基于因子分析和零維模型的二松水質(zhì)影響因素分析

松花江位于中國東北的北部，橫跨內(nèi)蒙古、黑龍江省、吉林省和遼寧?。ㄗ灾螀^(qū)）。這是中國的七大河流之一。第二松花江(以下簡稱二松)是松花江的主要支流。實施東北地區(qū)等老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略以來,松花江流域經(jīng)濟發(fā)展速度加快,實力不斷提高,基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善,資源利用效率顯著提高,生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護也取得了積極成效。二松流域是我國重要的老工業(yè)基地和商品糧生產(chǎn)基地,工農(nóng)業(yè)和生活用水量比較大,在取用水的同時,生產(chǎn)和生活過程中產(chǎn)生的廢、污水和農(nóng)業(yè)退水又以排水的形式釋放到自然水體中。大量取用水和污染物的排放不僅嚴重影響流域水產(chǎn)回游過程,也影響水的自然循環(huán)和流域經(jīng)濟發(fā)展,對人畜飲水安全帶來隱患。開展二松水質(zhì)與主要城市取排水及徑流影響研究,對于了解流域水資源的生成-供給-消耗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和要素,揭示流域水循環(huán)系統(tǒng)對流域水質(zhì)安全的影響機制,建立松花江流域面向水質(zhì)安全的水循環(huán)信息共享系統(tǒng)、降低松花江流域水污染風(fēng)險、有效應(yīng)對污染突發(fā)事件方案制定等均有重要意義。1流域流域及主要市二松為松花江的支流,是吉林省最大的一條江河,從吉林省的東南流向西北,流域面積為73834km2,河道長度為825.4km。二松上游段平均流量為230m3/s,隨著下游水流加快,其平均流量為350m3/s。本文所研究的江段為豐滿水庫以下到三岔河口,包括二松下游段及其支流——伊通河和飲馬河,見圖1。流域行政區(qū)域包括吉林、長春、松原三個主要地級市以及農(nóng)安、德惠等五個縣級市。長春市是吉林省的省會城市,全省經(jīng)濟文化中心。吉林市是省內(nèi)第二大城市,主要以石油化工業(yè)為主。研究流域內(nèi)水利工程化程度較高,大型水庫包括位于二松干流的豐滿水庫,位于飲馬河上游的石頭口門水庫和星星哨水庫,以及位于伊通河上游的新立城水庫。水庫的建設(shè)在一定程度上減緩了天然徑流過程。2數(shù)據(jù)來源和技術(shù)方法2.1水利部門及外部監(jiān)測數(shù)據(jù)本文取水量、退水量數(shù)據(jù)取自統(tǒng)計年鑒,水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來自水利部門和環(huán)保部門監(jiān)測數(shù)據(jù)的年平均值。監(jiān)測斷面包括研究流域段內(nèi)豐滿水庫、二水廠、石屯、新立城水庫、長春、農(nóng)安、松原上、松原下、石橋9個監(jiān)測斷面。2.2水質(zhì)標識指數(shù)法本文運用基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)評價模型對研究流域9個監(jiān)測斷面的總體水質(zhì)做等級評價,該模型相對于綜合污染指數(shù)法及水質(zhì)標識指數(shù)法等模型而言,可簡化評價指標,避免評價過程的主觀性,能較好反映河流水質(zhì)總體特征。零維河流完全水質(zhì)模型可以模擬污染水體經(jīng)過一段距離自然稀釋后的水質(zhì)狀況,并與監(jiān)測值進行比較,分析人為排水對水質(zhì)的影響程度。2.2.1評價步驟及評價結(jié)果設(shè)有n個水質(zhì)樣本,每個水質(zhì)樣本共有p個觀測指標,即構(gòu)成了一個n×p階的矩陣Xn×p,在對數(shù)據(jù)標準化的基礎(chǔ)上,利用水質(zhì)評價模型進行評價。評價步驟包括求解初始公共因子及因子荷載矩陣、因子旋轉(zhuǎn)、因子得分、求指標權(quán)重及綜合指標值4步。水質(zhì)模型見式(1)和式(2)。式中:w為指標權(quán)重;y為綜合指標值;β為因子得分系數(shù);e為方差貢獻率;z為指標標準化后數(shù)值。公式(1)(2)即構(gòu)成了基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)評價模型。