北運(yùn)河武清段水質(zhì)時(shí)空變異特征

1中國(guó)水體污染研究隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的快速擴(kuò)張和生活水平的提高，河流、湖泊、水庫(kù)、港口和其他水域污染日益嚴(yán)重，嚴(yán)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(zhì)的因素很多，污染機(jī)制也很復(fù)雜，這給水質(zhì)管理帶來(lái)了很大困難（elatip等人，2007）。這對(duì)于河流水質(zhì)的管理是一個(gè)重要的參考（kolovos等人，2002）。海河水系在全國(guó)七大水系中污染狀況最為嚴(yán)重,總體為重度污染(中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào),2009),若未能得到及時(shí)有效的控制,將嚴(yán)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(zhuǎn)的后果.北運(yùn)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(guān)北運(yùn)河、龍鳳河等水質(zhì)現(xiàn)狀的研究鮮有報(bào)道,其水質(zhì)狀況迫切需要明確.近年來(lái),各類數(shù)學(xué)方法及統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)方法被廣泛用于水質(zhì)評(píng)價(jià)及時(shí)空變異分析中(Luetal.,2002;周豐等,2007;吳運(yùn)敏等,2011).如灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法(GBA)因其所需參數(shù)少,評(píng)價(jià)簡(jiǎn)潔實(shí)用,被廣泛用于水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)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(guān)指標(biāo)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(duì)比研究提供很大的便利,在水質(zhì)的時(shí)空變異研究中得到了廣泛應(yīng)用(Singhetal.,2004;Singhetal.,2005;Shresthetal.,2007;Wuetal.,2009);主成分分析(PCA)是利用對(duì)高維變量空間進(jìn)行降維處理的思想,把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo),在水環(huán)境研究中,用于提取影響水質(zhì)的主要因子和進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)等(Vegaetal.,1998;Kazietal.,2009;Ouyang,2005;DaSilvaetal.,2001).基于此,本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)北運(yùn)河下游水系進(jìn)行評(píng)價(jià),以掌握水質(zhì)總體狀況,并采用判別分析法提取影響污染時(shí)空變異的主要因子,分析其時(shí)空變異特征.同時(shí),采用主成分分析法解析水質(zhì)變異的主要原因,并結(jié)合污染調(diào)查,分析污染特征和變異機(jī)制.研究結(jié)果可為整個(gè)北運(yùn)河乃至海河流域的污染物削減研究提供科學(xué)依據(jù).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(yùn)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(yùn)河,流經(jīng)河北廊坊,最后于天津匯入渤海(圖1).北運(yùn)河是一條常年有水的河流,承擔(dān)著北京中心城區(qū)90%的排水任務(wù).流域總面積6166m2.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(duì)北運(yùn)河17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了取樣監(jiān)測(cè)(圖1),其中,9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(B1~B9)位于北運(yùn)河和龍鳳河主河道,5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(L1~L5)位于北運(yùn)河支流———柳河,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(G1~G3)位于柳河流域內(nèi)農(nóng)田灌溉溝渠.監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括溫度(T)、pH、溶解氧(DO)、葉綠素a(Chla)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、氧化還原電位(ORP)、總氮(TN)、氨氮(NH2.3數(shù)據(jù)分析和處理2.3.1地表水質(zhì)評(píng)價(jià)的步驟灰色關(guān)聯(lián)分析法是采用關(guān)聯(lián)度來(lái)量化研究系統(tǒng)內(nèi)各因素的相互關(guān)系、相互影響及相互作用的一種方法.若兩主體各子參數(shù)序列構(gòu)成的空間幾何曲線越接近,則關(guān)聯(lián)度越大(Wongetal.,2006).進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí),選擇評(píng)價(jià)對(duì)象的實(shí)測(cè)值為待比序列,地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為參照序列,求出多個(gè)關(guān)聯(lián)度,與待比序列關(guān)聯(lián)度最大的參照序列所對(duì)應(yīng)的級(jí)別,即為水質(zhì)所屬等級(jí).采用灰色關(guān)聯(lián)分析法評(píng)價(jià)的具體步驟如下.1確定參考序列和等待比序列設(shè)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)共分m級(jí),參評(píng)因子為n個(gè),水樣總數(shù)為l,得到待比序列和參照序列如下:式中,X2etal.2.2計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度有很多方法,常見灰色評(píng)價(jià)方法多采用鄧聚龍(1986)提出的關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算方法,該計(jì)算方法具體介紹及應(yīng)用見文獻(xiàn)(Dengetal.,1989;Huangetal.,1996;Wongetal.,2000;Paietal.,2007).Ip等(2009)指出,鄧聚龍的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)在進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)存在明顯的缺陷,往往致使結(jié)果不客觀,因此,提出采用正弦函數(shù)來(lái)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù),具有很高的精度,可滿足水質(zhì)評(píng)價(jià)要求.具體計(jì)算公式如下:式中,r(k)表示第k項(xiàng)待評(píng)因子x(k)與對(duì)應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)因子y(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù),r3水質(zhì)等級(jí)1定義r4計(jì)算綜合分值在實(shí)際研究時(shí),往往得出屬于哪個(gè)級(jí)別并不滿足實(shí)際要求,還需計(jì)算出綜合分值,從而便于橫向或者縱向?qū)Ρ?本文采用Ip等(2009)的方法進(jìn)行計(jì)算,公式如下:灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià),j2.3.2全模型法與前藥法判別分析是根據(jù)觀察或測(cè)量的若干變量值,判斷研究對(duì)象屬于哪一類的方法.