北運河武清段水質時空變異特征

北運河武清段水質時空變異特征

1中國水體污染研究隨著社會經濟的快速發(fā)展，人口的快速擴張和生活水平的提高，河流、湖泊、水庫、港口和其他水域污染日益嚴重，嚴重威脅著人類的生存和發(fā)展（simeonov等人，2003）。由于影響河流水質的因素很多，污染機制也很復雜，這給水質管理帶來了很大困難（elatip等人，2007）。這對于河流水質的管理是一個重要的參考（kolovos等人，2002）。海河水系在全國七大水系中污染狀況最為嚴重,總體為重度污染(中國環(huán)境狀況公報,2009),若未能得到及時有效的控制,將嚴重制約華北地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,造成重大及難以逆轉的后果.北運河和龍鳳河是華北平原重要的水體,是北京重要的排水河道,也是天津段主要的灌溉水源,水系污染極為突出.但有關北運河、龍鳳河等水質現(xiàn)狀的研究鮮有報道,其水質狀況迫切需要明確.近年來,各類數學方法及統(tǒng)計評價方法被廣泛用于水質評價及時空變異分析中(Luetal.,2002;周豐等,2007;吳運敏等,2011).如灰色關聯(lián)評價法(GBA)因其所需參數少,評價簡潔實用,被廣泛用于水質狀況評價分析中(Wangetal.,2002;Wongetal.,2006;Huangetal.,2010);判別分析法(DA)在分類信息已知的條件下,采用相關指標能夠篩選出類間差異顯著因子和差異不顯著因子,能為類間對比研究提供很大的便利,在水質的時空變異研究中得到了廣泛應用(Singhetal.,2004;Singhetal.,2005;Shresthetal.,2007;Wuetal.,2009);主成分分析(PCA)是利用對高維變量空間進行降維處理的思想,把多個指標轉化為少數幾個綜合指標,在水環(huán)境研究中,用于提取影響水質的主要因子和進行水質評價等(Vegaetal.,1998;Kazietal.,2009;Ouyang,2005;DaSilvaetal.,2001).基于此,本文采用灰色關聯(lián)分析法對北運河下游水系進行評價,以掌握水質總體狀況,并采用判別分析法提取影響污染時空變異的主要因子,分析其時空變異特征.同時,采用主成分分析法解析水質變異的主要原因,并結合污染調查,分析污染特征和變異機制.研究結果可為整個北運河乃至海河流域的污染物削減研究提供科學依據.2材料和方法表面活性劑2.1河北走廊—研究區(qū)概況北運河隸屬于海河水系,其上游為溫榆河,源于軍都山南麓,流向自西北向東南,至通州區(qū)與通惠河相匯合后始稱北運河,流經河北廊坊,最后于天津匯入渤海(圖1).北運河是一條常年有水的河流,承擔著北京中心城區(qū)90%的排水任務.流域總面積6166m2.2監(jiān)測點樣點監(jiān)測分別于2010年5月20日(春季)、7月4日(夏季)、10月23日(秋季)、12月9日(冬季)對北運河17個監(jiān)測點進行了取樣監(jiān)測(圖1),其中,9個監(jiān)測點(B1~B9)位于北運河和龍鳳河主河道,5個監(jiān)測點(L1~L5)位于北運河支流———柳河,3個監(jiān)測點(G1~G3)位于柳河流域內農田灌溉溝渠.監(jiān)測指標包括溫度(T)、pH、溶解氧(DO)、葉綠素a(Chla)、總溶解固體(TDS)、氧化還原電位(ORP)、總氮(TN)、氨氮(NH2.3數據分析和處理2.3.1地表水質評價的步驟灰色關聯(lián)分析法是采用關聯(lián)度來量化研究系統(tǒng)內各因素的相互關系、相互影響及相互作用的一種方法.