陈锋， 孟凡生， 王业耀， 张铃松， 杨琦
（1．中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京100083；
2．北华航天工业学院，河北廊坊065000;
3．中国环境科学研究院，水污染控制技术研究中心，北京100012；
4．中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京100012）
摘要：在水体环境中应用污染物源解析模型，从源头上实现对污染物的控制对于遏制水质恶化具有重要意义。该文通过对松花江丰水期18个监测断面和平水期16个监测断的16种EPA优先控制的多环芳烃作为目标污染物，应用因子分析法识别水体中多环芳烃的主要来源，结果显示：松花江流域水体有4个主要的多环芳烃污染源，分别为煤及石油的燃烧源、交通污染源、石油污染物和炼焦污染源。丰水期与平水期多环芳烃污染来源基本一致。根据沿江主要工业分布得出：二松吉林段主要来源于吉林石化等大型石化企业和热电厂的石油燃烧和煤燃烧；二松松原段主要来源于当地的油井石油源和热电厂的燃煤；干流哈尔滨段主要来源于当地热电厂的燃烧和石油燃烧；干流佳木斯段主要源于佳木斯市的焦化厂、热电厂的石油源及煤烧。研究结果可为我国松花江流域水环境中多环芳烃的控制和治理提供参考和科学依据。
关键词：松花江；水体；PAHs；源解析； 因子分析
源解析是研究污染物来源对周围环境污染的影响和作用的一系列方法，是污染控制的基础。近年来，由于全球及区域性环境问题不断凸现，为削减污染物，切实有效地控制河流污染，污染源解析越来越受到国内外研究者的关注。源解析方法源于大气颗粒物的研究，国内外关于大气污染源解析的研究较多，而针对流域水环境污染物源解析的研究相对较少。多环芳烃( PAHs)具有稳定的化学结构、较强的疏水性，且容易在生物体内累积，是“三致”物质。由于多环芳烃主要通过人类的生产和生活活动进入环境中，关注多环芳烃的来源途径对环境整治和管理至关重要。
因子分析方法可由尽可能少的原始数据解释较多的信息，是一种较为有效的方法，可应用于量化计算河流水体的污染源贡献率，推导每个识别出的污染因子的来源及贡献率，近年来得到了较快的发展。马岚等应用因子分析法对晋江流域21种常规污染物进行了源解析研究，得到晋江流域水体的5个主要污染源：化工源、居民生活源、煤矿源、铁锰矿源和农业生产源。郑磊应用因子分析法对太子河流域的有机氯农药进行了源解析研究，得出农药、大气沉降、农药残留与工业污染为主要来源。松花江流域是我国东北老工业基地生存和发展的命脉，陈思和许云竹分别利用比值法和因子分析——多元线性回归对吉林段水体中的多环芳烃进行了源解析研究。孟凡生利用比值法对松花江全流域水环境中的多环芳烃进行了源解析研究。总体来说松花江全流域的PAHs源解析研究目前报道较少。本研究依据松花江流域特点，采用因子分析方法对全流域水体中多环芳烃来源进行分析，有助于松花江流域多环芳烃的污染防治和流域水环境管理。
1流域概况
松花江是我国七大河流之一，水资源总量居全国第三位。松花江流域地理位置在东经119。52’—129。30’，北纬41042'～51038'之间；流域面积55.68万km2。松花江有2个源头：北源嫩江，发源于大兴安岭支脉伊勒呼里山中段南侧的南瓮河源地；南源第二松花江，发源于海拔2 744 m长白山主峰上著名的白头山天池。2个江源分头下流至吉林省松原市的三岔河附近汇合后向下，称松花江干流。干流折向东流至黑龙江省同江市附近，由右岸汇人黑龙江。松花江总长：嫩江源合计为2 309 km，第二松花江源合计为1897 km，干流长939 km，分上、中、下游三段。采样断面见图1。
2研究方法
2.1 因子分析方法
