主成分判别分析在社区管网水污染应急溯源的应用

2023-01-17孙喜梦郝春明

华北科技学院学报 2022年6期

孙喜梦，郝春明

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

0 引言

随着我国经济的发展，管网系统覆盖面也在逐渐增大。无论是对农村还是城市，管网都已成为一项关键基础设施，任何出现在管网中的污染都可能直接或间接威胁到居民的饮用水安全。近年来由于管网老化、管道材质耐腐性较差、铺设技术落后、管道维护不及时、管道施工安装措施不当等，导致管网渗漏，引发饮用水污染、水资源浪费等问题[1]，同时社区存在住宅小区雨污未分流，造成雨水管网水污染，管网水环境污染频发[2]。管网水污染不仅会对自然环境造成破坏，同时因受污染水体中存在大量病毒、细菌，易引发传染病，甚至出现中毒现象，还会对居民生活以及身体健康产生危害。根据调查显示，2007年宁夏某矿因社区输水管网老化、破损，发生渗漏，又无城市下水设施，造成生活饮用水污染[3]；2014年江西省两所学校因水管施工，造成管网水受大肠菌群污染，学生饮用未加热的冷直饮水引发菌痢[4]；2017年许昌市某县某高中发生一起群体性腹泻事件，也是由管网水污染导致的[5]。

在发生突发性管网水污染事故时，因部分地区水质监测设备不完善，不能及时明确污染物质和污染来源，采取应急防控措施，导致污染物扩散迅速，对社区管网水质安全危害巨大[6]。因此，进行污染源解析快速识别社区管网中污染物来源，对处理水污染，保护水质安全具有重要作用。

快速识别水环境污染来源是应急处置工作最重要的内容之一。为此，本文采集华北科技学院校园管网总排放口和潜在污染源水样样品，模拟水污染事件的发生，运用主成分判别分析方法针对污染物进行应急溯源，为快速准确判定社区管网污染源位置，并应急处置提供科学依据。

1 样品采集与测试

1.1 样品采集

此次研究采样点设置在华北科技学院学校总排放口和5个潜在污染源(求是楼、食堂、宿舍楼、家属楼和浴室)如图1所示，分别用6、1、2、3、4、5表示。根据现场调研发现，求是楼潜在污染物为重金属、有机物、微生物等，食堂主要是餐饮废水，宿舍楼和家属楼主要是粪便污水以及洗涤、洗浴废水，浴室为洗浴废水。采集水样时打开排水专用监测井，用采样器迎着水流方向采样，水满提出水面，润洗采样瓶2～3遍后，将水样装入采样瓶中，并及时贴标签标记。在食堂采样时，因水表面含有大量油污，要在水下5～30 cm处采样。水样在实验室冰箱2～5℃冷藏保存。

氨氮测量前根据污染程度进行预蒸馏处理；SS测前将滤纸及称量瓶应先在103～105℃烘箱中烘干0.5 h，冷却后称量至恒重；COD测前需要把加热器提前预热至165℃，便于反应彻底；磷酸盐测定前要对水样进行稀释5～10倍。

1.2 测试与质量保证

氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法，测量仪器为紫外分光光度计，精度为0.01 mg/L；SS的测定采用重量法；COD利用快速测定仪采用密封消解法测量，测定精度≤±5%；磷酸盐的测定采用钼酸铵分光光度法，测量精度为0.01 mg/L，实验仪器与氨氮相同。

为保证分析结果的准确性和精密性，每一组实验均需要有空白实验消除空白值过高的影响，样品设置三组平行样品，测试结果为三组平行样测试值的均值以减少随机误差，标准平均方差在10%之内，标准曲线的相关性系数至少达到99.9%，加标回收率确保在90%～100%，通过抽取20%的样品设计为密码样品控制精密度。

2 数据结果与分析

2.1 排放水水化学特征

实验数据来自于华北科技学院总排放口和5个潜在污染源点的实验结果，分析数据见表1和表2。

表1 总排放口数据描述

表2 各污染源水化学特征描述统计表

学校总排放口水样中COD、磷酸盐、氨氮、SS含量分别为524.00 mg/L、4.33 mg/L、10.30 mg/L及4108.47 mg/L，根据《污水排入城镇下水道水质标准》(GB T31962-2015)A级限值，COD和SS超标，超标倍数分别为0.05、0.03。

在总排放口和5个潜在污染源点中，COD含量大小为食堂(596.94 mg/L)>总排放口(524.00 mg/L)>宿舍楼(506.33 mg/L)>家属楼(428.00 mg/L)>浴室(161.88 mg/L)>求是楼(112.03 mg/L)，食堂COD含量最高，超标0.19倍，其次为学校总排放口，宿舍楼COD超标0.01倍；磷酸盐为食堂(12.02 mg/L)>宿舍楼(11.32 mg/L)>家属楼(6.05 mg/L)>总排放口(4.33 mg/L)>求是楼(1.52 mg/L)>浴室(0.13 mg/L)，食堂和宿舍楼氨氮超过A级限值，超标倍数分别为0.50和0.42；氨氮大小为总排放口(10.30 mg/L)>食堂(9.87 mg/L)>宿舍楼(9.14 mg/L)>求是楼(4.87 mg/L)>家属楼(4.64 mg/L)>浴室(3.67 mg/L)，均满足标准限值；SS含量总排放口(4108.47 mg/L)>求是楼(895.00 mg/L)>浴室(458.80 mg/L)>食堂(367.00 mg/L)>宿舍楼(153.83 mg/L)>家属楼(152.33 mg/L)，只有总排放口样品SS超标。根据总排放口超标情况以及其与潜在污染源点的COD、磷酸盐、氨氮和SS含量比较，推测总排放口潜在污染源主要来自食堂和宿舍楼。

