基于多元回归方程在太子河流域污染源识别及贡献率分析中的应用

邵 薇

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

太子河属于浑河的重要支流，其主要流经辽宁中东部的辽阳、本溪、鞍山等城市[1]。太子河上游位于东部山区，植被覆盖较多，水质状况相对较好，而中下游主要流经城市段，工业污染和居民生活污水排放影响较大，水质状况明显劣于上游地区[2]。太子河流域作为流经城市的社会经济命脉，其水环境保护对于区域社会经济可持续发展具有重要意义[3]。近些年来，对太子河流域水环境特征研究取得一定成果[4- 15]，但是这些研究大都针对单个或多个水质监测断面且分析的数据系列较短，对于整个太子河流域沿程水质特征分析还较少。为此本文根据太子河流域8个国控水质监测断面2000—2019年5类水质监测数据，对流域水质时空变化趋势进行分析并对污染控制措施进行探讨，研究成果对于太子河流域整体水环境保护规划具有重要的支撑作用。

1 研究方法

从太子河流域国家级省级水质监测断面选取等小姐庙、小河口、唐马寨、小林子、辽阳、二焦、本溪、老官砬子8个断面，根据各水质监测断面2000—2019年连续水质采样监测数据，选取具有代表特征的氨氮、高锰酸钾指数、化学需氧量、生化需氧量等5种水质监测指标用于太子河流域水质演变特征分析。水质影响因子主要采用主成分分析方法确定污染源，采用多元回归方程结合各因子主成分值计算相应的污染因子贡献率，从而对主要影响因子进行指标量化。以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》对太子河流域选取的8个水质监测断面进行水质评价，对每个水质指标分别进行评价后再对水质达标率进行分析，按照单一指标评价结果选取最差值作为水质整体评价结果。水质变化趋势主要采用M-K非线性显著检验方法对各水质指标变化特征进行显著变化特征的分析。该方法将水质监测指标序列作为样本序列对其统计变量S进行计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—水质指标样本序列显著性检验统计变量；xi和xj—来自同一个样本总体的2个样本数据系列；σs—方差标准计算值；sign—计算变量；n—总的样本序数；Z—检验特征变量。

Z>0则表示水质指标呈现递增变化趋势，否则呈现递减变化趋势；|Z|>2.32、1.64<|Z|<2.32、1.28<|Z|<1.64则分别表示变化趋势的显著性可分别达到99%、95%以及90%的置信水平。

2 水质时间特征分析

2.1 水质断面达标率分析

以GB 3838—2002对太子河流域选取的8个水质监测断面进行水质评价，对每个水质指标分别进行评价后再对水质达标率进行分析，按照单一指标评价结果选取最差值作为水质整体评价结果对其水质达标率进行统计分析，结果见表1。

表1 太子河流域水质年达标率统计分析结果

对每个水质指标达标率分别进行分析，再按照单一指标评价结果选取最差值作为其水质整体评价结果对其水质达标率进行统计分析，由太子河流域水质年达标率统计分析结果可看出，2000—2010年，太子河流域水质断面达到Ⅲ类水质以上的断面大都为1个，部分年份无达标断面，水质达标率较低；从2011年开始，通过太子河流域水环境综合治理工程的实施，流域水环境得到不同程度的改善，水质达标率也逐年升高，从2011年8个水质断面中水质达标断面的2个，递增到2019年的5个，流域水环境得到较大程度的改善。

2.2 水质断面各指标变化趋势分析

基于选取的太子河流域8个水质监测断面的氨氮、生化需要量、化学需氧量、高锰酸钾指数、挥发酚等水质指标数据，结合M-K非线性显著检验方法对各断面水质浓度变化趋势进行检验和分析，变化趋势分析结果见表2—6。

表2 太子河流域主要水质监测断面氨氮浓度变化趋势

表3 太子河流域主要水质监测断面生化需氧量浓度变化趋势

表4 太子河流域主要水质监测断面化学需氧量浓度变化趋势

表5 太子河流域主要水质监测断面高锰酸钾指数浓度变化趋势

表6 太子河流域主要水质监测断面挥发酚变化趋势

从太子河流域8个国控水质断面主要5类水质指标的变化趋势可看出，小姐庙、小河口2个水质断面各类水质指标均为显著递减，均达到90%以上的显著性检验水平，各类水质指标浓度递减率均较高。唐马寨断面除了化学需氧量和高锰酸钾指数呈现显著递增变化趋势外，其他指标均无显著变化，其显著递增的主因在于工业污染影响。小林子断面除高锰酸钾指数无显著变化外，其他水质均呈现显著递增或递减变化，其中化学需氧量以及挥发酚呈现显著递增变化，其主要也因为工业污染影响，小林子断面氨氮呈现显著递减变化，表明居民生活污染影响程度有所减弱。辽阳断面生化需氧量呈现显著递减，挥发酚显著递减，其他指标均无显著变化，主要受居民生活污染影响所致。二焦断面除氨氮显著递增以及挥发酚无显著变化外，其他指标均呈现显著递减变化趋势，氨氮显著递增主要受居民生活污染影响，化学需氧量、生化需氧量、高锰酸钾指数显著递减率均高于15%，其中高锰酸钾指数递减率高于80%。本溪站氨氮和生化需氧量受城市居民生活污染影响呈现显著递增变化，其他指标无显著变化。老官砬子断面位于太子河上游，水质指标均无显著变化。

