程學(xué)寧,盧毅敏

(福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心,福建福州 350002)

基于SOM和PCA的閩江流域地表水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

程學(xué)寧,盧毅敏

(福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心,福建福州 350002)

根據(jù)2014年1月至2015年11月閩江流域19個(gè)斷面的水質(zhì)月均值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)(SOM)和主成分分析(PCA)法研究了閩江流域水質(zhì)時(shí)空變化特征,并用水質(zhì)指數(shù)對(duì)閩江水質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。SOM分析將水質(zhì)樣本分為3個(gè)空間群組,其中水質(zhì)變化周期分2個(gè)階段:4—11月、12月至次年3月。PCA法分析表明,春冬季沙溪和富屯溪支流以及閩江下游福州城區(qū)河段營(yíng)養(yǎng)鹽水平偏高,在春夏季上游部分河段和下游閩江口有機(jī)污染水平偏高。水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,閩江流域整體水質(zhì)較好,其中三大子流域及閩江下游水質(zhì)評(píng)價(jià)從優(yōu)至劣順序?yàn)?富屯溪流域、建溪流域、沙溪流域、閩江下游流域。

自組織特征映射網(wǎng)絡(luò);主成分分析;水質(zhì)評(píng)價(jià);地表水;閩江流域

地表水水質(zhì)問(wèn)題一直是各國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用中不可忽視的問(wèn)題,特別是在中國(guó),伴隨著現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程,地表水污染以及可利用水資源不足成為制約社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。一方面,流域地表水作為重要的區(qū)域水資源,廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)林灌溉,河流水質(zhì)狀況決定了流域水資源開(kāi)發(fā)利用程度;另一方面,受到多種人為和自然環(huán)境因素影響,地表水資源可持續(xù)利用面臨威脅。因此,開(kāi)展流域地表水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià),全面評(píng)估流域地表水水質(zhì)狀況,獲得污染物在時(shí)空維度中的變化信息,評(píng)價(jià)污染狀況,從而為流域全面水質(zhì)管理、污染物控制提供決策依據(jù),就顯得尤為重要。

從20世紀(jì)80年代起,我國(guó)已開(kāi)展有關(guān)河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)工作。常用的地表水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法有單因子評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析法[1-2]、層次分析法、主成分分析[3-5]、聚類(lèi)方法[5]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法等。然而,在流域尺度、多斷面、高維水質(zhì)樣本評(píng)價(jià)時(shí),這些方法存在一些不足:單因子評(píng)價(jià)法和污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果存在極化問(wèn)題;基于模糊數(shù)學(xué)理論、灰色系統(tǒng)理論、集對(duì)分析理論等的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)指標(biāo)權(quán)重的選取存在爭(zhēng)議,且模型自動(dòng)化水平低;傳統(tǒng)的聚類(lèi)方法很難合理地反映樣本的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),故在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)研究中往往采用幾種方法結(jié)合以彌補(bǔ)單一方法可靠性不足的問(wèn)題[6]。流域水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)[7-11]、主成分分析(PCA)[7]、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)[12-14]等方法越來(lái)越受到學(xué)者的關(guān)注。其中SOM可將高維數(shù)據(jù)通過(guò)自組織聚類(lèi)映射到低維空間并可視化,且具有保留原始向量特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)[15-16];PCA在水質(zhì)評(píng)價(jià)中可從多變量中篩選出主要獨(dú)立的綜合因子[17],且保留原始主要信息,也能對(duì)不同地區(qū)水質(zhì)狀況進(jìn)行比較分析[18];水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)能整體、客觀(guān)、定量地反映流域水質(zhì)狀況。因此,本文選取2014年1月至2015年11月閩江流域19處監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),應(yīng)用SOM-Kmedoids算法和PCA法分析閩江流域地表水質(zhì)時(shí)空變化特征,對(duì)閩江流域近2年間水質(zhì)變化中的人為和自然影響進(jìn)行鑒別,并采用水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià),以期客觀(guān)、全面地揭示流域地表水水質(zhì)宏觀(guān)狀況,并為閩江流域開(kāi)展流域水環(huán)境管理與污染控制提供參考,以便改善流域未來(lái)水質(zhì)。

