广利河水质时空演变分析法研究

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1研究区概况

广利河系东营市境内排涝、排污、渗碱的主要河道,随着当地工业经济的不断发展,河水污染严重。广利河干流主要有济南路、黄河路、东五路、东七路和明海闸等5个水质监测点。广利河研究区位置图如图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础上,通过原始变量的少数线性组合代表原始数据的绝大部分信息,减少研究问题的复杂程度。用主成分分析法进行水质评价的步骤如下:①原始数据矩阵标准化。对于n个样本点p个指标的原始数据矩阵A=(xij)n×p进行标准化,得到标准化矩阵A'n×p。②求得标准化矩阵A'n×p的相关系数矩阵Rp×p。③求得相关系数矩阵Rp×p的特征向量。④计算主成分贡献率及累计贡献率,确定主成分个数m。本文要求前m个主成分的累计解释方差占总方差的80%以上。⑤选择m个主成分,计算特征向量,求得主成分分析的得分。⑥计算主成分载荷,根据综合得分判断水质情况。

3研究方法应用

3.1广利河数据

东营市中心城广利河水质数据来源于东营市黄河三角洲城市水系与湿地研究所对广利河济南路桥、黄河路桥、东五路桥、东七路桥及明海闸等5个断面的试验室检测水质数据,其数据检测序列为2014年至2017年,检测项目为国家及环保部地表水水质检测标准(GB11914-89、HJ535-2009)所规定的COD、氨氮、浊度、pH和氯离子含量等5项指标。为了查明广利河(中心城区段)的主要污染物物质,并对污染物的时空变化规律进行归纳总结,以指导水环境综合治理项目,本文采用因子分析法对检测数据进行分析。空间变异性,即分别推求5个断面的主要污染成分指标:每个断面用4年数据(5个检测指标),济南路、黄河路、东五路、东七路、明海闸分别为61×5、64×5、65×5、65×5、66×5的矩阵,对5个矩阵分别进行主成分分析。时间变异性,即分别推求4年主要污染成分指标:每年用5个断面的5个检测指标数据,2014年、2015年、2016年、2017年的数据分别形成95×5、69×5、106×5、90×5的矩阵,对4个矩阵进行主成分分析。

3.2广利河水质空间变异分析

济南路、黄河路、东五路、东七路、明海闸等5个断面的特征值矩阵见表1。特征值的绝对值越大,其相应的指标在各主成分中载荷越大,则某断面某主成分特征值的绝对值最大者对应的污染物指标为该主成分中最主要的污染物。每个断面特征矩阵代表80%以上的信息,即在每个矩阵中筛选出代表所有信息80%的特征值。因为每个特征值在所在矩阵中的载荷不同,所以筛选出的特征值的个数也不同,即每个断面的主要污染成分个数不同。由表1可以看出,济南路断面、黄河路断面、东五路断面、东七路断面和明海闸断面的代表主成分均有2个,但由于各主成分的污染物指标不同,则各主成分的代表污染物各不相同。济南路第一主成分中氯离子载荷最大,第二主成分中浊度载荷最大,则济南路断面的主要污染指标为氯离子和浊度。同理,黄河路的主要污染指标为氯离子和pH;东五路的主要污染指标为氯离子和浊度;东七路的主要污染指标为氯离子和COD;明海闸的主要污染指标为浊度和氯离子。

3.3广利河水质时间变异分析

从表2可以看出,2014年主要污染物指标为pH、COD;2015年主要污染物为COD和氨氮;2016年主要污染物指标为氯离子和pH;2017年主要污染物为COD、浊度和pH。综合而言,COD是常见的污染物指标,pH也经常处于超标状态。浊度是偶尔出现的主要污染成分。3.4广利河水质综合评价通过特征值计算各监测断面及各年主成分的得分值及综合得分值,并按综合得分绝对值进行排序,绝对值越高,污染越严重。从表3可以看出,各断面的水质最差月集中在汛期(6月至9月),水质最优月基本分布在非汛期。通过表4和图2可以看出,从2014年至2017年,水质年度排名最好的一般出现在黄河路、东五路,最差的大部分出现在东七路或济南路,这说明黄河路水质优于东七路、济南路,表明污染源主要可能来自于黄河路与东七路之间,以及黄河路与济南路之间。

4结语

在水质评价中,水质指标众多,不同指标间往往存在一定程度的重叠,运用主成分分析可以对原指标变量进行变换后形成彼此相互独立的主成分,在保证原始数据的信息损失最小的情况下,以少数的综合变量取代原有的多维变量,减小评价指标之间的相互影响,反映水质的综合状况。通过分析得到以下结论:①从空间上看,氯离子是5个断面共有的主要污染物成分。济南路、黄河路、东五路、东七路、明海闸的主要污染物成分出现了一定程度的变化，分别是浊度、pH、浊度、COD、氨氮。东七路、济南路的水质综合得分绝对值最高,水质最差;黄河路、东五路的水质综合得分绝对值最低,水质较好。②从时间上看,2014年以来,COD一直都是主要的污染物,pH也是比较常出现的污染成分。通过污染程度排名,总体来看水质有变好的趋势。

作者:付晓杰 王振 张歌 单位:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江省华东生态环境工程研究院