因子分析是多元统计分析技术的一个分支，多元统计方法的基本思路是利用观测信息中物质间相互关系来产生源成分谱或暗示重要排放源类型的因子。因子分析的其主要目的是浓缩数据，即将大量彼此可能存在相关关系的变量转换成较少的彼此不相关的综合指标。对河流污染物源解析，可以运用因子分析，对众多污染指标之间的内部依赖关系进行分析，并用少数几个变量将其表示，这些变量能够反映原来众多的观测变量所代表的主要信息，并解释观测变量之间的相互依存关系。因此，只要分析这几个主要因子对受体的贡献，便可得到整个污染指标样本的污染源情况。因子分析方法隶属于源解析方法中的受体模型，该方法实现条件简单，不需要预先知道各污染源的指纹谱，能充分利用现实中的监测数据，实现较为精准的污染源解析。
本研究主要应用因子分解进行分析，分析工具主要为SPSS19.0。
2.2研究区域及数据处理
数据来自2009年7月和10月对松花江主要现有国控和省控监测断面的多环芳烃监测数据，松花江分别所处时期为丰水期和平水期。检测指标为EPA优先控制的16种多环芳烃，丰水期共设18个监测断面，平水期共设16个监测断面。在因子分析过程中，为使因子分析能够均等地处理每一个原始变量，消除由于数值间差别较大而可能带来的一些不合理的影响，在进行因子分析前，需要将各采样点的浓度数值进行标准化处理（其中未检测出的数值用均值代替）。
按式(1)进行原始数据的标准化计算：
式(1)中：X,为变量x的第!各观测值，X为变量x的平均数，5为标准差。
3结果与讨论
3.1丰水期水体污染源解析
为了验证数据对因子分析的适用性，首先用Bartlett球度检验和Kaiser-Meyer-Olkin (KMO)标准对数据进行检验。
Bartlett球度检验用于检验相关性矩阵是否为单位矩阵，如果不是单位矩阵，则认为数据适合做因子分析。KMO统计量是取值在0～1之间，当所有变量间的简单相关系数平方和远远大于偏相关系数平方和时。KMO值接近1，意味着变量间的相关性越强，原有变量越适合作因子分析；KMO标准一般认为KMO值>0.6（值域在0~1之间）的适合因子分析。
由于萘的高挥发性容易导致分析结果失真，本研究未对萘进行分析。进行主成分分析的运算的数据包括各采样点的15种多环芳烃，分别为：苊、二氢苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1，2，3-cd]芘、二苯并[a，h]蒽和苯并[g，h，i]苝。
经过检测，KMO值达到0.78，巴特利特球度检验结果Sig.为0，表示数据取自正态分布，认可了变量之间的相关性，适合做因子分析。根据Kaiser标准，提取的因子特征值应大于1。从表1可以看出，符合此标准的前2各因子解释了总方差的91%，说明提取前2个因子作为主因子合理。
所取的前2个因子的指标负载情况如表2，结合前面的研究，对各个主因子所代表的含义解释如下：
F1（第1个主因子）：其中蒽、苯并[a]芘、苯并[kl荧蒽、菲、苯并[b]荧蒽、苣、芴的荷载较高，茚并[1，2，3-cd]芘、苯并[a]蒽、苯并[g，h，i]苝和二苯并[a，h]蒽也较突出，khalili等研究发现焦炉排放的多环芳烃主要有蒽、荧蒽、芴、菲二氢苊。Yang等通过研究发现，焦炉排放也会带来大量的苯并[a]蒽。研究发现芴和苯并[a]蒽为炼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]荧蒽、苯并[b]荧蒽指示为汽油燃烧的指示物，茚并[1.2.3-cd]芘是柴油燃烧排放的重要化合物，交通排放还会带来大量的苊[30-31]故因子1代表燃烧源和交通污染源。
F2（第2个主因子）：其中Acy和Ace的荷载明显高于其它化合物．有学者研究发现Fle、Acy、Ace等低环组分都是炼焦排放的特征化合物，石油或油类相关物质排放的PAHs主要以烷基化与低分子量PAHs（如NaP、Acy、Ace、Phe等）为主，因子2可归为石油、炼焦污染源。