若兩主體各子參數序列構成的空間幾何曲線越接近,則關聯(lián)度越大(Wongetal.,2006).進行水質評價時,選擇評價對象的實測值為待比序列,地表水環(huán)境質量標準作為參照序列,求出多個關聯(lián)度,與待比序列關聯(lián)度最大的參照序列所對應的級別,即為水質所屬等級.采用灰色關聯(lián)分析法評價的具體步驟如下.1確定參考序列和等待比序列設水環(huán)境質量標準共分m級,參評因子為n個,水樣總數為l,得到待比序列和參照序列如下:式中,X2etal.2.2計算灰色關聯(lián)度有很多方法,常見灰色評價方法多采用鄧聚龍(1986)提出的關聯(lián)系數計算方法,該計算方法具體介紹及應用見文獻(Dengetal.,1989;Huangetal.,1996;Wongetal.,2000;Paietal.,2007).Ip等(2009)指出,鄧聚龍的灰色關聯(lián)系數在進行水環(huán)境質量評價時存在明顯的缺陷,往往致使結果不客觀,因此,提出采用正弦函數來計算灰色關聯(lián)系數,具有很高的精度,可滿足水質評價要求.具體計算公式如下:式中,r(k)表示第k項待評因子x(k)與對應水質標準因子y(k)的關聯(lián)系數,r3水質等級1定義r4計算綜合分值在實際研究時,往往得出屬于哪個級別并不滿足實際要求,還需計算出綜合分值,從而便于橫向或者縱向對比,本文采用Ip等(2009)的方法進行計算,公式如下:灰色關聯(lián)評價,j2.3.2全模型法與前藥法判別分析是根據觀察或測量的若干變量值,判斷研究對象屬于哪一類的方法.線性判別函數表述為(Singhetal.,2005):式中,f(G本研究中,采用3種方法(全模型法、向前選擇法、向后選擇法)計算判別函數,來研究水質變異特征.全模型法選擇所有指標建立判別函數,當對變量認識較為全面時選擇此種方法;向前選擇法是從模型中沒有變量開始,每一步把一個對判別能力貢獻最大的變量引入模型,當希望較多的變量留在判別函數中時多采用該方法;向后選擇法與向前選擇法完全相反,它是從所有指定變量建立一個全模型,每一步把一個對模型判別能力貢獻最小的變量剔除,直到所有變量都符合留在模型的判據時,剔除變量工作結束,在希望較少的變量留在判別函數中時使用向后選擇法.3種方法的具體介紹及應用可參見文獻(Albertoetal.,2001;Singhetal.,2005;Shresthetal.,2007).整個判別分析過程在SPSSV16.0軟件中實現(xiàn).2.3.3主成分分析/因子分析在水環(huán)境研究中,經常會遇到環(huán)境因素復雜、因子眾多數據的處理和分析.主成分分析法就是在保證信息損失量最小的前提下,盡可能提取問題的主要方面,從而對多變量數據進行最佳綜合簡化,以便對實際問題進行系統(tǒng)分析和評價(Kazietal.,2009).主成分分析/因子分析主要分為以下幾個步驟:(1)變量數據標準化;(2)計算相關系數矩陣;(3)求解特征值和特征向量;(4)提取主成分,進行數據壓縮;(5)計算因子載荷矩陣,并進行因子旋轉,對主成分進行分析(Ouyang,2005;Noorietal.,2010).3結果和討論顯著3.1水質量評價3.1.1統(tǒng)計特征：水質參數的統(tǒng)計3.1.2主河道、子河道灌入選用BOD采用綜合評價結果(J灰色關聯(lián)評價結果表明,溝渠水質劣于主河道和其子河道,可能的原因是溝渠的水源由主河道和其子河道灌入,溝渠水不流通或者流動量小,污染物降解慢;此外,其水體還直接受生活污染和農業(yè)污染的影響,污染更為明顯.