“三江”干流流域污染源及其相應(yīng)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析的研究仍然十分鮮見。筆者依據(jù)三峽庫區(qū)水系特點(diǎn)，選取CODCr、TP、NH3-N等8個(gè)典型指標(biāo)，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)重慶市三峽庫區(qū)干流水體中主要污染物進(jìn)行探索性分析，判斷主要的污染源類型，定量計(jì)算各類排放源的貢獻(xiàn)率，同時(shí)對(duì)庫區(qū)水污染的主要問題進(jìn)行分析和預(yù)測，從而確定需要重點(diǎn)治理的行業(yè)、企業(yè)和地區(qū)，提出三峽庫區(qū)典型城市水環(huán)境質(zhì)量改善的可行途徑。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

污染源解析數(shù)據(jù)來源為2005—2010年重慶市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書[8]。其水質(zhì)采樣及分析測試均采用國家水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)[9]。23個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面位置見圖1，主要分布于三峽庫區(qū)長江、嘉陵江和烏江干流的重慶段。

每個(gè)監(jiān)測斷面均選用CODCr、F-、石油類、BOD5、NH3-N、TN、TP、糞大腸菌群等8個(gè)指標(biāo)作為水質(zhì)分析參數(shù)，包括共計(jì)1104個(gè)數(shù)據(jù)。為便于分析，將2005—2010年8個(gè)水質(zhì)參數(shù)的6年算術(shù)平均值作為主要分析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理和分析采用SPSS18.0軟件。

序號(hào)所示監(jiān)測斷面位置分別為：1—朱沱；2—江津大橋；3—豐收壩；4—黃桷沱；5—寸灘；6—魚嘴；7—扇沱；8—鴨嘴石；9—清溪場；10—大橋；11—蘇家；12—曬網(wǎng)壩；13—苦草沱；14—白帝城；15—培石；16—利澤；17—北溫泉；18—高家花園；19—大溪溝；20—萬木；21—鹿角；22—鑼鷹；23—麻柳嘴

1.2 研究方法

污染源解析采用多元統(tǒng)計(jì)分析法，其基本思路是利用觀測信息中物質(zhì)間的相互關(guān)系來產(chǎn)生源成分譜或產(chǎn)生暗示重要排放源類型的因子。該方法包括主成分分析及因子分析法(Principal Component Analysis, PCA/Factor Analysis, FA)。因子分析及主成分分析均從相關(guān)矩陣或協(xié)方差矩陣出發(fā)，對(duì)高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳的綜合與簡化，其基本方程式為：

式中：D為由m個(gè)樣品中對(duì)r個(gè)變量觀測結(jié)果組成的矩陣；C為因子載荷矩陣，表示源成分譜；R為因子得分矩陣，表示污染源的貢獻(xiàn)率。

診斷解析結(jié)果的方法包括決定系數(shù)法(Coefficient of Determination, COD)、方差累計(jì)貢獻(xiàn)(cumulative percent variance)法以及Exner方程。解析結(jié)果中包含的因子數(shù)量越多，單個(gè)污染物的COD越接近于1，方差累計(jì)貢獻(xiàn)越接近于100%，Exner方程值越小。研究選取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率最大的因子組合，根據(jù)實(shí)測的污染源成分譜，由因子分析/主成分分析結(jié)果得到的幾個(gè)主要因子的污染物來源類型[10]。

2 結(jié)果分析與檢驗(yàn)

2.1 數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

在多元統(tǒng)計(jì)分析中，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，包括一些遺失數(shù)據(jù)的估算，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及其正態(tài)分布的檢驗(yàn)等，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和合理性[11]。所以先應(yīng)用SPSS軟件中的描述性統(tǒng)計(jì)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其結(jié)果見表1。

表1 描述統(tǒng)計(jì)量分析

從表1可看出，F(xiàn)-、BOD5、NH3-N、TN的偏度系數(shù)分別為-0.227，-8.14，-1.463，-0.190。從偏度系數(shù)統(tǒng)計(jì)量的正負(fù)值來看，觀察值的4個(gè)變量分布均呈負(fù)偏態(tài)，然而此種偏度情形是否達(dá)到統(tǒng)計(jì)上的顯著水平(p<α=0.05)，必須進(jìn)一步加以檢驗(yàn)才能得知，若是檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性p>0.05，表示變量仍符合正態(tài)分布，度系數(shù)之所以呈現(xiàn)負(fù)數(shù)則為取樣誤差所造成的。

2. 2 數(shù)據(jù)的正態(tài)分布有效性檢驗(yàn)