1 研究區(qū)概況

閩江是福建省第一大水系,位于東經(jīng)116°23'~ 119°35',北緯25°23'~28°16'之間,全長(zhǎng)562 km,其流域面積占福建省陸域面積的近一半,發(fā)源于福建、江西交界的建寧縣均口鄉(xiāng),南平以上有建溪、富屯溪和沙溪三大主要支流,在南平市匯合后稱(chēng)閩江,自南平到閩江入?？?沿途有吉溪、尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流匯入(圖1)。上游地區(qū)為山區(qū)性河流,多峽谷盆地,下游多曲流漫灘。各地降水量年均在1 000 mm以上,其中以閩北山區(qū)為多,降雨主要集中在春夏(3—6月,7—9月)兩季,占全年降水量的80%以上;年平均蒸發(fā)量多介于1250~1800 mm之間;流域內(nèi)水質(zhì)屬于低礦化度地表水,以重碳酸鹽類(lèi)水為主,總硬度低,為極軟水區(qū)。流域覆蓋福建省7地市,常住人口1 300余萬(wàn),域內(nèi)城鎮(zhèn)及交通干線(xiàn)多沿江兩岸分布。閩江水體污染來(lái)源于工業(yè)廢水、生活和醫(yī)療污水以及農(nóng)藥化肥的使用,工業(yè)廢水約占廢水總量的70%。

2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)分析方法

圖1 研究區(qū)及監(jiān)測(cè)斷面示意圖

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及分析方法

為全面評(píng)估閩江流域水環(huán)境質(zhì)量狀況,在流域主要干流、重點(diǎn)支流以及流域內(nèi)重點(diǎn)水庫(kù)等共選取監(jiān)測(cè)斷面19處(圖1),其中斷面編碼首字母代表河段,M代表閩江干流,J代表建溪支流,S代表沙溪支流,F代表富屯溪支流,D代表大漳溪支流。監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2014年1月至2015年11月,數(shù)據(jù)來(lái)自福建省水利廳提供的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)斷面月均值數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)及數(shù)據(jù)獲得方法:水溫,溫度計(jì)法; p H,玻璃電極法;電導(dǎo)率,電導(dǎo)率儀;濁度,濁度儀; DO,電化學(xué)探頭法;CODMn,CODMn測(cè)定儀;NH3-N,水楊酸分光光度法;TP,鉬酸銨分光光度法。各監(jiān)測(cè)指標(biāo)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

2.2.1 自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)

SOM是基于競(jìng)爭(zhēng)式學(xué)習(xí)的一種網(wǎng)絡(luò),由輸入層、輸出層和權(quán)重向量構(gòu)成,輸出層的神經(jīng)元是以矩陣方式排列于一維或二維的空間中,根據(jù)輸入向量彼此競(jìng)爭(zhēng)以爭(zhēng)取得到調(diào)整權(quán)重向量的機(jī)會(huì),最后輸出層的神經(jīng)元會(huì)根據(jù)輸入向量的特征以有意義的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展現(xiàn)在輸出空間中[15]。根據(jù)文獻(xiàn)[19]建議,輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)M與輸入是數(shù)據(jù)樣本數(shù)量N之間的關(guān)系式是M=5 N。自組織特征映射在輸出層上包括競(jìng)爭(zhēng)、合作和自組織等3個(gè)過(guò)程,輸出層二維空間上每個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值向量和輸入層向量維度一致,輸出層神經(jīng)元j的連接權(quán)值向量為:ωj= [ωj1,ωj2,…,ωjd]T,其中j=1,2,…,M,d為輸入數(shù)據(jù)集屬性維度。競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程:為找出每個(gè)數(shù)據(jù)向量v的優(yōu)勝神經(jīng)元,通過(guò)計(jì)算找出輸入向量v與權(quán)值向量間距離(通常是歐幾里得距離)中的最短距離,即Cv= min{‖v-ωjTvi‖},Cv表示輸入向量v與內(nèi)積ωjTv差值最小的神經(jīng)元為獲勝神經(jīng)元(winning units);合作過(guò)程:通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程找出獲勝神經(jīng)元后,再通過(guò)臨近函數(shù)(常用墨西哥帽函數(shù))找出獲勝神經(jīng)元臨近的神經(jīng)元;自組織過(guò)程:更新與獲勝神經(jīng)元臨近的神經(jīng)元的權(quán)值向量,其連接權(quán)值修正法如下:ωi(t+1)= ωit+μt·αt(vt-ωiTvt),其中μt與αt分別為搜索半徑與學(xué)習(xí)率。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程中,學(xué)習(xí)率與搜索半徑在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸衰減,即逐漸收斂,最終得到最佳分群。

