松花江水體中多環(huán)芳烴污染源解析因子分析研究
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陳鋒， 孟凡生， 王業(yè)耀， 張鈴松， 楊琦
（1．中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083；
2．北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊065000;
3．中國環(huán)境科學(xué)研究院，水污染控制技術(shù)研究中心，北京100012；
4．中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京100012）
摘要：在水體環(huán)境中應(yīng)用污染物源解析模型，從源頭上實現(xiàn)對污染物的控制對于遏制水質(zhì)惡化具有重要意義。該文通過對松花江豐水期18個監(jiān)測斷面和平水期16個監(jiān)測斷的16種EPA優(yōu)先控制的多環(huán)芳烴作為目標污染物，應(yīng)用因子分析法識別水體中多環(huán)芳烴的主要來源，結(jié)果顯示：松花江流域水體有4個主要的多環(huán)芳烴污染源，分別為煤及石油的燃燒源、交通污染源、石油污染物和煉焦污染源。豐水期與平水期多環(huán)芳烴污染來源基本一致。根據(jù)沿江主要工業(yè)分布得出：二松吉林段主要來源于吉林石化等大型石化企業(yè)和熱電廠的石油燃燒和煤燃燒；二松松原段主要來源于當?shù)氐挠途驮春蜔犭姀S的燃煤；干流哈爾濱段主要來源于當?shù)責犭姀S的燃燒和石油燃燒；干流佳木斯段主要源于佳木斯市的焦化廠、熱電廠的石油源及煤燒。研究結(jié)果可為我國松花江流域水環(huán)境中多環(huán)芳烴的控制和治理提供參考和科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：松花江；水體；PAHs；源解析； 因子分析
源解析是研究污染物來源對周圍環(huán)境污染的影響和作用的一系列方法，是污染控制的基礎(chǔ)。近年來，由于全球及區(qū)域性環(huán)境問題不斷凸現(xiàn)，為削減污染物，切實有效地控制河流污染，污染源解析越來越受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。源解析方法源于大氣顆粒物的研究，國內(nèi)外關(guān)于大氣污染源解析的研究較多，而針對流域水環(huán)境污染物源解析的研究相對較少。多環(huán)芳烴( PAHs)具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)、較強的疏水性，且容易在生物體內(nèi)累積，是“三致”物質(zhì)。由于多環(huán)芳烴主要通過人類的生產(chǎn)和生活活動進入環(huán)境中，關(guān)注多環(huán)芳烴的來源途徑對環(huán)境整治和管理至關(guān)重要。
因子分析方法可由盡可能少的原始數(shù)據(jù)解釋較多的信息，是一種較為有效的方法，可應(yīng)用于量化計算河流水體的污染源貢獻率，推導(dǎo)每個識別出的污染因子的來源及貢獻率，近年來得到了較快的發(fā)展。馬嵐等應(yīng)用因子分析法對晉江流域21種常規(guī)污染物進行了源解析研究，得到晉江流域水體的5個主要污染源：化工源、居民生活源、煤礦源、鐵錳礦源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)源。鄭磊應(yīng)用因子分析法對太子河流域的有機氯農(nóng)藥進行了源解析研究，得出農(nóng)藥、大氣沉降、農(nóng)藥殘留與工業(yè)污染為主要來源。松花江流域是我國東北老工業(yè)基地生存和發(fā)展的命脈，陳思和許云竹分別利用比值法和因子分析——多元線性回歸對吉林段水體中的多環(huán)芳烴進行了源解析研究。孟凡生利用比值法對松花江全流域水環(huán)境中的多環(huán)芳烴進行了源解析研究�？傮w來說松花江全流域的PAHs源解析研究目前報道較少。本研究依據(jù)松花江流域特點，采用因子分析方法對全流域水體中多環(huán)芳烴來源進行分析，有助于松花江流域多環(huán)芳烴的污染防治和流域水環(huán)境管理。
1流域概況
松花江是我國七大河流之一，水資源總量居全國第三位。松花江流域地理位置在東經(jīng)119。52’—129。30’，北緯41042'～51038'之間；流域面積55.68萬km2。松花江有2個源頭：北源嫩江，發(fā)源于大興安嶺支脈伊勒呼里山中段南側(cè)的南甕河源地；南源第二松花江，發(fā)源于海拔2 744 m長白山主峰上著名的白頭山天池。2個江源分頭下流至吉林省松原市的三岔河附近匯合后向下，稱松花江干流。干流折向東流至黑龍江省同江市附近，由右岸匯人黑龍江。松花江總長：嫩江源合計為2 309 km，第二松花江源合計為1897 km，干流長939 km，分上、中、下游三段。采樣斷面見圖1。
