基于聚类分析与综合污染指数法的博斯腾湖入湖水质分析与评价

基于聚类分析与综合污染指数法的博斯腾湖入湖水质分析与评价

博斯腾湖盆地是广西自治省巴音郭楞州的重要粮食、石油、棉花、水果、动物产品和水产品基地。自20世纪60年代以来,博斯腾湖水质开始碱化,使博斯腾湖湿地生态系统逐渐受损退化。博斯腾湖水质的恶化和流域生态环境的劣变,主要是资源开发不合理和管理不科学等人为因素和气候环境变化共同造成。因此,对博斯腾湖入湖水质进行分析与评价,对从源头控制博斯腾湖水质质量具有重要的意义。水质分析中常涉及多项指标和多个监测点,如何综合、客观评价水质质量至关重要。目前,常见评价方法有综合污染指数法、简单指数法、主成分分析法和聚类分析法等。而影响水环境质量的因素往往很多,采用单因子评价很难取得满意的结果,必须同时综合考虑多方面的因素。因此,水环境质量评价问题就是一个多维的复杂系统。综合污染指数法是评价水质质量的一种数量尺度,具有简明、可比等特点。但在综合评价时会掩盖污染因子内部特征、确定指数范围人为因素较大、指数值界限过于清晰与客观环境不等,评价时常会存在一定的片面性。而聚类分析是借相似性对事物样本进行类别划分,其做法是从所有可能的类别中找出最合理的与样本数据拟合或最符合问题要求的一种分类。本研究将聚类分析与综合污染指数法相结合,应用于博斯腾湖入湖水质分析与评价,以期对博斯腾湖水环境治理,指导区域发展和决策提供理论依据。1水质指标评价研究以博斯腾湖调查的10项参数作为水环境质量评价因子,以GB3838-2002《地表水环境质量标准》为主要评价标准,参考GB5084-92《农田灌溉水质标准》和GB5749-85《生活饮用水卫生标准》,将博斯腾湖2005、2006、2007年开都河、黄水沟和清水河三个监测断面的水质指标观测数据进行系统聚类及污染指数评价。1.1对于某污染物的标准化处理由于观测数据量纲不同,且数据大小相差大,需将原始数据按公式(1)进行标准化处理,见表1。Xi=Ci/Si(1)式(1)中:Xi为某污染物的污染指数;Ci为某污染物的实测浓度;Si为某污染物地面水环境质量标准的Ⅲ级标准值。1.2聚类分析分析方法为了客观地将污染状况相近的指标归为一类,研究以水质指标为样本、监测断面为变量进行聚类。目前已有大量的相似系数和距离公式,但在数值分类中比较常用的是少数。对经过标准化的数据X矩阵,选择了具有较强分辨能力的卡方距离计算,见式(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,采用最短距离法进行系统聚类分析,见式(3)。Dpq=i∈Gminpj∈Gqdji,(3)式(3)中i∈Gp表示i在Gp类内,i∈Gq表示、j在Gq类内,Dpq为两类中所有距离的最小距离。水质指标样本n=10,i,j=1,2,…10,监测断面变量X=3,k=1,2,3。Xik、Xjk表示不同水质指标在各监测断面的污染指数。1.3不同参数据表1所列水质指标监测数据标准化值,计算水质污染指数Pi,计算见式(4)。Pi=∑k=1nXik,(4)Ρi=∑k=1nXik,(4)式(4)中,Pi为水质污染指数,Xik为水质指标的污染指数(水质指标监测数据标准化值),n为水质指标个数1,2,…,n。2结果与分析2.1污染指数分析根据表1和式(2)、(3)计算以博斯腾湖2005～2007年水质指标为样本、监测断面为变量的D(0)值(表2),λi为分类特征值。然后,对表2的D(0)表进行第一次并类,再计算新类与各类间的距离继续并类,用最短距离法直至全部并为一类为止。由图1～3可知,2005年水质指标系统聚类图中各样本次序:pH、COD、总氮、总硬度、氯化物、溶解性总固体、硫酸盐、氟化物、BOD、硝酸盐。2006年各样本次序:pH、总氮、氯化物、溶解性总固体、硫酸盐、总硬度、COD、氟化物、硝酸盐、BOD。2007年各样本次序:pH、总氮、氯化物、硫酸盐、总硬度、溶解性总固体、COD、氟化物、BOD。最短距离法将指标距离最接近的先聚于一类,如pH与总氮的距离相对总硬度与氯化物的距离较小先聚于一类。依据各样本距离由小到大的次序,氟化物、硝酸盐、BOD污染水平接近,2007年,硝酸盐未检出,距离比其他指标大,是因为污染影响很小;2005年和2006年,pH、COD、总氮污染水平接近,2007年,COD与总硬度污染水平接近,氯化物和pH与总氮、COD与总硬度的距离较近,说明加强管理水体后,总硬度与氯化物在水体的含量有所降低,标准化数据的大小也说明了这一点;溶解性总固体和硫酸盐2005年可各自成类,而2006年和2007年距离最近而聚于一类,溶解性总固体和硫酸盐主要表征水体无机盐含量大,说明水体盐化越发明显。通过系统聚类分析,水质指标中污染水平接近的聚于一类,但不能区分影响水质优劣的主要因子和次要因子,而水质污染指数分析能进一步说明系统聚类分析的效果和区分影响水质优劣的程度。经系统聚类分析,获得博斯腾湖监测断面2005、2006、2007年水质指标的聚类图1、2、3。2.2主要污染源综合污染指数据式(4)计算水质污染指数,并依据Pi值按年份进行分类列于表3。对博斯腾湖水质指标的系统聚类分析和污染指数综合分析符合水环境质量状况,比较两种分析,结合博斯腾湖水质实际状况,综合污染指数法表明,近3年影响博斯腾湖水质的主要影响因子是溶解性总固体、硫酸盐、氯化物。结合系统聚类法中,2006和2007年和和聚于一类,仍是主要污染源综合污染指数进一步说明,2005～2007年水环境质量略有改善。水体生物化学需氧量低,BOD/COD为0.1～0.2,可生化性差,水体的主要影响仍然是矿化度高,博斯腾湖的污染主要还是农田排污水。与2000、2003年相比较,焉耆盆地每年通过各类排渠和河流流入博斯腾湖的污染物总量依次为氯离子、硫酸根、氨氮、COD和矿化度的综合污染指数有所下降,水环境质量有所提高,对博斯腾湖流域的综合规划与整治措施有一定效果。采用系统聚类法分析表明,博斯腾湖水质指标相近污染程度的分类结果较好,能体现随水体质量的变化,而pH和总氮、氟化物和BOD、溶解性总固体和硫酸盐等指标的相关性较高,能表征水体质量与水环境质量级标准的相对变化,但不能对水质指标的影响程度排序,需结合综合污染指数近一步分析和评判。污染指数法对监测断面的综合分析进一步表明,溶解性总固体、硫酸盐、氯化物对水体污染的贡献最大,使盐分积累,是水体综合污染的主要影响因子。因此,加大农田排污和入湖河流水体的质量管理是改善水体环境质量的根本对策。3水质综合污染指数法近3年影响博斯腾湖水质的主要影响因子是溶解性总固体、硫酸盐、氯化物,并且对水体污染的贡献最大。2005年至2007年水环境质量略