本文中輸入層含8個(gè)神經(jīng)元,連接8項(xiàng)水質(zhì)參數(shù),輸出層神經(jīng)元采用2維平面、六邊形網(wǎng)格排列?；赟OM-Kmedoids算法[20-21],對(duì)SOM初次聚類(lèi)簇中心進(jìn)行二次聚類(lèi),根據(jù)DB(Davies-Bouldin)指數(shù)最小自動(dòng)選擇最終分類(lèi)。輸出內(nèi)容包括距離矩陣(U-matrix/unified distance matrix)以及變量位面(Variables planes),U-矩陣給出了全部變量與對(duì)象集合的半定量關(guān)系,單個(gè)變量位面則給出了全部對(duì)象的每個(gè)變量的分布。利用U-矩陣與變量位面可以有效評(píng)估變量之間與內(nèi)部對(duì)象之間的關(guān)系[22]。

2.2.2 主成分分析(PCA)

在各個(gè)領(lǐng)域研究中往往需要對(duì)反映事物的多個(gè)變量進(jìn)行觀(guān)測(cè),收集大量的數(shù)據(jù)以便進(jìn)行規(guī)律分析。多變量大樣本給科學(xué)研究提供了豐富信息,也給分析帶來(lái)了一定的難度。PCA旨在利用降維的思想,把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)(即主成分),用每個(gè)主成分來(lái)解釋原始數(shù)據(jù)變量信息[17-23]。主成分貢獻(xiàn)率得分可以解釋原始數(shù)據(jù)指標(biāo)的地理空間分布和時(shí)間變化特征[7]。本文對(duì)研究數(shù)據(jù)集中19處斷面、23個(gè)月的水質(zhì)主成分貢獻(xiàn)率得分結(jié)果在地圖上進(jìn)行可視化分析。

2.2.3 水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法因其計(jì)算簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰,是地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)中使用最廣最久的方法之一[24]。單因子評(píng)價(jià)法只能進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià),無(wú)法對(duì)水體進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià),且同一等級(jí)水體不能進(jìn)行量化對(duì)比。水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是從所有污染物指標(biāo)中獲得一個(gè)能夠全面評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的模式方法,用各類(lèi)污染物指數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的歸納與統(tǒng)計(jì),得出一個(gè)簡(jiǎn)單的表征整體水質(zhì)質(zhì)量水平的數(shù)值。該方法能獲知整體水質(zhì)與多個(gè)指標(biāo)之間的相對(duì)關(guān)系,可對(duì)不同區(qū)域、時(shí)期的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比。本文采用在單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)[25](single water quality factor,SWQF)法基礎(chǔ)上改進(jìn)的河流綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)[26](comprehensive water quality identification index, CWQII)法作為水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)方法。關(guān)于單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)和河流綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的具體計(jì)算參考文獻(xiàn)[23-24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果分析

基于SOM-Kmedoids算法將19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、23個(gè)月的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集共437個(gè)樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行聚類(lèi),依據(jù)神經(jīng)元數(shù)量計(jì)算公式確定神經(jīng)元個(gè)數(shù)為110個(gè)(11×10),訓(xùn)練過(guò)程中采用線(xiàn)性初始化方法,鄰域核函數(shù)為墨西哥草帽函數(shù),鄰域搜索半徑為3,通過(guò)1 000次迭代訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù),最終得到穩(wěn)定的自組織映射圖(圖2)。

表1 各監(jiān)測(cè)指標(biāo)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 水質(zhì)參數(shù)SOM可視化及U-matrix

