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基于标识指数方法的辽河流域水质综合评价及污染源解析

2024-12-17 57 上传者：管理员

摘要：为提高辽河流域生态保护措施制定的科学性，结合辽河流域24个水质监测断面BOD5、NH3-N、COD等6类指标，采用标识指数方法对辽河流域水质进行综合评价，并结合主成分分析方法对主要影响因素进行污染源解析。分析表明，各水质监测断面标识指数在2.21～6.36之间，干流总体水质达标率为75.9%,中下游呈现中度污染。耗氧有机物为辽河流域主要污染源，相对贡献率为57.629%,其次为富营养因子，其相对贡献率为17.358%。

关键词：
标识指数
水质综合评价
污染源解析
生态保护
辽河流域
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流域水环境治理和生态保护需要对水质综合评价及污染源解析作为重要的数据支撑，对于流域水环境质量科学、准确评估具有重要的意义[1]。当前，综合水质标识指数、罗斯指数以及内梅罗指数在国内水环境综合评价中得到较为广泛的应用[2- 5],但通过应用成果对比，综合水质标识指数方法可综合考虑不同单因子水质指标之间的关联程度，总体水质综合评价成果要好于其他两种水质综合评估的方法，在国内目前应用较为成熟。在水质综合评价的基础上，结合水质综合评价结果，对其污染源进行解析，通过污染源解析成果对其主要污染来源进行判定，可为流域水环境综合治理规划提高依据[6]。目前国内对于水环境污染源解析取得一定研究成果[6- 15],其中多元统计方法应用效果较好，但该方法在辽河流域污染源解析中还未得到相关应用。辽河属于辽宁省第一大河流，近些年来，随着流域内工业和农业快速发展，流域内非点源和面源污染负荷明显递增，河流水生态功能遭到不同程度的破坏。亟需通过对辽河流域水环境进行综合评价，并对其主要污染源进行解析，从而制定相对应的水环境保护措施。为此结合辽河流域25个水质监测断面BOD5、NH3-N、COD指标，采用标识指数方法对辽河流域水质进行综合评价，并结合主成分分析方法对主要影响因素进行污染源解析。

1、数据来源及方法

1.1 数据来源

分析的水质指标数据主要来源于水环境质量报告，并对辽河流域25个水质监测断面按照国家水质标准对石油类、高锰酸钾指数、挥发酚、氨氮、化学需要量、五日生化需氧量指标的测定，统计的水质指标共为6类，统计水质指标序列个数为450个，各类水质监测指标数据序列长度为20年浓度均值。

1.2 研究方法

(1)水质综合评估方法

采用综合标识指数方法对各水质监测断面进行水质综合评价，该评价方法可综合考虑单个水质指标进行标识指数的计算，计算公式为：

Iwq=X1·X2·X3·X4(1)

式中，X1—水质综合评价指数；X2—综合水质评估划分等级；X3—未达到水质保护目标的指标个数；X4—有效数值个数，取值为2或1;Pt—第i类水质指数。按照X1·X2相乘的整位数和小数点2位得到水质综合标识指数对于的等级，综合标识指数对应的等级划分标准见表1。

表1 综合标识指数对于的等级

(2)指标检验方法

对各指标若干变量指标进行样本指标的检验，在对样本变量值和分类特征进行明确分析的基础上，建立判定含水对更多变量信息指标进行检验，用于对检验的水质指标序列按照最小程度进行指标检验。

(3)多元统计方法

对污染排放源因子及污染来源按照监测信息进行定量分解确定主要污染来源。通常情况下污染物来源解析条件需要监测指标能够被解析，因此各指标在进行污染源解析前需要对监测的水质指标进行方差累积贡献率的分析，并确定指标特征值。在具体应用时，各指标方程累积贡献率高于85%时即可满足解析要求，污染源指标特征值高于1时其包括的因子类别相对较多。采用主成分分析方法对主要因子进行分析基础上选用数理统计学方法对进行主要污染源进行解析求解，确定各污染源的相对贡献率。

2、结果与分析

2.1 水质现状评估

结合辽河流域24个水质监测断面BOD5、NH3-N、COD等6类指标，采用标识指数方法对辽河流域水质现状进行综合评估，并对各水质监测断面现状污染程度进行分析，结果见表2。

从辽河流域各水质监测断面水质综合评估结果可看出，24个水质监测断面中Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类、Ⅱ类、Ⅰ类占比分别为16.7%、33.3%、33.3%、8.33%、8.33%,Ⅳ和Ⅲ类占比相对较大，结合各水质监测断面保护目标，辽河流域2022现状年水质总体达标率为75.9%。依据水功能区划分原则对各水质监测断面进行污染程度划分，其划分标准为综合标识指数高于7.0为重度污染，综合标识指数在(4,6]为中度污染，轻度污染对应的综合标识指数在在(3,4]之间，而优良程度对应的综合标识指数为(1,3]之间，从辽河流域24个水质监测断面污染程度可看出，其中度污染占比为75%,轻度污染总体位于辽河的中上游，而中下游呈现中度污染。

