廣利河水質時空演變分析法研究

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1研究區概況

廣利河系東營市境內排澇、排污、滲堿的主要河道,隨著當地工業經濟的不斷發展,河水污染嚴重。廣利河干流主要有濟南路、黃河路、東五路、東七路和明海閘等5個水質監測點。廣利河研究區位置圖如圖1所示。

2研究方法

主成分分析的原理是在保持重要信息的基礎上,通過原始變量的少數線性組合代表原始數據的絕大部分信息,減少研究問題的復雜程度。用主成分分析法進行水質評價的步驟如下:①原始數據矩陣標準化。對于n個樣本點p個指標的原始數據矩陣A=(xij)n×p進行標準化,得到標準化矩陣A'n×p。②求得標準化矩陣A'n×p的相關系數矩陣Rp×p。③求得相關系數矩陣Rp×p的特征向量。④計算主成分貢獻率及累計貢獻率,確定主成分個數m。本文要求前m個主成分的累計解釋方差占總方差的80%以上。⑤選擇m個主成分,計算特征向量,求得主成分分析的得分。⑥計算主成分載荷,根據綜合得分判斷水質情況。

3研究方法應用

3.1廣利河數據

東營市中心城廣利河水質數據來源于東營市黃河三角洲城市水系與濕地研究所對廣利河濟南路橋、黃河路橋、東五路橋、東七路橋及明海閘等5個斷面的試驗室檢測水質數據,其數據檢測序列為2014年至2017年,檢測項目為國家及環保部地表水水質檢測標準(GB11914-89、HJ535-2009)所規定的COD、氨氮、濁度、pH和氯離子含量等5項指標。為了查明廣利河(中心城區段)的主要污染物物質,并對污染物的時空變化規律進行歸納總結,以指導水環境綜合治理項目,本文采用因子分析法對檢測數據進行分析。空間變異性,即分別推求5個斷面的主要污染成分指標:每個斷面用4年數據(5個檢測指標),濟南路、黃河路、東五路、東七路、明海閘分別為61×5、64×5、65×5、65×5、66×5的矩陣,對5個矩陣分別進行主成分分析。時間變異性,即分別推求4年主要污染成分指標:每年用5個斷面的5個檢測指標數據,2014年、2015年、2016年、2017年的數據分別形成95×5、69×5、106×5、90×5的矩陣,對4個矩陣進行主成分分析。

3.2廣利河水質空間變異分析

濟南路、黃河路、東五路、東七路、明海閘等5個斷面的特征值矩陣見表1。特征值的絕對值越大,其相應的指標在各主成分中載荷越大,則某斷面某主成分特征值的絕對值最大者對應的污染物指標為該主成分中最主要的污染物。每個斷面特征矩陣代表80%以上的信息,即在每個矩陣中篩選出代表所有信息80%的特征值。因為每個特征值在所在矩陣中的載荷不同,所以篩選出的特征值的個數也不同,即每個斷面的主要污染成分個數不同。由表1可以看出,濟南路斷面、黃河路斷面、東五路斷面、東七路斷面和明海閘斷面的代表主成分均有2個,但由于各主成分的污染物指標不同,則各主成分的代表污染物各不相同。濟南路第一主成分中氯離子載荷最大,第二主成分中濁度載荷最大,則濟南路斷面的主要污染指標為氯離子和濁度。同理,黃河路的主要污染指標為氯離子和pH;東五路的主要污染指標為氯離子和濁度;東七路的主要污染指標為氯離子和COD;明海閘的主要污染指標為濁度和氯離子。

3.3廣利河水質時間變異分析

從表2可以看出,2014年主要污染物指標為pH、COD;2015年主要污染物為COD和氨氮;2016年主要污染物指標為氯離子和pH;2017年主要污染物為COD、濁度和pH。綜合而言,COD是常見的污染物指標,pH也經常處于超標狀態。濁度是偶爾出現的主要污染成分。3.4廣利河水質綜合評價通過特征值計算各監測斷面及各年主成分的得分值及綜合得分值,并按綜合得分絕對值進行排序,絕對值越高,污染越嚴重。從表3可以看出,各斷面的水質最差月集中在汛期(6月至9月),水質最優月基本分布在非汛期。通過表4和圖2可以看出,從2014年至2017年,水質年度排名最好的一般出現在黃河路、東五路,最差的大部分出現在東七路或濟南路,這說明黃河路水質優于東七路、濟南路,表明污染源主要可能來自于黃河路與東七路之間,以及黃河路與濟南路之間。

4結語

在水質評價中,水質指標眾多,不同指標間往往存在一定程度的重疊,運用主成分分析可以對原指標變量進行變換后形成彼此相互獨立的主成分,在保證原始數據的信息損失最小的情況下,以少數的綜合變量取代原有的多維變量,減小評價指標之間的相互影響,反映水質的綜合狀況。通過分析得到以下結論:①從空間上看,氯離子是5個斷面共有的主要污染物成分。濟南路、黃河路、東五路、東七路、明海閘的主要污染物成分出現了一定程度的變化，分別是濁度、pH、濁度、COD、氨氮。東七路、濟南路的水質綜合得分絕對值最高,水質最差;黃河路、東五路的水質綜合得分絕對值最低,水質較好。②從時間上看,2014年以來,COD一直都是主要的污染物,pH也是比較常出現的污染成分。通過污染程度排名,總體來看水質有變好的趨勢。

作者:付曉杰 王振 張歌 單位:中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 浙江省華東生態環境工程研究院