如圖2所示,各水質(zhì)參數(shù)在SOM上的位置、距離及其顏色分布模式顯示參數(shù)間的半定量的關(guān)系。根據(jù)SOM圖可直觀(guān)判斷存在相關(guān)關(guān)系的有NH3-N與TP、電導(dǎo)率與CODMn、p H與DO。對(duì)8項(xiàng)指標(biāo)采用Pearson系數(shù)檢驗(yàn)參數(shù)相關(guān)性,見(jiàn)表2。從表2可知,8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)中,溫度與電導(dǎo)率、DO和NH3-N呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系;p H與DO呈弱正相關(guān)關(guān)系,與NH3-N和TP呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系;電導(dǎo)率與NH3-N、TP呈弱正相關(guān)關(guān)系;濁度與TP呈弱正相關(guān)關(guān)系;DO與NH3-N、TP呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系; CODMn與NH3-N、TP呈弱正相關(guān)關(guān)系,NH3-N與TP呈顯著正相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明各參數(shù)SOM能夠直觀(guān)地解釋各水質(zhì)指標(biāo)顯著相關(guān)關(guān)系的特點(diǎn)。由此說(shuō)明各參數(shù)SOM能夠直觀(guān)地解釋各水質(zhì)指標(biāo)顯著相關(guān)的特點(diǎn)[9]。

表2 水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)

圖3 基于SOM-Kmedoids的聚類(lèi)結(jié)果

3.2 基于自組織特征映射的閩江水質(zhì)樣本聚類(lèi)分析

基于SOM-Kmedoids算法,以閩江流域設(shè)置的19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為對(duì)象,采用23個(gè)月的437個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣本,根據(jù)DB指數(shù)(1.27)最小化原則劃分群組,將整體數(shù)據(jù)樣本劃分為3類(lèi),記為C1、C2、C3,如圖3所示,顯示了各聚類(lèi)類(lèi)別包含的神經(jīng)元,不同群組用不同顏色以區(qū)分,神經(jīng)元上數(shù)字表示其所屬類(lèi)組的編號(hào),如圖3(b)左下角的神經(jīng)元編號(hào)為C1表示該神經(jīng)元?dú)w屬C1類(lèi);圖3(c)顯示了每個(gè)神經(jīng)元所包含的原始數(shù)據(jù)樣本數(shù)量;圖3(d)、(e)展示了SOM時(shí)空聚類(lèi)結(jié)果,將19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面空間劃分為3組,其中J4、J5、J6、F1、F3、F4和S3屬于C1組, D1、M2、M3、M4、F2、S1、S2、J2、J3和J7屬于C2組,M1和J1屬于C3組;將水質(zhì)變化周期劃分為4月至11月以及12月至次年3月2個(gè)時(shí)段,其中2組代表4月份至11月份,1、3組代表12月份至次年3月份。閩江流域汛期水量、流速較非汛期有顯著變化,水質(zhì)周期與流域汛期時(shí)間比較吻合。

從表3可知,p H和CODMn在各組中變化不大;溫度、濁度和電導(dǎo)率受水文汛期影響呈現(xiàn)不同變化,其中溫度受季節(jié)氣溫變化影響,濁度和電導(dǎo)率受河流流量和流速影響,而濁度在汛期水流多變背景下水平增高;DO和NH3-N呈現(xiàn)小幅波動(dòng)變化,DO的單因子評(píng)價(jià)等級(jí)均為I類(lèi),說(shuō)明閩江流域河流水體自?xún)裟芰^好,而NH3-N的波動(dòng)也說(shuō)明其值大小受閩江水文背景影響;TP在各分組中有顯著的波動(dòng),且C3組單因子評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí),說(shuō)明流域仍存在一定的磷污染風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 基于PCA的閩江流域水質(zhì)時(shí)空特征分析

