水資源評價模型優化及驅動因子分析研究

焦 嬌

(河北省張家口水文勘測研究中心,張家口 075000)

0 引 言

湘江流域水環境的評價方法包括均值指數法[1]、WQI[2]模型等,對水環境主要污染物的識別方法則主要包括聚類分析[3]、回歸分析[4]以及主成分分析[5]等。WQI模型由徐祖信[6]提出,并應用于綜合水質標識指數的評價中,其克服了評價方法的指標單一性、評價的主觀性等缺陷,并且在近些年不斷有學者對WQI模型進行改進[7],以期以最小的成本、最高的效率,實現水環境的評價。

本文以湘江流域77個水質監測點的監測數據為基礎,基于改進的WQImin模型,結合主成分分析法及聚類方法,建立湘江流域的WQImin水環境評價模型,并通過皮爾遜相關性分析,確定各區域水環境的主要驅動因子。

1 研究概況

本研究以湖南省最大河流——湘江作為研究對象,湘江在湖南境內流經多個城市,包括長沙、湘潭、衡陽等地,最后匯入洞庭湖。湘江的分支還流經婁底等地,支流還涉及到廣西省和江西省的多個城市和縣區[8]。湘江的流域水系比較發達,其中支流最大流域面積達上萬平方公里,如瀟水、耒水和洣水流域;流域面積在3 000～10 000km2的支流有5條,流域面積在1 000～3 000km2的支流有9條。

2 研究方法介紹

2.1 監測數據

本研究的數據來源為湘江流域2020年整年的地表水月監測數據,其中共涉及77個監測點,監測數據包括水的溫度(T)、溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、六價鉻(Cr6+)、酸堿度(pH)、電導率、氯化物、高錳酸鹽指數(CODMn)、鎘(Cd)、砷(As)、氨氮(NH3-N)等共計21個指標。各指標的監測數據均由省水利廳提供。

2.2 研究方法

本研究所采用的方法包括聚類分析、主成分分析方法,將多個具備相關性的變量組合為少數具備原變量大多數特征的相互獨立變量[9]。研究主要使用數據統計軟件SPSS,對水質的21項監測指標進行主成分分析,以此獲得可反映水質多數信息特征的因子。

基于WQImin模型,確定各指標的權重,公式如下:

(1)

式中:n為研究所涉及的指標總數;Ci為第i個指標的歸一化值,可根據式(2)計算得到;pi為第i個指標的權重,該值的選取見表1。

表1 基于WQImin模型計算得到的各水質指標歸一化值和權重

(2)

式中:Ti為第i個指標的檢測值;參考《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)確定第i個指標的k級和k+n級的標準濃度Si,k和Si,k+n;Ii,k為i指標的k級指標值;N為標準值相同的個數,N=1表示沒有相同標準值。

此外,采用極差標準化的方法,對數量級差異較大的數據進行處理,并基于皮爾遜線性相關法,對社會經濟指標與WQImin值的相關性進行分析,確定與WQImin值相關性較高的社會經濟指標。

3 研究結果分析

3.1 聚類分析結果及污染因子主成分分析

3.1.1 聚類分析結果

基于SPSS24.0軟件進行聚類分析,確定所涉及的77個監測點水質特征相似的聚成一類。根據聚類的結果,該77個監測點聚類為3類。其中,第Ⅰ類監測點包括從衡陽市到株洲市范圍的監測站站點,如松柏、歸陽等;還有支流部分的監測點,如瀏陽河、漣水等。第Ⅱ類包括16個監測點,其中以湘江支流為主,包括舂陵水、漣水、涓水等;干流監測站如永州境內老埠頭站、湘潭境內馬家河站和長沙市境內暮云站。第Ⅲ類共計32個監測點,主要分布在永州市境內,少數分布在郴州市和長沙市。

3.1.2 污染因子的主成分分析

基于SPSS24.0軟件,對3類監測點的21項水質指標進行處理,結果見表2-表4。

表2 基于聚類分析的I聚類監測點的主成分分析結果

表3 基于聚類分析的II聚類監測點的主成分分析結果

表4 基于聚類分析的III聚類監測點的主成分分析結果

根據3類聚類站點的主成分分析結果可知,第Ⅰ類聚類站點的3個特征值均超過1,表明其主要污染物為溶解氧、五日生化需氧量、六價鉻、高錳酸鹽和氨氮;第Ⅱ類聚類站點的主要污染物為溶解氧、汞、五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮;第Ⅲ類聚類站點的主要污染物為溶解氧、五日生化需氧量、總磷、六價鉻和高錳酸鹽。由此可得到結論:整個湘江流域的污染因子為溶解氧、五日生化需氧量和高錳酸鹽。其中,溶解氧是研究水的自凈能力的重要參考依據,其易受水文條件等條件的影響;而五日生化需氧量和高錳酸鹽則反映了水體受到有機物污染的情況,但污染源存在地區差異性。

第Ⅰ類聚類站點主要分布在衡陽市境內,由于該地區內產業相對密集,包括汽車制造、金屬冶煉、化學品制造等工業[10],極易形成污染源;并且該區內受到畜禽排泄污染較嚴重[11],由此導致水體中的五日生化需氧量、氨氮和部分重金屬超標,驗證了所確定的污染因子的合理性。第Ⅱ類聚類站點主要分布在湘江的支流上,通過主成分分析獲得的主要污染物為溶解氧、汞、五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮,其中生活污水等構成五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮污染因子,而汞主要是工業污染所致。第Ⅲ類聚類站點主要分布在永州市境內,以及郴州市和長沙市的小部分區域,其主要污染物為溶解氧、五日生化需氧量、總磷、六價鉻和高錳酸鹽,其中五日生化需氧量和總磷主要來源于農業污染,而氨氮主要來源于生活污染。

