基于聚類分析與綜合污染指數(shù)法的博斯騰湖入湖水質(zhì)分析與評價

博斯騰湖盆地是廣西自治省巴音郭楞州的重要糧食、石油、棉花、水果、動物產(chǎn)品和水產(chǎn)品基地。自20世紀60年代以來,博斯騰湖水質(zhì)開始堿化,使博斯騰湖濕地生態(tài)系統(tǒng)逐漸受損退化。博斯騰湖水質(zhì)的惡化和流域生態(tài)環(huán)境的劣變,主要是資源開發(fā)不合理和管理不科學等人為因素和氣候環(huán)境變化共同造成。因此,對博斯騰湖入湖水質(zhì)進行分析與評價,對從源頭控制博斯騰湖水質(zhì)質(zhì)量具有重要的意義。水質(zhì)分析中常涉及多項指標和多個監(jiān)測點,如何綜合、客觀評價水質(zhì)質(zhì)量至關重要。目前,常見評價方法有綜合污染指數(shù)法、簡單指數(shù)法、主成分分析法和聚類分析法等。而影響水環(huán)境質(zhì)量的因素往往很多,采用單因子評價很難取得滿意的結果,必須同時綜合考慮多方面的因素。因此,水環(huán)境質(zhì)量評價問題就是一個多維的復雜系統(tǒng)。綜合污染指數(shù)法是評價水質(zhì)質(zhì)量的一種數(shù)量尺度,具有簡明、可比等特點。但在綜合評價時會掩蓋污染因子內(nèi)部特征、確定指數(shù)范圍人為因素較大、指數(shù)值界限過于清晰與客觀環(huán)境不等,評價時常會存在一定的片面性。而聚類分析是借相似性對事物樣本進行類別劃分,其做法是從所有可能的類別中找出最合理的與樣本數(shù)據(jù)擬合或最符合問題要求的一種分類。本研究將聚類分析與綜合污染指數(shù)法相結合,應用于博斯騰湖入湖水質(zhì)分析與評價,以期對博斯騰湖水環(huán)境治理,指導區(qū)域發(fā)展和決策提供理論依據(jù)。1水質(zhì)指標評價研究以博斯騰湖調(diào)查的10項參數(shù)作為水環(huán)境質(zhì)量評價因子,以GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》為主要評價標準,參考GB5084-92《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》和GB5749-85《生活飲用水衛(wèi)生標準》,將博斯騰湖2005、2006、2007年開都河、黃水溝和清水河三個監(jiān)測斷面的水質(zhì)指標觀測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類及污染指數(shù)評價。1.1對于某污染物的標準化處理由于觀測數(shù)據(jù)量綱不同,且數(shù)據(jù)大小相差大,需將原始數(shù)據(jù)按公式(1)進行標準化處理,見表1。Xi=Ci/Si(1)式(1)中:Xi為某污染物的污染指數(shù);Ci為某污染物的實測濃度;Si為某污染物地面水環(huán)境質(zhì)量標準的Ⅲ級標準值。1.2聚類分析分析方法為了客觀地將污染狀況相近的指標歸為一類,研究以水質(zhì)指標為樣本、監(jiān)測斷面為變量進行聚類。目前已有大量的相似系數(shù)和距離公式,但在數(shù)值分類中比較常用的是少數(shù)。對經(jīng)過標準化的數(shù)據(jù)X矩陣,選擇了具有較強分辨能力的卡方距離計算,見式(2)。dij=∑k=1m{(xik?eijk)2/eijk+(xjk?ejik)2/ejik},(2)dij=∑k=1m{(xik-eijk)2/eijk+(xjk-ejik)2/ejik},(2)式(2)中,eijk=(xik?xjk)Ti/Tij,Ti=∑k=1mxik,Tij=Ti+Tj(k=1,2,?,m;i,j=1,2,?,n)。eijk=(xik-xjk)Τi/Τij,Τi=∑k=1mxik,Τij=Τi+Τj(k=1,2,?,m;i,j=1,2,?,n)。然后,采用最短距離法進行系統(tǒng)聚類分析,見式(3)。Dpq=i∈Gminpj∈Gqdji,(3)式(3)中i∈Gp表示i在Gp類內(nèi),i∈Gq表示、j在Gq類內(nèi),Dpq為兩類中所有距離的最小距離。水質(zhì)指標樣本n=10,i,j=1,2,…10,監(jiān)測斷面變量X=3,k=1,2,3。Xik、Xjk表示不同水質(zhì)指標在各監(jiān)測斷面的污染指數(shù)。1.3不同參數(shù)據(jù)表1所列水質(zhì)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)標準化值,計算水質(zhì)污染指數(shù)Pi,計算見式(4)。