y越大,說明水樣的綜合污染程度越嚴重。利用綜合指標值再結(jié)合相應(yīng)的水質(zhì)標準就可對所評價水體樣本進行準確的分級。2.2.2污染物初始濃度模型利用零維河流完全水質(zhì)模型可以計算污染物排入水體后隨著距離加大其自然稀釋的程度,將計算得出的污染物自然稀釋濃度與實際監(jiān)測值進行比較,用以分析人為排水對水質(zhì)的影響。污染物進入水體后,在污染物完全均勻混合斷面上,無論是溶解態(tài)、顆粒態(tài)還是總濃度,其起始值均可按節(jié)點平衡原理來推求。對于河流而言,零維模型常見的表現(xiàn)形式為河流稀釋模型,該模型包括污染物混合濃度方程(3)和污染物衰減方程(4)。式中:cp為污染物排放濃度,mg/L;k為廢水排水量,m3/s;x為河水中污染物濃度,mg/L;u為河水流量,m3/s。污染物濃度在河流中隨著水流逐漸衰減,其衰減方程為式中:C0為初始濃度,mg/L;k為衰減系數(shù);x為所求點距排污口距離;u為河流水平均流速。32.二松水質(zhì)量評價3.1豐、枯水期水質(zhì)指標分析選擇反映二松水環(huán)境特征的總氮、總磷、CODMn和BOD54個指標作為水質(zhì)評價因子,因只收集到2008年以前水質(zhì)數(shù)據(jù),所以選取2006、2007、2008年三年監(jiān)測數(shù)據(jù),該三年數(shù)據(jù)能較好的反映現(xiàn)階段水質(zhì)情況,然后列出9個監(jiān)測斷面三年的總平均值,結(jié)果見表1,再結(jié)合豐、枯水期各指標的含量繪制主要污染物指標含量圖,結(jié)果見圖2。從表1和圖2可見,無論是豐水期,還是枯水期,位于伊通河上的長春和農(nóng)安斷面,CODMn、BOD5、總氮和總磷含量均遠遠大于其他監(jiān)測斷面。二松干流各監(jiān)測斷面的各項污染指標值呈從上游至下游逐漸增加,水質(zhì)逐漸變差的趨勢,且枯水期大于豐水期。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002),我們對各監(jiān)測斷面三年的均值進行了豐水期與枯水期單因子等級評價,詳見表2。評價結(jié)果表明,二松的徑流量大,自凈能力強,豐水期水質(zhì)明顯優(yōu)于枯水期。豐滿水庫和新立城水庫的水質(zhì)較好,各項指標值多為Ⅱ級。松原市附近三個監(jiān)測斷面的總磷含量相對較高。長春、農(nóng)安各項指標的均值多為Ⅴ級,明顯大于其他監(jiān)測斷面,河流污染嚴重。3.2評價指標權(quán)重確定運用SPSS13.0軟件進行因子分析,確定主因子有兩個,其累計貢獻率可達到99.7%,可代表原評價絕大部分的信息。進行方差正交化旋轉(zhuǎn)求得的方差貢獻率見表3,通過式(1)可得到各個評價指標權(quán)重,見表4。將標準化后的水質(zhì)數(shù)據(jù)及標準化后的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中的水質(zhì)數(shù)據(jù)分別代入式(2),可得各監(jiān)測斷面的綜合指標值及水質(zhì)分級標準。將各綜合指標值與水質(zhì)分級標準相比較即可得水質(zhì)級別,結(jié)果見表5和表6。運用基于因子定權(quán)分析的水質(zhì)評價模型的綜合評價結(jié)果基本上與實測水質(zhì)情況相吻合。長春市和農(nóng)安縣水質(zhì)很差,均為Ⅴ級。二松干流豐滿水庫段水質(zhì)較好,隨著人類活動影響的加大和各支流的匯入,下游水質(zhì)逐漸變差。4污染物衰減模型以CODMn為例,計算2006、2007、2008三年理論上衰減度與實際監(jiān)測差別。我們選取了二水廠和長春監(jiān)測斷面,其豐水期、枯水期CODMn實測濃度見表7。為計算二水廠和長春斷面污染物隨河水流動一段距離后的稀釋程度,特選取了距二水廠下游50km的石屯和距長春下游65km的農(nóng)安兩個監(jiān)測斷面,通過零維河流完全水質(zhì)模型模擬污染物自然稀釋的程度。研究流域段平均流速為1.29m/s,衰減系數(shù)在0.185~0.240/d之間,本文選取2/d。經(jīng)過污染物衰減模型計算后,得到了石屯、農(nóng)安豐水期、枯水期CODMn濃度的計算值,并與監(jiān)測站監(jiān)測值對比,詳見表8。由表8對比可以看出,監(jiān)測值比計算值大的多,一般是計算值的3倍到4倍,最大的可達6倍,可見污染物在河流中的濃度并非完全自然衰減,而在很大程度上受到人為工業(yè)廢水、生活污水排放的影響。