基于多元统计方法的穆棱河水质时空分布特征.pdf
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1、书书书 年第 期(第 卷)黑龙江水利科技 ()文章编号:()基于多元统计方法的穆棱河水质时空分布特征薛世勤,王立权,李铁男,邱朋朋,戴韬严櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳櫳毶毶毶毶科技成果(黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨 ;黑龙江省水利科学研究院,哈尔滨 )摘要:以黑龙江省穆棱河为研究对象,取 个监测断面进行 年水质时空分布特征分析。运用多元统计方法和综合水质标识指数识别其时间和空间尺度上的水质污染特征,确定主要污染物来源,并对其进行了综合评价。结果表明:年穆棱河水质指标波动最大的是 、和 。在时间尺度上分为 (月、月、月)、(月、月)、(月)三个时段,其中 时段主要污染物有机物和营养盐,时段主
2、要受到农业和生活污水污染。在空间尺度上,上游团结水库 和 污染严重,且 时段 为劣类。碱厂桥 浓度较高,除 时段外,均为类。其余监测断面水质均达到类水标准,中、下游水质整体好于上游。关键词:穆棱河;水质;多元统计分析;综合评价中图分类号:;文献标识码:;(,;,):,;,:(,),(,)(),;,:;收稿日期 基金项目 黑龙江省重点研发计划指导类项目()作者简介 薛世勤(),男,甘肃酒泉人,硕士研究生,研究方向为水资源与水环境研究;王立权(),男,山东临朐人,教授,研究方向为水资源农业水土高效利用;李铁男(),女,内蒙古海拉尔人,高级工程师,研究方向为水资源与水环境研究;邱朋朋(),男,江西信
3、丰人,工程师,研究方向为水环境监测与治理技术研究;戴韬严(),男,浙江丽水人,硕士研究生,研究方向为水资源农业水土高效利用。年第 期(第 卷)黑龙江水利科技 ()引言河流是水循环的重要途径,地表水污染会直接或间接影响大气降水、地下水和海水。地表水极易受到农业活动和工业污染,以及居民生活废水、畜禽和水产养殖废水、河流内源污染均是导致河流水体污染和污染特征差异化显著的主要因素 。经济和人口增长加剧了地表水污染对人们生活的负面影响。为了进行高效的水体管理,水质评价是应对地表水污染改善水质的首要行动之一。水质评价的普遍方式是将收集测量的物理化学水质数据与国家或者国际规定标准进行比较,得到相应水体的污染
4、程度。河流水体污染通常有显著的时空间差异,可能是由复杂的自然因素或人类活动影响形成。但是这种方法无法判断污染来源和解释水体污染的时空间异质性,庞大的数据也难以得出有意义的结论,而多元统计分析是研究河流水质时空分布特征的有效方法。多元统计是可以处理多维数据,研究多个变量之间依赖性和规律性的方法 。例如聚类分析(),主成分分析()等多元统计方法,可以简化水质数据,解释水质参数的特征变化,并以此分析污染来源。近年来很多研究应用了这些方法。被应用于水质时空分异规律的分析 。被应用于分析水质主要驱动因子及其方差贡献率 。但是目前没有对穆棱河流域水质的时空异质性应用多元统计方法的研究。穆棱河位于黑龙江省三
5、江平原地区 ,是乌苏里江左岸最大的支流 ,其流经的穆兴(穆棱河 兴凯湖)平原是我国重要的商品粮生产基地之一 ,穆棱河水资源的健康对保障国家粮食安全、保护耕地生态健康有重要意义。关于穆棱河流域,目前已有相关学者对穆棱河水质健康进行了研究。李佳民等利用模糊综合评价法评价了 年穆棱河水体质量,发现穆棱河水质季节性变化较大,主要污染物是有机物。孙旭利用 多样性指数、均匀度指数和 丰富度指数评价穆棱河水质,发现穆棱河上游呈轻污状态,整体呈中污状态。但现有研究对穆棱河水质在时间尺度和空间尺度上的变异只按照季节和流域进行了简单评析,未凭借其水质特征和寒区气候条件进行分类探讨。本研究选取 年穆棱河流域 个不同