對(duì)各站點(diǎn)月份水質(zhì)樣本19×23共437組樣本集進(jìn)行主成分分析,檢驗(yàn)流域時(shí)空背景下是否存在主要污染輸出變量。首先對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行KMO和Bartlett球體檢驗(yàn),確定是否能夠進(jìn)行因子分析。Bartlett球體檢驗(yàn)的顯著性概率是0,小于0.001,說(shuō)明拒絕零假設(shè),相關(guān)系數(shù)不是單位矩陣,適合做因子分析。KMO值為0.588 931 1,一般認(rèn)為在0.6左右可以做因子分析。依據(jù)Kaiser-Harris準(zhǔn)則建議保留特征值大于1的主成分,共有3個(gè)確定為輸出主成分?jǐn)?shù)量。表4展示了因子分析的輸出結(jié)果,包括特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率。主成分分析結(jié)果使用3個(gè)主成分因子解釋原始數(shù)據(jù)集變量信息,其方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為57%。主成分1方差貢獻(xiàn)率為23%,與溫度、電導(dǎo)率、NH3-N和TP有高度相關(guān)性,NH3-N和TP可作為解釋營(yíng)養(yǎng)鹽污染指標(biāo),其中溫度和電導(dǎo)率為物理性質(zhì)指標(biāo),溫度解釋了水體環(huán)境變化,電導(dǎo)率指示水體酸堿鹽量的大小。主成分2方差貢獻(xiàn)率為18%,與p H和DO相關(guān),可作為解釋水體自?xún)裟芰?。主成?方差貢獻(xiàn)率為16%,與溫度、CODMn相關(guān),可作為有機(jī)物污染指標(biāo)。

通過(guò)主成分分析,計(jì)算得主成分得分系數(shù),構(gòu)成主成分得分公式如下:

表3 SOM聚類(lèi)各組指標(biāo)均值統(tǒng)計(jì)信息及水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)主成分分析結(jié)果

各監(jiān)測(cè)斷面主成分得分水平展示了流域各站點(diǎn)水質(zhì)時(shí)空特征變化,通過(guò)時(shí)空交叉分析可獲取流域水質(zhì)污染物時(shí)空規(guī)律。圖4展示了閩江流域19個(gè)站點(diǎn)23個(gè)月份的水質(zhì)主成分得分,橫坐標(biāo)為時(shí)間軸,從2014年1月至2015年11月;縱坐標(biāo)為得分分值,藍(lán)色代表主成分1,紅色代表主成分2,綠色代表主成分3。

主成分1得分水平解釋了營(yíng)養(yǎng)鹽污染指標(biāo),得分高表明存在營(yíng)養(yǎng)鹽污染即水體富營(yíng)養(yǎng)化。流域水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的時(shí)期主要集中在春季和冬季階段,以斷面M1、M2、S2、F2、J1具有代表性,在1—3月份處于高水平,其他月份處于較低水平或正常水平。代表性斷面空間分布位于沙溪和富屯溪流域上游和閩江下游地區(qū),冬春季河流水溫偏低,處于非汛期階段,斷面水流流速和流量均下降,水體自?xún)裟芰^汛期階段降低;另一方面,上游河段流經(jīng)人類(lèi)生活區(qū)匯入未經(jīng)處理的生活廢水,以及下游工業(yè)排放廢水的影響,使得水體氮磷水平較高,易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化[27]。

圖4 閩江流域19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面PCA得分時(shí)空分布

主成分2得分水平解釋了水體自?xún)裟芰?得分高代表斷面水質(zhì)較好,水體自?xún)裟芰φ?。流域得分較高的時(shí)期主要集中在春、秋、冬季,表明該成分與氣溫相關(guān)性較高,普通天然水體環(huán)境中水溫越高DO濃度越低,另外,在水體環(huán)境較適宜的背景下藻類(lèi)生物也能影響DO的飽和度[28]。得分較高的斷面主要集中在河流的上游,受人類(lèi)活動(dòng)影響較小的地區(qū),具有代表性的斷面有F3、S3、J5、J6;河流的干支流下游受人類(lèi)生活和工業(yè)生產(chǎn)排放污水影響,各斷面顯示該成分得分較低,具有代表性的斷面有M2、S1、F1。