相對于主河道,灌溉溝渠的水質直接受面源污染影響,采用單因子方差分析(One-wayANOVA)對主要污染物進行對比,發(fā)現(xiàn)TP含量和BOD3.2判別有貢獻的指標相關分析法能篩選出與時空變異相關的指標,判別分析法能篩選出對時空判別有貢獻的指標,即使變異只發(fā)生在某一兩個時空也能被判別出.將兩者方法結合并對比,可篩選出哪些元素存在時空變異,哪些元素的變異只發(fā)生在特定的時空,從而可將河道污染的人為因素和自然因素區(qū)分開.3.2.1城市公司所需的季節(jié)性變異解釋由于季節(jié)為非數值參數,因此,在進行Spearman相關分析前首先對季節(jié)指標量化.量化方法采用賦值的手段,即按照各指標的各季節(jié)均值進行排序,平均值最大的季節(jié)賦值為4,其次分別為3和2,最小的為1.對各指標與季節(jié)性Spearman相關性分析得出,除TP、TN、NO采用判別分析法對季節(jié)性變異進行分析,使用全模型法、向前選擇法和向后選擇法建立判別函數,判別系數見表4.全模型法選擇所有指標建立判別函數,判別回代正確率為100%(表5),因此,這些元素能很好地解釋了季節(jié)性水質變異.向前選擇法希望較多的變量留在判別函數中,剔除了對判別季節(jié)性變異無貢獻的4個變量(表4),判別回代正確率為100%(表5);向后選擇法希望較少的變量留在判別函數中,只選用對判別能力貢獻較大的變量(Singhetal.,2004),篩選出了TP、NO與相關性分析結果對比可發(fā)現(xiàn),TN、TP與季節(jié)相關性不顯著,但判別分析卻得出其對季節(jié)性判別有貢獻,說明TN和TP的變異可能只發(fā)生在某一兩個季節(jié),其他季節(jié)變化不明顯;BOD對影響季節(jié)性變異的指標進行分析,結果見圖2.由圖2可知,溫度很好地體現(xiàn)了季節(jié)性特征,夏季水溫達到30.97℃,冬季水溫最低,為2.58℃;春、夏、秋季的DO值較為接近,差異不明顯,而冬季DO值較高,主要是因為低溫會使水中的溶解氧含量上升(Shresthetal.,2007);春季TP含量較低,可能是春季藻類生長,水生生物對其吸收作用較為明顯,夏季TP含量高一方面主要是由農業(yè)非點源污染造成,另一方面與水溫有關,據隋少峰等(2001)在武漢東湖的研究結果,水溫升高能加速底泥釋放磷;NO3.2.2北運河水系空間判別方法對比采用Spearman相關分析法對各參數空間相關性進行了研究,結果表明,除NH采用判別分析法對季節(jié)性變異深入分析,使用了全模型法、向前選擇法和向后選擇法建立判別函數.對北運河武清段水系進行空間判別分析,得出3種方法的判別系數(表6).全模型法判別回代正確率分別為85.7%(溝渠)、73.3%(柳河)和71.1%(主河道),判別回代正確率低可能是由于溝渠、柳河和北運河水質空間差異性不明顯造成的.采用向前選擇法選出了NH3.3al.2013—污染源解析由于水質指標眾多,為識別主要污染源,將所有數據標準化后進行主成分分析,提取影響水質的主要因子.采用特征值是否大于1作為判別依據(Simeonovetal.,2003;Pekeyetal.,2004),提取出了5個主成分,共解釋了76.64%的水質變異,具體結果見表8.如第一主成分FC1,解釋了28.41%的水質變異,與COD、BOD對旋轉后因子載荷矩陣進行分析,第一主成分VF1與COD、BOD綜上所述,影響北運河武清段水質的主要因素依次為:有機污染物、氨氮、硝態(tài)氮、酸堿廢水排放和磷.整體上,北運河武清段水系污染表現(xiàn)為污染成分復雜、濃度高、人為干擾明顯的特征,表明點源仍是導致水體惡化的主導因子.4北運河武清段水質主要影響因素1)北運河