Pi=∑k=1nXik,(4)Ρi=∑k=1nXik,(4)式(4)中,Pi為水質(zhì)污染指數(shù),Xik為水質(zhì)指標的污染指數(shù)(水質(zhì)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)標準化值),n為水質(zhì)指標個數(shù)1,2,…,n。2結果與分析2.1污染指數(shù)分析根據(jù)表1和式(2)、(3)計算以博斯騰湖2005～2007年水質(zhì)指標為樣本、監(jiān)測斷面為變量的D(0)值(表2),λi為分類特征值。然后,對表2的D(0)表進行第一次并類,再計算新類與各類間的距離繼續(xù)并類,用最短距離法直至全部并為一類為止。由圖1～3可知,2005年水質(zhì)指標系統(tǒng)聚類圖中各樣本次序:pH、COD、總氮、總硬度、氯化物、溶解性總固體、硫酸鹽、氟化物、BOD、硝酸鹽。2006年各樣本次序:pH、總氮、氯化物、溶解性總固體、硫酸鹽、總硬度、COD、氟化物、硝酸鹽、BOD。2007年各樣本次序:pH、總氮、氯化物、硫酸鹽、總硬度、溶解性總固體、COD、氟化物、BOD。最短距離法將指標距離最接近的先聚于一類,如pH與總氮的距離相對總硬度與氯化物的距離較小先聚于一類。依據(jù)各樣本距離由小到大的次序,氟化物、硝酸鹽、BOD污染水平接近,2007年,硝酸鹽未檢出,距離比其他指標大,是因為污染影響很小;2005年和2006年,pH、COD、總氮污染水平接近,2007年,COD與總硬度污染水平接近,氯化物和pH與總氮、COD與總硬度的距離較近,說明加強管理水體后,總硬度與氯化物在水體的含量有所降低,標準化數(shù)據(jù)的大小也說明了這一點;溶解性總固體和硫酸鹽2005年可各自成類,而2006年和2007年距離最近而聚于一類,溶解性總固體和硫酸鹽主要表征水體無機鹽含量大,說明水體鹽化越發(fā)明顯。通過系統(tǒng)聚類分析,水質(zhì)指標中污染水平接近的聚于一類,但不能區(qū)分影響水質(zhì)優(yōu)劣的主要因子和次要因子,而水質(zhì)污染指數(shù)分析能進一步說明系統(tǒng)聚類分析的效果和區(qū)分影響水質(zhì)優(yōu)劣的程度。經(jīng)系統(tǒng)聚類分析,獲得博斯騰湖監(jiān)測斷面2005、2006、2007年水質(zhì)指標的聚類圖1、2、3。2.2主要污染源綜合污染指數(shù)據(jù)式(4)計算水質(zhì)污染指數(shù),并依據(jù)Pi值按年份進行分類列于表3。對博斯騰湖水質(zhì)指標的系統(tǒng)聚類分析和污染指數(shù)綜合分析符合水環(huán)境質(zhì)量狀況,比較兩種分析,結合博斯騰湖水質(zhì)實際狀況,綜合污染指數(shù)法表明,近3年影響博斯騰湖水質(zhì)的主要影響因子是溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物。結合系統(tǒng)聚類法中,2006和2007年和和聚于一類,仍是主要污染源綜合污染指數(shù)進一步說明,2005～2007年水環(huán)境質(zhì)量略有改善。水體生物化學需氧量低,BOD/COD為0.1～0.2,可生化性差,水體的主要影響仍然是礦化度高,博斯騰湖的污染主要還是農(nóng)田排污水。與2000、2003年相比較,焉耆盆地每年通過各類排渠和河流流入博斯騰湖的污染物總量依次為氯離子、硫酸根、氨氮、COD和礦化度的綜合污染指數(shù)有所下降,水環(huán)境質(zhì)量有所提高,對博斯騰湖流域的綜合規(guī)劃與整治措施有一定效果。采用系統(tǒng)聚類法分析表明,博斯騰湖水質(zhì)指標相近污染程度的分類結果較好,能體現(xiàn)隨水體質(zhì)量的變化,而pH和總氮、氟化物和BOD、溶解性總固體和硫酸鹽等指標的相關性較高,能表征水體質(zhì)量與水環(huán)境質(zhì)量級標準的相對變化,但不能對水質(zhì)指標的影響程度排序,需結合綜合污染指數(shù)近一步分析和評判。污染指數(shù)法對監(jiān)測斷面的綜合分析進一步表明,溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物對水體污染的貢獻最大,使鹽分積累,是水體綜合污染的主要影響因子。因此,加大農(nóng)田排污和入湖河流水體的質(zhì)量管理是改善水體環(huán)境質(zhì)量的根本對策。3水質(zhì)綜合污染指數(shù)法近3年影響博斯騰湖水質(zhì)的主要影響因子是溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物,并且對水體污染的貢獻最大。2005年至2007年水環(huán)境質(zhì)量略