主成分3得分水平解釋了水體有機(jī)物污染影響,得分高代表該斷面受到有機(jī)物污染,水質(zhì)受到影響。從流域整體來(lái)看,表現(xiàn)出4—9月份(汛期)得分較高、其他月份較低的時(shí)間規(guī)律,且2015年和2014年水平相差不大,代表性斷面有J1、J3、F3、S2,其中S2和F3均為水庫(kù)斷面,以上4個(gè)斷面均位于河流上游山區(qū)地帶,在汛期強(qiáng)降水作用下,林區(qū)地表腐殖物,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)未被作物吸收的化肥、農(nóng)藥殘留和牲畜糞便等在地表徑流沖刷下匯入河流,因此上游地區(qū)非點(diǎn)源污染問(wèn)題應(yīng)該得到重視;在各斷面中下游河口斷面(M1)呈現(xiàn)出得分增大的污染趨勢(shì),M1斷面位于閩江下游閩江口,該河段流域集中了紡織、塑膠、農(nóng)產(chǎn)品加工、船舶修造和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè),接納了大量的工業(yè)區(qū)污水和城市生活廢水,因此閩江河口地區(qū)水質(zhì)面臨較大的污染風(fēng)險(xiǎn),考慮到下游福州市人口密集對(duì)水生態(tài)安全的要求更為緊迫,有必要對(duì)下游地區(qū)水污染采取控制措施。

3.4 基于水質(zhì)指數(shù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

為梳理流域各站點(diǎn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況,對(duì)各站點(diǎn)23個(gè)月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣本數(shù)據(jù)分別采用SWQF和CWQII統(tǒng)計(jì)分析水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)。SWQF作為通用水質(zhì)評(píng)價(jià)方法,可作為監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)是否達(dá)到功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的指標(biāo);CWQII可對(duì)各斷面水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行對(duì)比,比較各斷面的水質(zhì)優(yōu)劣。

對(duì)各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣本SWQF達(dá)標(biāo)率作分析,各斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本數(shù)量在23個(gè),按照斷面所在功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)等級(jí)對(duì)各斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)達(dá)標(biāo)率統(tǒng)計(jì)。水質(zhì)達(dá)標(biāo)率滿(mǎn)足斷面所在功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的有斷面D1、F1、F2、F3、J4、J5、J6以及S1、S3,此類(lèi)9處斷面均位于縣市交界區(qū),人口稀少,自然植被保存較好,受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響較小,也說(shuō)明閩江上游富屯溪和大樟溪支流河流水質(zhì)較好,短期內(nèi)不存在水體污染風(fēng)險(xiǎn)。存在水質(zhì)超標(biāo)在20%以上的斷面有J1(24.8%)、J2(65.2%)、J3(91.3%)、J7 (34.8%)、M1(85.2%)、M2(56.6%)、S2 (43.5%)。而斷面J1、J2、J3、J7、M1、M2、S2存在不同程度的超標(biāo)污染情況,主要受NH3-N和TP指標(biāo)超標(biāo)影響,使得整體水質(zhì)等級(jí)偏低,J1、J2、J3、J7斷面均處于人類(lèi)生活聚集區(qū)范圍內(nèi),受城鎮(zhèn)非點(diǎn)源生活污水排放和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排污影響,出現(xiàn)間歇性的水質(zhì)超標(biāo)情況,而M1、M2處于福州市區(qū)的中下游位置,M1、M2斷面超標(biāo)率水平顯著高于上游監(jiān)測(cè)斷面M3,說(shuō)明河流流經(jīng)城市市區(qū)后水體受城市排污影響,水質(zhì)顯著下降,使得TP濃度水平顯著升高。S2位于三明安砂水庫(kù),受水庫(kù)水產(chǎn)養(yǎng)殖和圍湖居民點(diǎn)生活排污影響;S3位于三明市市區(qū)內(nèi),長(zhǎng)期受城市三廢排放影響,另外自20世紀(jì)80年代沙溪上下游建設(shè)的一系列梯級(jí)水電設(shè)施導(dǎo)致河流流速下降,也使得水體自?xún)裟芰κ艿揭欢ㄓ绊慬29]。