2研究方法
2.1 因子分析方法
因子分析是多元統(tǒng)計分析技術(shù)的一個分支，多元統(tǒng)計方法的基本思路是利用觀測信息中物質(zhì)間相互關(guān)系來產(chǎn)生源成分譜或暗示重要排放源類型的因子。因子分析的其主要目的是濃縮數(shù)據(jù)，即將大量彼此可能存在相關(guān)關(guān)系的變量轉(zhuǎn)換成較少的彼此不相關(guān)的綜合指標。對河流污染物源解析，可以運用因子分析，對眾多污染指標之間的內(nèi)部依賴關(guān)系進行分析，并用少數(shù)幾個變量將其表示，這些變量能夠反映原來眾多的觀測變量所代表的主要信息，并解釋觀測變量之間的相互依存關(guān)系。因此，只要分析這幾個主要因子對受體的貢獻，便可得到整個污染指標樣本的污染源情況。因子分析方法隸屬于源解析方法中的受體模型，該方法實現(xiàn)條件簡單，不需要預(yù)先知道各污染源的指紋譜，能充分利用現(xiàn)實中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)較為精準的污染源解析。
本研究主要應(yīng)用因子分解進行分析，分析工具主要為SPSS19.0。
2.2研究區(qū)域及數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)來自2009年7月和10月對松花江主要現(xiàn)有國控和省控監(jiān)測斷面的多環(huán)芳烴監(jiān)測數(shù)據(jù)，松花江分別所處時期為豐水期和平水期。檢測指標為EPA優(yōu)先控制的16種多環(huán)芳烴，豐水期共設(shè)18個監(jiān)測斷面，平水期共設(shè)16個監(jiān)測斷面。在因子分析過程中，為使因子分析能夠均等地處理每一個原始變量，消除由于數(shù)值間差別較大而可能帶來的一些不合理的影響，在進行因子分析前，需要將各采樣點的濃度數(shù)值進行標準化處理（其中未檢測出的數(shù)值用均值代替）。
按式(1)進行原始數(shù)據(jù)的標準化計算：
式(1)中：X,為變量x的第!各觀測值，X為變量x的平均數(shù)，5為標準差。
3結(jié)果與討論
3.1豐水期水體污染源解析
為了驗證數(shù)據(jù)對因子分析的適用性，首先用Bartlett球度檢驗和Kaiser-Meyer-Olkin (KMO)標準對數(shù)據(jù)進行檢驗。
Bartlett球度檢驗用于檢驗相關(guān)性矩陣是否為單位矩陣，如果不是單位矩陣，則認為數(shù)據(jù)適合做因子分析。KMO統(tǒng)計量是取值在0～1之間，當所有變量間的簡單相關(guān)系數(shù)平方和遠遠大于偏相關(guān)系數(shù)平方和時。KMO值接近1，意味著變量間的相關(guān)性越強，原有變量越適合作因子分析；KMO標準一般認為KMO值>0.6（值域在0~1之間）的適合因子分析。
由于萘的高揮發(fā)性容易導(dǎo)致分析結(jié)果失真，本研究未對萘進行分析。進行主成分分析的運算的數(shù)據(jù)包括各采樣點的15種多環(huán)芳烴，分別為：苊、二氫苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、茚并[1，2，3-cd]芘、二苯并[a，h]蒽和苯并[g，h，i]苝。
經(jīng)過檢測，KMO值達到0.78，巴特利特球度檢驗結(jié)果Sig.為0，表示數(shù)據(jù)取自正態(tài)分布，認可了變量之間的相關(guān)性，適合做因子分析。根據(jù)Kaiser標準，提取的因子特征值應(yīng)大于1。從表1可以看出，符合此標準的前2各因子解釋了總方差的91%，說明提取前2個因子作為主因子合理。
所取的前2個因子的指標負載情況如表2，結(jié)合前面的研究，對各個主因子所代表的含義解釋如下：
F1（第1個主因子）：其中蒽、苯并[a]芘、苯并[kl熒蒽、菲、苯并[b]熒蒽、苣、芴的荷載較高，茚并[1，2，3-cd]芘、苯并[a]蒽、苯并[g，h，i]苝和二苯并[a，h]蒽也較突出，khalili等研究發(fā)現(xiàn)焦爐排放的多環(huán)芳烴主要有蒽、熒蒽、芴、菲二氫苊。Yang等通過研究發(fā)現(xiàn)，焦爐排放也會帶來大量的苯并[a]蒽。研究發(fā)現(xiàn)芴和苯并[a]蒽為煉焦排放的特征污染物，蒽、菲、苯并[a]蒽是燃煤污染所致，苯并[g.h.i]苝是交通排放的特征污染物，苯并[k]熒蒽、苯并[b]熒蒽指示為汽油燃燒的指示物，茚并[1.2.3-cd]芘是柴油燃燒排放的重要化合物，交通排放還會帶來大量的苊[30-31]故因子1代表燃燒源和交通污染源。