表2 辽河流域各水质监测断面水质综合评估结果

2.2 指标分组检验

分别按照中度污染、轻度污染、重度污染、优良进行分组检验，分组检验参数见表3,并按照对应检验概率对分组进行统计分析，分组统计结果见表4。

表3 分组检验对应参数指标

按照不同污染等级对各水质监测断面进行分组检验，各分组检验准确率在19%～100%之间，检验判定的准确率可满足指标检验进行解析求解的要求，总体检验达标率可达到85%以上，按照不同分组建立的各指标检验可总体满足多元统计的解析求解要求。表明建立的各分组等级划分标准具有可靠性，结合各分组检验水质指标可用来进行污染源的解析求解。

表4 分组检验统计结果

2.3 污染源解析

在各分组水质指标检验分析基础上，对6类水质指标在不同统计学方法上的自由度、统计量、概率进行分析，确定各水质指标是否满足正态分布，通过正态分别检验才可进行污染源解析，从而提高各水质指标污染源解析的客观性，各水质指标正态分布检验结果见表5。

表5 各水质指标正态分布检验统计结果

从6类水质指标在不同统计方法的正态分布检验结果可看出，各水质监测断面的6类水质指标在不同统计方法下的显著性概率统计值均高于0.05,满足正态分布的检验。2类统计学方法主要通过对统计量来对水质分析因子的适用性进行探讨，当各类指标的统计量高于0.7,则认为适合分析因子，而低于0.7但高于0.5,则认为较为适合，若统计量低于0.5则认为不适合进行分析。因此Shaprio-Wilk相比于Kolmogorov-Smimov方法适用性更好。在各类水质指标正态分布检验的基础上，考虑到辽河流域各水质监测断面的污染等级无优良分组，采用3组进行各类水质指标分组，按照Shaprio-Wilk统计方法下的指标概率对各类水质指标进行主成分分析，以累积方差对其主要污染源的相对贡献率进行统计。

2.4 相对贡献率分析

结合主成分分析对各类水质指标进行3类主成分分析，其各类主成分下的因子荷载矩阵及方差结果见表6。

表6 辽河各水质监测断面主要水质指标主成分分析结果

从主成分分析结果可看出，主成分1的方差贡献率为57.629%,在6类水质指标中CODMn、BOD5以及COD的主成分荷载值最大，分别为81.9%、95.2%以及95.3%,因此第一主成分以耗氧有机物为主。在主成分2下的方差贡献率为18.256%,NH3-N在各类水质指标中荷载值最大，为90.5%,因此第二主成分以富营养化因子为主。主成分3下的方差和贡献率为17.358%,荷载值最大的为挥发酚，因此第三主成分以有毒有机物为主。辽河中小游污染程度较高，有毒及耗氧有机物是主要污染物。相比于其他指标，COD和BOD5的综合标识指数较高，是第一主成分的主要污染指标，辽河干流沿线工业规模、城镇人口数量占比较大，造纸业较为发达，耗氧有机物在工业排放废水中占比较高，在维持当前水资源供需平衡的基础上，需要提高辽河流域沿线城市水污染处理能力并提高工业废水排放标准。辽河流域沈阳、抚顺段的NH3-N水质标识指数高于其他5类水质指标，浑河段第二主成分以NH3-N为主，要加大对沿线生活及污水排放监管力度，降低污水排放中NH3-N浓度。辽河流域辽阳段标识指数较高的为挥发酚，是该河段第三主成分的主导污染物，该河段分布有钢铁、冶金企业，工业废水排放中挥发酚较高，需要严格管控其工业废水中的排放量。

3、结论

(1)污染源解析条件需要水质指标符合正态分布检验，检验统计概率值要高于0.7,低于0.7的指标因子解析精度不高，此外Shaprio-Wilk相比于Kolmogorov-Smimov方法对水质指标正态分布检验的适用性更好。

(2)辽河流域沈阳和抚顺段主要以造纸厂及城市生活污水为主导污染源，主导污染物为耗氧有机物和NH3-N,鞍山段、盘锦段以石油化工厂、冶金厂工业废水排放及城镇居民生活污水为主，挥发酚、NH3-N是其主导污染物。

(3)本文对重金属污染指标研究还较少，在后续资料丰富的基础上，重点对辽河各沿线监测断面重金属进行污染源解析。

参考文献:

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[2]熊悦丁.辽河铁岭段污染物入河通量及支流污染物贡献率分析[J].水利规划与设计,2022(9):31- 35.

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[5]刘瑛楠,吕宝阔.连续流动分析技术在辽河干流典型河段水质监测中的应用[J].水与水技术,2023:173- 175.

[6]祁晓红.大辽河营口段地下水水质变化趋势分析[J].水利科学与寒区工程,2023,6(2):68- 70.

[7]李硕.基于标识指数法的辽河流域水质评价[C]//辽宁省水利学会.辽宁省水利学会2022学术年会论文集,2022.