線性判別函數(shù)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(jì)算判別函數(shù),來(lái)研究水質(zhì)變異特征.全模型法選擇所有指標(biāo)建立判別函數(shù),當(dāng)對(duì)變量認(rèn)識(shí)較為全面時(shí)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(gè)對(duì)判別能力貢獻(xiàn)最大的變量引入模型,當(dāng)希望較多的變量留在判別函數(shù)中時(shí)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(gè)全模型,每一步把一個(gè)對(duì)模型判別能力貢獻(xiàn)最小的變量剔除,直到所有變量都符合留在模型的判據(jù)時(shí),剔除變量工作結(jié)束,在希望較少的變量留在判別函數(shù)中時(shí)使用向后選擇法.3種方法的具體介紹及應(yīng)用可參見文獻(xiàn)(Albertoetal.,2001;Singhetal.,2005;Shresthetal.,2007).整個(gè)判別分析過程在SPSSV16.0軟件中實(shí)現(xiàn).2.3.3主成分分析/因子分析在水環(huán)境研究中,經(jīng)常會(huì)遇到環(huán)境因素復(fù)雜、因子眾多數(shù)據(jù)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(duì)多變量數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳綜合簡(jiǎn)化,以便對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)(Kazietal.,2009).主成分分析/因子分析主要分為以下幾個(gè)步驟:(1)變量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化;(2)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣;(3)求解特征值和特征向量;(4)提取主成分,進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮;(5)計(jì)算因子載荷矩陣,并進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn),對(duì)主成分進(jìn)行分析(Ouyang,2005;Noorietal.,2010).3結(jié)果和討論顯著3.1水質(zhì)量評(píng)價(jià)3.1.1統(tǒng)計(jì)特征：水質(zhì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)3.1.2主河道、子河道灌入選用BOD采用綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(J灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,溝渠水質(zhì)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(dòng)量小,污染物降解慢;此外,其水體還直接受生活污染和農(nóng)業(yè)污染的影響,污染更為明顯.相對(duì)于主河道,灌溉溝渠的水質(zhì)直接受面源污染影響,采用單因子方差分析(One-wayANOVA)對(duì)主要污染物進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)TP含量和BOD3.2判別有貢獻(xiàn)的指標(biāo)相關(guān)分析法能篩選出與時(shí)空變異相關(guān)的指標(biāo),判別分析法能篩選出對(duì)時(shí)空判別有貢獻(xiàn)的指標(biāo),即使變異只發(fā)生在某一兩個(gè)時(shí)空也能被判別出.將兩者方法結(jié)合并對(duì)比,可篩選出哪些元素存在時(shí)空變異,哪些元素的變異只發(fā)生在特定的時(shí)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(shù)值參數(shù),因此,在進(jìn)行Spearman相關(guān)分析前首先對(duì)季節(jié)指標(biāo)量化.量化方法采用賦值的手段,即按照各指標(biāo)的各季節(jié)均值進(jìn)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(duì)各指標(biāo)與季節(jié)性Spearman相關(guān)性分析得出,除TP、TN、NO采用判別分析法對(duì)季節(jié)性變異進(jìn)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(shù),判別系數(shù)見表4.全模型法選擇所有指標(biāo)建立判別函數(shù),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(zhì)變異.向前選擇法希望較多的變量留在判別函數(shù)中,剔除了對(duì)判別季節(jié)性變異無(wú)貢獻(xiàn)的4個(gè)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(shù)中,只選用對(duì)判別能力貢獻(xiàn)較大的變量(Singhetal.,2004),篩選出了TP、NO與相關(guān)性分析結(jié)果對(duì)比可發(fā)現(xiàn),TN、TP與季節(jié)相關(guān)性不顯著,但判別分析卻得出其對(duì)季節(jié)性判別有貢獻(xiàn),說明TN和TP的變異可能只發(fā)生在某一兩個(gè)季節(jié),其他季節(jié)變化不明顯;BOD對(duì)影響季節(jié)性變異的指標(biāo)進(jìn)行分析,結(jié)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(dá)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?yàn)榈蜏貢?huì)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(zhǎng),水生生物對(duì)其吸收作用較為明顯,夏季TP含量高一方面主要是由農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染造成,另一方面與水溫有關(guān),據(jù)隋少峰等(2001)在武漢東湖的研究結(jié)果,水溫升高能加速底泥釋放磷;NO3.2.2北運(yùn)河水系空間判別方法對(duì)比采用Spearman相關(guān)分析法對(duì)各參數(shù)空間相關(guān)性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,除NH采用判別分析法對(duì)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(shù).對(duì)北運(yùn)河武清段水系進(jìn)行空間判別分析,得出3種方法的判別系數(shù)(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(yùn)河水質(zhì)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(zhì)指標(biāo)眾多,為識(shí)別主要污染源,將所有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行主成分分析,提取影響水質(zhì)的主要因子.采用特征值是否大于1作為判別依據(jù)(Simeonovetal.,2003;Pekeyetal.,2004),提取出了5個(gè)主成分,共解釋了76.64%的水質(zhì)變異,具體結(jié)果見表8.如第一主成分FC1,解釋了28.41%的水質(zhì)變異,與COD、BOD對(duì)旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣進(jìn)行分析,第一主成分VF1與COD、BOD綜上所述,影響北運(yùn)河武清段水質(zhì)的主要因素依次為:有機(jī)污染物、氨氮、硝態(tài)氮、酸堿廢水排放和磷.整體上,北運(yùn)河武清段水系污染表現(xiàn)為污染成分復(fù)雜、濃度高、人為干擾明顯的特征,表明點(diǎn)源仍是導(dǎo)致水體惡化的主導(dǎo)因子.4北運(yùn)河武清段水質(zhì)主要影響因素1)北運(yùn)河