F2（第2個主因子）：其中Acy和Ace的荷載明顯高于其它化合物．有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)Fle、Acy、Ace等低環(huán)組分都是煉焦排放的特征化合物，石油或油類相關(guān)物質(zhì)排放的PAHs主要以烷基化與低分子量PAHs（如NaP、Acy、Ace、Phe等）為主，因子2可歸為石油、煉焦污染源。
每個監(jiān)測點的污染清況依各因子特征值大小作加權(quán)和，求得各監(jiān)測點污染指標的綜合得分，列于表3。
由表3可見，阿什河口下、佳木斯下、鎮(zhèn)江口是燃煤源和交通污染源最嚴重的監(jiān)測點，而這3個地區(qū)的總污水水平也位于前列。白旗和哨口是石油、煉焦污染最嚴重的監(jiān)測點。表3充分說明了在豐水期松花江流域不同監(jiān)測地區(qū)的主要控制污染物情況和各監(jiān)測地區(qū)的多環(huán)芳烴污染程度。結(jié)合松花江流域工業(yè)企業(yè)和斷面所處地域特點，具體分析如下：二松吉林段（豐滿、哨口、九站、白旗）水相PAHs主要來源于吉林石化等大型石化企業(yè)和熱電廠的石油燃燒和煤燃燒；二松松原段（松花江村、畜牧場、鎮(zhèn)江口、松原）水相PAHs主要來源于當?shù)赜途氖驮春蜔犭姀S的燃煤；干流哈爾濱段（肇源、蘇家屯、阿什河口下、呼蘭河口下）水相PAHs主要來源于當?shù)責犭姀S的燃燒和石油燃燒；干流佳木斯段(佳木斯上、佳木斯下、江南屯、同江、街津口)PAHs主要源于佳木斯市的焦化廠、熱電廠的石油源及煤燒。
3.2平水期水體污染源解析
平水期的源解析計算分析方法同3.1節(jié)，所取的主因子的指標荷載情況見表4，各監(jiān)測點污染指標的綜合得分見表5。
F1（第1個主因子）：其中An、Phen、Fluo、Chry、BghiP、BbF、BkF的荷載較高，InP和BaA也較突出，污染來源情況基本同豐水期，由此可知：平水期因子1代表燃燒源和交通污染源。
F2（第2個主因子）：其中Flur、Acy、Ace和BaP的荷載較高，污染來源情況基本同豐水期，由此可知：平水期因子2代表石油、煉焦污染源。
由表3可見，呼蘭河口下、肇源、阿什河口下、松林、鎮(zhèn)江口和白旗是燃煤源和交通污染源較嚴重的監(jiān)測點，白旗和哨口是石油、煉焦污染最嚴重的監(jiān)測點。表5充分說明了在平水期松花江流域不同監(jiān)測地區(qū)的主要控制污染物情況和各監(jiān)測地區(qū)的多環(huán)芳烴污染程度。由于平水期主要特征污染源同豐水期，各江段具體污染源情況同豐水期。
3.3豐水期、平水期主要污染狀況對比研究
通過對比研究，豐水期時期阿什河口下、佳木斯下、鎮(zhèn)江口3個地區(qū)總污染水平最高，主要是燃煤源和交通污染源。白旗和哨口地區(qū)是石油、煉焦污染最嚴重的地區(qū)。平水期時期白旗、哨口、九站3個地區(qū)總污染水平最高，呼蘭河口下、肇源、阿什河口下、松林、鎮(zhèn)江口和白旗是燃煤源和交通污染源較嚴重的地區(qū)，白旗和哨口是石油、煉焦污染最嚴重的地區(qū)。綜合各監(jiān)測點周圍工業(yè)分布狀況，松花江主要是石油和煉焦復(fù)合多環(huán)芳烴污染。
4結(jié)論
(1)應(yīng)用統(tǒng)計技術(shù)對松花江于豐水期及平水期的主要國控和省控監(jiān)測斷面中的16種多環(huán)芳烴進行了因子分析，得到了松花江流域水體中多環(huán)芳烴的4個主要來源，分別為煤、石油燃燒源、交通污染源、石油污染物和煉焦污染源。豐水期與平水期來源基本一致，變化不大。
(2)由于研究范圍較大，每個斷面均具有站點特殊性，松花江受石油污染源和煉焦的復(fù)合PAHs污染，采樣點附近的石化、石油基地、大型焦化廠、電廠都是PAHs的主要來源。
(3)-松吉林段水相PAHs主要來源于吉林石化等大型石化企業(yè)和熱電廠的石油燃燒和煤燃燒；二松松原段水相PAHs主要來源于當?shù)氐挠途氖驮春蜔犭姀S的燃煤；干流哈爾濱段水相PAHs主要來源于當?shù)責犭姀S的燃燒和石油燃燒；干流佳木斯段PAHs主要源于佳木斯市的焦化廠、熱電廠的石油源及煤燒。
5建議
針對松花江流域多環(huán)芳烴污染問題，應(yīng)進一步研究懸浮顆粒物及水體沉積物中的PAHs污染狀況，并對其污染源定量計算，且應(yīng)在“十三五”期間對松花江流域水體環(huán)境中的PAHs重新測定和進行來源解析，通過縱向比較其主要污染物及來源的變化，對其污染物的治理情況進行有效總結(jié)分析，為松花江流域PAHs的進一步控制和治理提供科學(xué)依據(jù)。