3.2 湘江流域水環境評價

基于WQImin模型,對湘江水環境進行評價。其中,3類聚類站點的計算指標分別為:第Ⅰ類聚類站點為溶解氧、五日生化需氧量、六價鉻、高錳酸鹽和氨氮;第Ⅱ類聚類站點為溶解氧、汞、五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮;第Ⅲ類聚類站點為溶解氧、五日生化需氧量、總磷、六價鉻和高錳酸鹽。設置WQImin模型的評分標準,主要包括90～100、80～90、70～80、60～70、50～60五檔。

3.2.1 汛期及非汛期 WQImin值分析

湘江流域非汛期與汛期的月份分別為10月份至次年3月份以及4-9月份。根據式(1)和式(2)計算得到的各監測站的WQImin范圍為70～95.2,而非汛期的水質要高于汛期,其中WQImin值處于90～100的站點總數占全部站點的23%,而處于80～90的站點總數占全部站點的60%,分別比汛期高出13%和56%。

地區之間的水質也存在較大差異,如永州地區的水質環境要明顯比其他地區好。其中,WQImin值處于90～100的站點主要分布在桂湘緩沖區、永州開發利用區、祁陽開發利用區以及瀟水;湘江支流如紫溪河、春陵水、漣水等在非汛期水質優于汛期,且WQImin值處于90～100;湘江干流如衡陽、株洲區域內以及各支流如耒水、攸水等汛期的WQImin值普遍分布于70～80,表明這些地區的汛期水環境存在較大問題。

3.2.2 湘江流域干支流的WQImin值沿程分析

湘江干流包括永濟、衡陽、株洲、湘潭和長沙的年平均WQImin值分別為91.1、82.7、80.9、78.7和81.6,WQImin值的變化呈先降低后升高的趨勢。其中,永濟市的年平均WQImin值最高;湘潭市則最低。具體WQImin值見圖1至圖6。

圖1 湘江干流的WQImin值

春陵水經由永州在衡陽境內匯入湘江的干流,春陵水的WQImin值呈逐漸降低的變化趨勢,WQImin值由89.0降低至84.0,見圖2;耒水經由郴州在衡陽境內匯入湘江的干流,耒水的WQImin值呈降低的變化趨勢,WQImin值由88.2降低至81.2,見圖3;漣水經由婁底在湘潭境內匯入湘江的干流,漣水的WQImin值也呈降低的變化趨勢,WQImin值由86.4降低至80.0,見圖4;洣水經由株洲在衡陽境內匯入湘江的干流,洣水的WQImin值呈降低的變化趨勢,WQImin值由83.8降低至80.6,見圖5;位于永州境內的瀟水的WQImin平均值為90.7,見圖6。

圖2 春陵水WQImin值

圖3 耒水WQImin值

圖4 漣水WQImin值

圖5 洣水WQImin值

圖6 瀟水WQImin值

3.3 湘江流域水環境驅動因子分析

針對湘江流域進行分區域,以追蹤水環境的驅動因子,并開展皮爾遜相關性分析,以確定各區域水環境的主要驅動因子,確定的各主要地區WQImin值與社會經濟指標的相關性分析結果見表5。其中,長沙、株洲、湘潭以及衡陽水環境的主要驅動因子為化肥使用、工業廢水排放和常住人口;永州的主要驅動因子為化肥使用和常住人口;婁底和郴州的主要驅動因子為工業廢水排放和常住人口。

表5 各主要地區WQImin值與社會經濟指標的相關性分析結果

4 結 論

本文采用聚類分析的方式,對湘江流域77個水質監測點進行了聚類,并采用主成分分析的方式,對各聚類監測點的水質指標進行了分析,然后基于WQImin模型,建立水環境在汛期與非汛期的評價方法,同時開展了皮爾遜相關性分析,最終確定了各區域水環境的主要驅動因子。結論如下:

1)整個湘江流域的主要污染因子為溶解氧、五日生化需氧量和高錳酸鹽。其中,以衡陽市境內為主的第Ⅰ類聚類站點主要受農業因素的影響,主要污染物為五日生化需氧量、氨氮和部分重金屬。主要分布在湘江支流上的第Ⅱ類聚類站點的主要污染物為溶解氧、汞、五日生化需氧量、總磷、高錳酸鹽和氨氮,污染源包括生活污水、工業污染和市政污水;第Ⅲ類聚類站點主要分布在永州市境內以及郴州市和長沙市的小部分區域,其主要污染物為溶解氧、五日生化需氧量、總磷、六價鉻和高錳酸鹽,其中五日生化需氧量和總磷主要來源于農業污染,而氨氮主要來源于生活污染。

2)根據WQImin模型,計算得到湘江流域各監測站的WQImin范圍為70～95.2,非汛期的水質要明顯優于汛期水質。湘江流域各地區之間的水質存在較大差異,其中水質最好的地區即WQImin值處于90～100的站點,主要分布在桂湘緩沖區、永州開發利用區、祁陽開發利用區以及瀟水;而湘江干流如衡陽、株洲區域內以及各支流如耒水、攸水等汛期的WQImin值普遍分布于70～80,表明這些地區的汛期水環境存在較大問題,應加強該地區汛期水環境的監管。

3)根據皮爾遜相關性分析,確定各區域水環境的主要驅動因子。其中,長沙、株洲、湘潭以及衡陽水環境的主要驅動因子為化肥使用、工業廢水排放和常住人口;永州的主要驅動因子為化肥使用和常住人口;婁底和郴州的主要驅動因子為工業廢水排放和常住人口。