6、监测点的 项物理化学参数,应用多元统计技术()揭示穆棱河水质的时间和空间变化,()确定影响河流水质的主要因子及其来源,应用综合水质标识指数评价穆棱河整体污染状况。本研究目的是为穆棱河流域污染防治和水资源管理提供有效信息。材料与方法 研究区域概况穆棱河(、)河道总长 ,流域面积 ,发源于穆棱县窝集岭,自西南流向东北方向,于鸡西市青龙山处分成两支,一支向东流经虎林市汇入乌苏里江,另一支向南流入小兴凯湖。地貌多为山地,占 ,其余为丘陵、平原和湖泊,分别占 、。研究区地处中温带大陆性季风气候区,年平均气温 ();年平均降水量 ,主要集中在 月,占全年的 左右;无霜期 ,结冰期 。穆棱河中上游为低山丘陵
7、地区,其支流分布有河谷漫滩,工业尤其是采煤业发达,企业很多,点源污染严重。下游地处河谷平原,数百万亩耕地化肥农药等化学品使用量很大,众多大型畜禽养殖场大量排污,严重影响穆棱河水环境质量。极端大陆性气候的结合使河流污染受到强烈的季节性影响。数据根据穆棱河水文特征、土地类型工业污染排放位置和农业耕地分布,本研究选择穆棱河的 个监测点,见图 ,包括三岔屯、团结水库(上游),碱厂桥(中游),知一桥、穆棱河口内(下游)。选择项水质指标进行评价,包括水温()、溶解氧()、高锰酸盐指 数()、氨 氮()、化 学 需 氧 量()、总氮()、总磷()。以 地表水环境质量标准()为评价准则。所有数据采用 、和 数
8、据统计软件进行分析统计。数据处理对主要环境变量应用聚类分析(),判别污染物来源;使用主成分分析()识别研究区域水质健康关键影响因子;应用 ()检验和 球度检验,检验水质数据对 的适用性。结果与讨论 水质污染现状 年第 期(第 卷)黑龙江水利科技 ()穆棱河水质指标描述统计,见表 。由表 可知:各项指标的最大值()、最小值()、均值()和标准差(),以及 项物理化学指标的变异系数(),并列出了 地表水环境质量标准()规定的各项指标限值。从表中可看出,、和 等指标的高变异系数表明其在时间或空间尺度上波动程度较大,可能是由气候因素和人类活动造成。所有指标中 污染程度最严重,平均浓度达到类,最大值高出
9、类标准的 倍,表明在部分时空条件下该水资源无法满足人类生活和工业用途。其余指标的平均浓度均在三级标准限值内。表 穆棱河水质指标描述统计水质指标 地表水环境质量标准 穆棱河水质参数的时间分布特征时间尺度上对穆棱河水质指标应用 ,得到的谱系图将 个监测期分为三类。平方欧姆距离 时有显著差异。聚类包括 月、月、月,对应穆棱河水量的低流量()时段。该时段河流在零下温度下结冰,冰层厚度普遍达到 。聚类对应穆棱河的高流量()时段,包括 月、月、月,夏季汛期雨量增大,多发洪水。聚类包括月和 月,对应穆棱河的平均流量()时段,处于冰封期和非冰封期的过渡阶段。因此,按照穆棱河的水文特征,将 个月分为低流量、中流
10、量和高流量三个时段。穆棱河流冬季气温低,河流结冰期长,该聚类结果比季节分类更为合理。基于层次聚类方法的穆棱河监测时间聚类谱系图(组间联结),见图 。图 基于层次聚类方法的穆棱河监测时间聚类谱系图(组间联结)从时间尺度上应用斯皮尔曼系数评价穆棱河水质变化。分别给三个周期分配相应整数(;:;:),各个水质指标分别与序变量建立斯皮尔曼相关性。结果表明,水温与水质时间分布相关系数最大(),并且达到极显著水平。其余指标中与周期有显著相关性的有达到显著水平的溶解氧()、化学需氧量()、总磷()、高锰酸盐指数()。目前为止,这些参数可看做水质指标周期性变化的主要因素,其时间分布特征可用该区域对应时段的水文特
11、征和气候变化解释。水温反映了大气温度,气温与水体溶解氧含量有显著负相关。在 时段,研究区域气温低,个别月份低至 以下,基本没有农业活动,污染物负荷低。河流冰封期长,人类活动对水质造成的影响小。在 时段,穆棱河冰封期结束,流量增大,农业养殖和人类活动造成的污染负荷逐渐增加。在 时段,该流域降雨增大,产生的径流对地表冲刷,以及水田灌排水为穆棱河带入大量有机污染物,其次是沿途主要城市(鸡西市、虎林市等)的城市生活污水和工业污水排放对水质的有机物贡献。其余参数与水质指标的周期性变化相关性不显著,应该与人类活动密切相关。对两个时段(、)分别应用 (通过 检验和 球度检验),以分析影响水质参数的主要因素并
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