每个监测点的污染清况依各因子特征值大小作加权和，求得各监测点污染指标的综合得分，列于表3。
由表3可见，阿什河口下、佳木斯下、镇江口是燃煤源和交通污染源最严重的监测点，而这3个地区的总污水水平也位于前列。白旗和哨口是石油、炼焦污染最严重的监测点。表3充分说明了在丰水期松花江流域不同监测地区的主要控制污染物情况和各监测地区的多环芳烃污染程度。结合松花江流域工业企业和断面所处地域特点，具体分析如下：二松吉林段（丰满、哨口、九站、白旗）水相PAHs主要来源于吉林石化等大型石化企业和热电厂的石油燃烧和煤燃烧；二松松原段（松花江村、畜牧场、镇江口、松原）水相PAHs主要来源于当地油井的石油源和热电厂的燃煤；干流哈尔滨段（肇源、苏家屯、阿什河口下、呼兰河口下）水相PAHs主要来源于当地热电厂的燃烧和石油燃烧；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厂、热电厂的石油源及煤烧。
3.2平水期水体污染源解析
平水期的源解析计算分析方法同3.1节，所取的主因子的指标荷载情况见表4，各监测点污染指标的综合得分见表5。
F1（第1个主因子）：其中An、Phen、Fluo、Chry、BghiP、BbF、BkF的荷载较高，InP和BaA也较突出，污染来源情况基本同丰水期，由此可知：平水期因子1代表燃烧源和交通污染源。
F2（第2个主因子）：其中Flur、Acy、Ace和BaP的荷载较高，污染来源情况基本同丰水期，由此可知：平水期因子2代表石油、炼焦污染源。
由表3可见，呼兰河口下、肇源、阿什河口下、松林、镇江口和白旗是燃煤源和交通污染源较严重的监测点，白旗和哨口是石油、炼焦污染最严重的监测点。表5充分说明了在平水期松花江流域不同监测地区的主要控制污染物情况和各监测地区的多环芳烃污染程度。由于平水期主要特征污染源同丰水期，各江段具体污染源情况同丰水期。
3.3丰水期、平水期主要污染状况对比研究
通过对比研究，丰水期时期阿什河口下、佳木斯下、镇江口3个地区总污染水平最高，主要是燃煤源和交通污染源。白旗和哨口地区是石油、炼焦污染最严重的地区。平水期时期白旗、哨口、九站3个地区总污染水平最高，呼兰河口下、肇源、阿什河口下、松林、镇江口和白旗是燃煤源和交通污染源较严重的地区，白旗和哨口是石油、炼焦污染最严重的地区。综合各监测点周围工业分布状况，松花江主要是石油和炼焦复合多环芳烃污染。
4结论
(1)应用统计技术对松花江于丰水期及平水期的主要国控和省控监测断面中的16种多环芳烃进行了因子分析，得到了松花江流域水体中多环芳烃的4个主要来源，分别为煤、石油燃烧源、交通污染源、石油污染物和炼焦污染源。丰水期与平水期来源基本一致，变化不大。
(2)由于研究范围较大，每个断面均具有站点特殊性，松花江受石油污染源和炼焦的复合PAHs污染，采样点附近的石化、石油基地、大型焦化厂、电厂都是PAHs的主要来源。
(3)-松吉林段水相PAHs主要来源于吉林石化等大型石化企业和热电厂的石油燃烧和煤燃烧；二松松原段水相PAHs主要来源于当地的油井的石油源和热电厂的燃煤；干流哈尔滨段水相PAHs主要来源于当地热电厂的燃烧和石油燃烧；干流佳木斯段PAHs主要源于佳木斯市的焦化厂、热电厂的石油源及煤烧。
5建议
针对松花江流域多环芳烃污染问题，应进一步研究悬浮颗粒物及水体沉积物中的PAHs污染状况，并对其污染源定量计算，且应在“十三五”期间对松花江流域水体环境中的PAHs重新测定和进行来源解析，通过纵向比较其主要污染物及来源的变化，对其污染物的治理情况进行有效总结分析，为松花江流域PAHs的进一步控制和治理提供科学依据。