不斷地向河流排入工業(yè)廢水與生活污水導(dǎo)致了污染物濃度的增加,與此同時污染物隨著水流在進行自然的衰減,所以,河水中的污染物濃度值是自然與人為的共同作用結(jié)果,而且研究江段人為排水對水質(zhì)造成的影響占主要因素。5流量和流量對河流水質(zhì)的影響5.1各城市取水量、排放量與徑流的關(guān)系鑒于二松豐滿水庫到入松花江干流主要有吉林市、長春市兩個特大型城市和松原市大型城市,因此,本節(jié)重點分析3個城市的取水量、排水量與徑流量之間的關(guān)系。5.1.1農(nóng)業(yè)取水量、工業(yè)水資源量吉林市取水主要來自豐滿水庫,長春市取水來自石頭口門水庫和新立城水庫,松原市取水主要來自江北松花江水源地。3個城市2006、2007、2008年的年均取水量與排水量見圖3、圖4。三城市取水量對比可知,吉林市年均總?cè)∷孔畲?長春市次之,松原市最小,三城市農(nóng)業(yè)取水量均較大。吉林市的工業(yè)取水量最大,占該市總?cè)∷康?5%以上。吉林市年均排水量最大,為9.94億×108m3/a,長春市為3.3×108m3/a,松原市為1.48×108m3/a。吉林市的工業(yè)排水量十分巨大,僅吉林熱電廠、紙業(yè)公司和石化公司年排污水量達就可達5.09×108m3/a。長春市部分工業(yè)與生活污水進入第一污水處理廠和第二污水處理廠,處理達標后的年總排水量為0.86×108m3/a,占總排水量的26%。松原市工業(yè)和生活取水量比較小且排水分布比較分散,處理率較低。5.1.2生活污水量:農(nóng)業(yè)及工業(yè)實際用量占水量的84.三城市年均取水、排水以及排水占取水的比例見表9,取排水與徑流量關(guān)系見表10。從表9可知,三城市年均排水量為取水量的67.8%,其中農(nóng)業(yè)排水量占農(nóng)業(yè)取水量的71.7%,工業(yè)占76.3%,城市生活排水量占取水量的53.7%。長春市年均排水量占徑流量的52.29%,枯水期所占比例大約為80%左右,說明長春段伊通河流量小,河水的自凈稀釋能力差,成為伊通河長春段水質(zhì)較差的主要原因。吉林與松原兩市的年均排水量占徑流量的比例相對較小,分別為12.71%和1.22%,其河流稀釋能力較強。5.2松干流及其下游的水質(zhì)評價分析吉林市、長春市和松原市作為二松流域的重要城市,其城市生活、工業(yè)取水和廢污水排放對二松水質(zhì)影響很大。吉林市位于二松干流的上游,取水量和排水量均很大,但是,由于河水的徑流量較大,為78.21×108m3/a,排水量占徑流量的12.71%,河流徑流量大,自凈能力強,故該河段水質(zhì)較好。長春市位于二松支流伊通河段的中游,該河流的多年平均徑流量很小,取水量和排水量較大,排水量占徑流量的52.29%。城市排出的大量污水不能有效的隨徑流而稀釋,致使伊通河長春段下游水質(zhì)大幅度的下降,水質(zhì)等級為Ⅴ級,同時影響二松干流下游水質(zhì)。二松干流下游的松原市取水量和排水量均很小,且該段河流的徑流量很大,為上游段徑流量的2倍左右,排水量占徑流量的1.22%。水質(zhì)評價表明該段水質(zhì)為Ⅲ級。雖然排入該河段的污水可以被快速而有效的隨較大徑流而稀釋,但是由于伊通河段劣質(zhì)水的匯入,導(dǎo)致該河段水質(zhì)明顯劣于上游。6二松流域水質(zhì)特征(1)二松豐滿水庫水質(zhì)較好,進入吉林市后,雖然有城市生活與工業(yè)污水特別是幾個排污重點企業(yè)產(chǎn)生的廢水排放,但由于徑流量較大,江水的自凈能力較強,二松水質(zhì)由Ⅱ類變?yōu)棰箢?。二松支流伊通河上游的新立城水庫水質(zhì)良好,為Ⅲ類水體,進入長春市區(qū)后,工業(yè)與生活污水的大量排放和較小的地表徑流量,導(dǎo)致該河段達到劣Ⅴ級水質(zhì),污染十分嚴重,并影響下游乃至二松干流的水質(zhì)。(2)各城市取水量和排水量呈正比關(guān)系,排水量對江水水質(zhì)影響在一定程度上受徑流量的控制。從二松流域三城市取、排水量現(xiàn)狀與徑流量關(guān)系分析可知,三城市水資源循環(huán)利用率較低,人為生活與工業(yè)污水排放對二松江水的水質(zhì)影響較大,特別是部分未經(jīng)處理的污水排放對水質(zhì)影響很大。相對干流而言,支流徑流量小,水環(huán)境容量小,排水對河流水質(zhì)影響極大。(3)基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)模型是比較有效、合理的綜合水質(zhì)評價方法,相對于綜合污染指數(shù)法及水