SS超标可能原因有两方面，一是未静置水样或静置时间过短，导致上清液中悬浮物过多，进行抽滤后烘干，未完全烘干称重时未称至恒重；二是排放超标。学校总排放口COD含量超标可能与餐饮废水排放、含酸性洗涤废水以及实验残渣有关。

2.2 主成分分析

为了进一步分析各排放口监测数据，研究各个变量之间的关系，采用主成分分析法进行降维处理，分析学校总排放口污染来源[11-12]。

KMO初始值为0.33<0.5，将原数据取log10进行标准化处理，统一变量后进行因子分析。由表3可知，得到KMO值为0.54>0.5，满足主成分分析要求。

表3 排放水样品KMO和Bartlett的检验

根据相关性分析，如图2所示，可以看出COD、磷酸盐和氨氮之间相关性系数|r|>0.5，相关性显著。由表4可知，提取排放水中元素相关系数矩阵中的初始特征值得到累计贡献率，根据初始特征值中合计大于1的原则，对排放水中污染源进行解析时有2个特征值大于1的公因子，成分1和成分2，累计方差贡献率为92.08%，表明源解析结果能够反映排放水中92.08%的污染源信息。碎石图(图3)和累计贡献率(表4)可知，总排放口水化学成分可提取,2个主成分信息。

图2 水质影响因素相关矩阵

图3 主成分分析碎石图

表4 排放水污染因子解释的总方差

根据主成分分析矩阵(表5)和图4可知，主成分1的主要贡献元素为COD、磷酸盐和氨氮，主成分2主要贡献因素为SS。成分1中COD、磷酸盐和氨氮的含量比较多，而氨和磷又是组成有机物所必须的物质，故可知主成分1代表化学性污染，由有机物污染物的排放所导致的，比如洗衣排水、洗漱排水等生活废水及食堂排水等[13]；成分2主要代表物理性污染，结合表1，出总排放口外，求是楼、食堂以及浴室都存在较高含量SS，可能是实验残渣或生活残渣所导致，与水的背景值以及实验过程中搅拌混匀有关。成分1的累积贡献率达到63.67%，说明有机物排放是污染源的主要因素；其次为成分2，其占比达到28.41%，说明导致污染严重的第二个因素为生活或实验的残渣。

表5 排放水成分矩阵

图4 主成分结果图

聚类分析就是通过一系列相继的合并来进行的，开始将样品数据各自作为一类，将距离最近的两类合并成为一个新类，计算新类与其他类之间的距离，并进行此过程，最后将其合并成一类[14-15]。通过聚类分析，我们可以探究这4种排放物之间的关系。我们将原始数据进行系统聚类分析，采用组间连接，利用Origin软件得出聚类谱系图，如图5所示。

图5 系统聚类谱系图

根据图5可以看出，聚类分析将总排放口水中监测元素分为2类，每类代表一种污染源：第一类为磷酸盐、氨氮、COD；第二类为SS，其中第一类为化学性指标，第二类为物理性指标，与主成分分析结果一致。

2.3 外排污水来源判别

通过判别分析将通过实验得到的数据进行归类利用，将总排放口作为目标，其余5个污染源作为变量，判别其存在的关系，利用最大概率法得出总排放口的污染物质主要来自哪个污染源。得出数据见表6。

求是楼、食堂、宿舍楼、家属楼、浴室五个类别，分别用Y1、Y2、Y3、Y4、Y5表示，COD、磷酸盐、氨氮、SS分别用X1、X2、X3、X4表示，对应系数分别为a、b、c、d。用根据表6我们可以得出判别方程式：

表6 分类函数系数

Yi=aiX1+biX2+ciX3+diX4

(1)

在将总排放口中a=524，b=4.33，c=10.30，d=4108.47 分别代入Y1—Y5中，得：Y1=4218616.97，Y2=-6857026.28，Y3=-8333134.06，Y4=-3438472.34，Y5=872379.22。由此可以看出Y1>Y5>Y4>Y2>Y3，即总排放口的污染物主要来自求是楼其次是浴室，此分析结果相对准确度低与实际情况存在差异，可能造成原因为总排放口的SS数值测量存在一定偏差，固将SS测定数据舍去，再次进行判别分析，得到数据见表7。

表7 分类函数系数

同上理，得出判别方程式：

Yi=aiX1+biX2+ciX3

(2)

分别计算得：Y1=1464401.08，Y2=2964569.66，Y3=2744766.07，Y4=1394669.79，Y5=1105882.51。其中Y2>Y3>Y1>Y4>Y5，根据最大概率法选择Y最大值作为主要污染源。因此，总排放口的污染物质主要来自食堂，其次分别为宿舍楼、求是楼、家属楼、浴室，与前面推论相符。