進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)正態(tài)分布的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)探索性檢驗(yàn)的要求，顯著概率p>0.05的指標(biāo)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特征。檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 正態(tài)分布檢驗(yàn)

注：a表示Lilliefors 顯著水平修正 ；*為真實(shí)顯著水平的下限。

由表2可知，參與分析的23個(gè)點(diǎn)位的理化指標(biāo)Kolmogorov-Smirnow檢驗(yàn)(a)統(tǒng)計(jì)中，糞大腸菌群顯著性為p=0.000<0.05，其余水質(zhì)參量顯著性均大于0.05；在正態(tài)性假定檢驗(yàn)中，因?yàn)闃颖居^察值總數(shù)為23<50，則采用Shapiro-Wilk統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)。糞大腸菌群Shapiro-Wilk統(tǒng)計(jì)量為0.683，顯著性概率值為p=0.000<0.05，表示糞大腸菌群含量不符合正態(tài)分布。因此認(rèn)為此次參與分析數(shù)據(jù)中，BOD5、F-、CODCr、石油類、氨氮、TN、TP符合正態(tài)分布要求。

2. 3 典型污染物的因子分析

2.3.1 Kaiser-Meyer-Olkin和Bartlett球形檢驗(yàn)

驗(yàn)證因子分析的適用性，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形檢驗(yàn)。KMO是Kaiser-Meyer-Olkin的取樣適當(dāng)性量數(shù)，其值介于0～1之間，KMO值愈大時(shí)(愈接近1時(shí))，表示變量間的共同因素愈多，變量間的凈相關(guān)系數(shù)愈低，愈適合進(jìn)行因素分析。一般認(rèn)為KMO 值>0.7( KMO 值在0～1之間變化) 的適合因子分析，<0.5 的不適合因子分析，介于二者之間的，比較適合[1]。Bartlett球形檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)該相關(guān)矩陣是否為單位矩陣，若顯著性概率p<0.05時(shí)，表明該相關(guān)矩陣為非單位矩陣，總體的相關(guān)矩陣間有共同因素存在，適合進(jìn)行因素分析；反之，則不能進(jìn)行因素分析。

本檢驗(yàn)結(jié)果中，在顯著性概率p=0.004<0.05的情況下，數(shù)據(jù)的Kaiser-Meyer-Olkin特征值為0.612，且Bartlett球形檢驗(yàn)中，卡方值為56.24，表明該數(shù)據(jù)適合因子分析。

2.3.2 因子分析的總方差解釋與主成分命名

表3為8個(gè)變量在3個(gè)因素上的未轉(zhuǎn)軸因素矩陣(即原始因素負(fù)荷量矩陣)。表4為轉(zhuǎn)軸后的因素矩陣，采用最大變異法(Varimax)進(jìn)行直交轉(zhuǎn)軸。

表3 因子分析——主成份矩陣

注：采用主成份分析萃取方法。

表4 旋轉(zhuǎn)主成分矩陣

注：采取主成份分析萃取法。旋轉(zhuǎn)法為具有Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法。

根據(jù)因子分析提取主成分的要求，被分析因子的Kaiser特征值必須大于1，方差累計(jì)貢獻(xiàn)接近于100%。從分析結(jié)果(表3)中可以提取3個(gè)主成分。主成分1解釋了總方差的31.25%，其中CODCr和BOD5占有較高的因子載荷，分別占75.0%和58.5%。根據(jù)污染物特點(diǎn)，并結(jié)合表4，將主成分1命名為好氧有機(jī)污染物。主成分2解釋了總方差的23.09%，其中氨氮占有較高的因子載荷，占85.2%，結(jié)合表4將主成分2命名為富營氧化污染物。主成分3解釋了總方差的16.67%，其中糞大腸菌群占有較高的因子載荷，占48.2%，結(jié)合表4將主成分3命名為糞便病原污染物。

因此，通過因子分析的總方差解釋表明，三峽庫區(qū)“重慶段”主要有3種類型的污染物，分別依次為耗氧有機(jī)物污染物(31.25%)，富營養(yǎng)化污染物(23.09%)和糞便病原污染物(16.67%)。