2.3 太子河流域水质空间变化特征

结合选取的太子河流域8个水质监测断面各水质指标浓度多年平均值，对流域水质沿程变化特征进行分析，各断面水质浓度多年平均值见表7。

由太子河流域主要水质监测断面水质多年平均浓度可看出，流域各水质断面从上游到下游呈现一定程度的沿程递减变化，辽阳站和本溪站作为城市水质断面其各水质指标浓度较高，主要受城市工业和居民生活污染影响，而老官砬子作为太子河上游断面，上游主要为植被，农业面源污染相对较少，因此其水质浓度相对较低。

3 主要污染源解析

3.1 污染源识别

结合太子河流域8个水质监测断面的8个水质常规监测指标，对太子河流域的主要污染源进行识别，各水质变量间的相关度主要采用KOM和Bartlett球形进行检验，结果见表8。

主成分分析KOM取样中适切量值高于0.7，相关度检验水平P低于0.05满足置信度要求，8个水质变量之间具有较好的相关度，主成分分析的数据总体具有较好的正态分布，主成分分析结果有效。

表7 太子河流域主要水质监测断面水质多年平均浓度 单位：mg/L

表8 太子河流域各水质指标主成分分析结果

太子河流域各水质指标主成分分析结果表明，3个主成分的累积贡献率为70.80%，在主成分1中具有较强正载荷的为氨氮和化学需氧量，主成分1方差贡献率为41.53%，太子河主要流经辽阳、本溪以及鞍山3市，城镇居民生活污水的排放使得河流水体中不断累积有机物，水体富营养化程度有所增加，因此城镇污水排放是第一个主成分因子，气象因子为第二个主成分因子，气候条件影响程度较高的为pH，pH值的方差贡献率达到12.75%，因此认定第二个主成分因子为气象因子。挥发酚主要为工业生产所产生的水污染因子，其方差贡献率为16.52%。

3.2 污染贡献率分析

在各主成分分析的基础上，采用绝对主成分建立多元回归方程对各主成分污染贡献率进行分析，结果见表9。

表9 太子河流域主要污染指标贡献率分析结果

从太子河流域主要污染指标贡献率分析结果，氨氮以及化学需氧量在第一主成分的贡献率分别75.20%、82.65%，pH值在第二主成分的贡献率为81.52%，挥发酚在第三主成分的贡献率为83.60%。

4 污染控制措施

在对太子河流域主要水质控制断面水质变化趋势分析的基础上，本文提出以下污染控制措施，具体为：

(1)加大控制点源污染排放力度。调整流域内高污染消耗的产业结构，严格控制点源污染排放的污染总量，对于收益较低，排放污染消耗较大的企业要严格把控，制定奖罚措施，将农业灌溉方式进行转变，强化流域水环境保护，加快区域节水及水资源优化调控，改善太子河上游及干流水库水土环境，加强区域水源优化保护力度。

(2)提升区域水质自动监测能力。改进和优化太子河流域水质监测能力，优化水质自动监测站点，建立水质自动监测系统，从多个角度采样现代化监测体系去完善水质监测数据的连续性、完整性以及时效性，提升太子河流域水环境监控能力。

(3)调整区域产业布局。通过调整流域内化工企业的产业结构，加快工业环保措施优化调整，降低企业污染负荷排放，提倡耗水量较大的企业加大新技术的使用，提升用水效率。推进农业种植方式的调整，提高灌溉能力，推进生态农业的持续发展。

(4)持续加强生态保护力度。通过加大对生态工程的规划和建设力度，降低区域农业额、工业污染负荷，采取有效方式加大对太子河流域内水源地的保护力度，以科学精准的农业面源、工业及居民生活点源污染排放的管理方式，加大对生态环境保护工程的推广。

5 结语

(1)太子河流域主要污染因子为氨氮和化学需氧量，其主要来源居民生活点源排放，尤其是辽阳和本溪城市段，其氨氮和化学需氧量偏高，建议加大对流域氨氮和化学需氧量两类水质指标的控制力度，可加大河段内枯季水量并加大对如和污染物排放量的控制。

(2)建议调整流域内化工企业的产业结构，加快工业环保措施优化调整，降低企业污染负荷排放，提倡耗水量较大的企业加大新技术的使用，提升用水效率。推进农业种植方式的调整，提高灌溉能力，推进流域生态农业的持续发展。

(3)本文主要从太子河流域各水质指标年变化趋势进行分析，存在不足，在后期研究中还应考虑汛期和非汛期水量变化下太子河流域水质变化趋势，从而对制定不同来水条件下的太子河水环境保护措施提供对策。