2.3.3 三峽庫區(qū)城鎮(zhèn)水污染問題診斷及控制措施

三峽庫區(qū)“重慶段”三江干流斷面中好氧有機(jī)污染物總方差比例最高，為31.25%，因此可認(rèn)為第一主成分(耗氧有機(jī)物污染物)為三峽庫區(qū)長江、嘉陵江、烏江段最主要的污染物。該好氧有機(jī)污染物中CODCr、BOD5的負(fù)荷量(分別為75.0%和58.5%)相比其他污染物負(fù)荷量較高，其主要原因是隨著全市城鎮(zhèn)常住人口的增加，城鎮(zhèn)生活污水排放量呈逐年上升，導(dǎo)致化學(xué)需氧量、高錳酸鉀鹽指數(shù)以及5d生化需氧量的排放量總體呈上升趨勢(shì)。另外，工業(yè)區(qū)規(guī)模較大，農(nóng)副食品加工業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、飲料制造業(yè)和非金屬礦物制品業(yè)占有較大比例，其排放的廢水中含有大量的耗氧有機(jī)物質(zhì)。所以, 解決此區(qū)間水體污染問題，應(yīng)從保證供求關(guān)系的前提下減少污染行業(yè)數(shù)目，增加污水處理廠數(shù)目，提高污水處理率，節(jié)能減排等方面入手。

三峽庫區(qū)“重慶段”三江干流斷面中富營養(yǎng)化污染物總方差比例較高，為23.09%，因此可認(rèn)為第二主成分(富營養(yǎng)化污染物)為三峽庫區(qū)長江、嘉陵江、烏江段的主要污染物。該好氧有機(jī)污染物中氨氮的負(fù)荷量(為85.2%)相比其他污染物負(fù)荷量較高，其主要原因應(yīng)為該段中工業(yè)廢水中氨氮排放量超標(biāo)的企業(yè)較多。其中超標(biāo)最嚴(yán)重的企業(yè)是化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)，其次為農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)、造紙及紙制品業(yè)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)和醫(yī)藥制造業(yè)。所以，解決此區(qū)間水體污染問題主要應(yīng)通過采取污水處理廠的升級(jí)改造、加強(qiáng)生物脫氮減少氮排放量等。

三峽庫區(qū)“重慶段”三江干流斷面中糞便病原污染物總方差比例也較高，為16.67%，因此可認(rèn)為第三主成分(糞便病原污染物)為三峽庫區(qū)長江、嘉陵江、烏江段的主要污染物。該糞便病原污染物中糞大腸菌群的負(fù)荷量(為48.2%)相比其他污染物負(fù)荷量較高，主要原因是該段該區(qū)間多為大中城市，城鎮(zhèn)人口眾多，工業(yè)區(qū)規(guī)模較大，在人口密集區(qū)域，存在生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水的直排現(xiàn)象，應(yīng)該加強(qiáng)生活污水和工業(yè)廢水的收集和處理。

綜上所述，主成分1、2、3 分別來自于城市生活污水和工業(yè)廢水中的耗氧有機(jī)物污染；化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)、造紙及紙制品業(yè)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)和醫(yī)藥制造業(yè)排放的生產(chǎn)廢水污染，同時(shí)，以上3種主要成分污染物主要分布在長江、嘉陵江、烏江段，包括寸灘、大溪溝、高家花園、朱沱、白帝城、鴨嘴石和清溪場等污染嚴(yán)重?cái)嗝妗＿@幾個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面是含以上3種主要成分污染物濃度最高的場所，使得三峽庫區(qū)水污染物排放量持續(xù)增加，減排壓力大?？傊?，環(huán)境保護(hù)投入相對(duì)不足是造成庫區(qū)水污染的主要原因。所以，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)根據(jù)上述各監(jiān)測斷面的污染特點(diǎn)，對(duì)該地區(qū)的污染物排放進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，逐漸改變?nèi)龒{庫區(qū)粗放型經(jīng)濟(jì)增長方式，提高城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行效率，同時(shí)加快農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，已達(dá)到污染物排放逐步減少的目的。

3 結(jié) 論

1)重慶市三峽庫區(qū)干流流域中主要有3種類型的污染物，耗氧有機(jī)物污染物、富營養(yǎng)化污染物、糞便病原污染物對(duì)整個(gè)三峽庫區(qū)干流流域污染的貢獻(xiàn)率依次為31.25%，23.09%和16.67%，為重慶市三峽庫區(qū)干流流域水體的主要污染物。

2)重慶市三峽庫區(qū)干流流域中的3種類型污染物主要來源于城市生活污水和工業(yè)廢水中的耗氧有機(jī)物污染; 化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)、造紙及紙制品業(yè)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)和醫(yī)藥制造業(yè)排放的廢水中所含有的富營養(yǎng)化污染物；最后是居民生活密集區(qū)排放的生活廢水中含有的糞便病原污染物。

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