表5 各斷面單水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

以CWQII評(píng)價(jià)結(jié)果中Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)占整體的比重之和作為指標(biāo),對(duì)閩江流域19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)優(yōu)劣進(jìn)行綜合排序,順序?yàn)?J2>F1>S3>F3>J4> J6>J5>J7>M4>F2>F4>S2>D1>M2>J3 >S1>M3>M1>J1,可知,富屯溪流域監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果整體較好,流域內(nèi)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)均處于排序前部分,也與單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致;建溪干流及各支流上游水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果也較好,只有干流監(jiān)測(cè)斷面J3與高陽(yáng)溪支流斷面J1排序靠后,主要原因是斷面受營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物季節(jié)性污染影響;沙溪流域內(nèi)3個(gè)斷面中S1、S3斷面位于城鎮(zhèn)人口聚集區(qū),受生活源污染排放影響,S2斷面由于水庫(kù)的攔蓄作用,每年汛期,攔蓄使得有機(jī)物積累,在一定程度上影響了水質(zhì);閩江下游4個(gè)斷面中M1、M3斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)排序靠后,M1斷面位于福州市市區(qū)閩江口位置,主要受城市大量生活和生產(chǎn)污染排放匯入河流中,使得水質(zhì)下降。另外,從SOM斷面空間聚類(lèi)也驗(yàn)證了各斷面水質(zhì)優(yōu)劣集聚性,其中M1和J1歸屬于C3組,J4、J5、J6、F1、F3、F4和S3屬于C1組,D1、M2、M3、M4、F2、S1、S2、J2、J3和J7屬于C2組,且C1組斷面水質(zhì)整體優(yōu)于其他兩組。

從流域整體看,三大子流域及閩江下游水質(zhì)狀況優(yōu)先順序是:富屯溪流域>建溪流域>沙溪流域>閩江下游流域。

4 結(jié) 論

a.通過(guò)對(duì)閩江流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的SOM建模分析,得到了各水質(zhì)指標(biāo)的自組織映射圖,半定量化地分析了各指標(biāo)存在的相關(guān)關(guān)系,并通過(guò)Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證,在月時(shí)間尺度下,溫度與電導(dǎo)率、DO和NH3-N呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,p H與DO呈顯著正相關(guān)關(guān)系,NH3-N與電導(dǎo)率、TP呈顯著正相關(guān)關(guān)系?；赟OMKmedoids的聚類(lèi)明顯地識(shí)別出閩江流域19處水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)空變化特征,將閩江水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面空間劃分為3組,空間聚類(lèi)與CWQII評(píng)價(jià)結(jié)果一致;將水質(zhì)變化時(shí)間周期劃分為4月至11月和12月至次年3月份2個(gè)階段,說(shuō)明流域水質(zhì)時(shí)間變化特征顯著,且與河流水文汛期變化有顯著關(guān)系。

b.通過(guò)PCA對(duì)閩江流域水質(zhì)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將流域水質(zhì)指標(biāo)降維為3個(gè)主成分,分別涵蓋了水體營(yíng)養(yǎng)鹽污染因子、自?xún)裟芰陀袡C(jī)物污染因子,并依據(jù)3項(xiàng)主成分得分對(duì)閩江流域19個(gè)斷面水質(zhì)進(jìn)行時(shí)空特征分析,結(jié)果表明春冬季節(jié)沙溪和富屯溪支流以及閩江下游福州城區(qū)河段營(yíng)養(yǎng)鹽污染成分得分較高,在汛期(4—9月)流域上游和下游閩江河口地區(qū)有機(jī)污染物得分水平顯著較高,究其原因與流域上游城鎮(zhèn)污水處理能力不足、非點(diǎn)源污染排放以及下游城市生活廢水和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)排污有關(guān)。因此,閩江流域上游和下游河段流域是水環(huán)境治理的重點(diǎn)區(qū)域,有必要開(kāi)展上游流域非點(diǎn)源污染治理研究,提高上游城鎮(zhèn)污水治理能力,并分析下游河段有機(jī)物污染治理和調(diào)控措施。

c.采用SWQF和CWQII對(duì)閩江流域月時(shí)間步長(zhǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)SOM聚類(lèi)各組和各站點(diǎn)水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明閩江流域整體水質(zhì)趨于良好,Ⅰ~Ⅱ類(lèi)水質(zhì)占整體96.1%,但TP指標(biāo)存在一定污染危險(xiǎn),需進(jìn)一步進(jìn)行識(shí)別控制。按照各斷面所在水質(zhì)功能區(qū)劃要求達(dá)標(biāo)的斷面有9處,均處在縣市交界處或人口密度小的區(qū)域,其他斷面存在不同程度水質(zhì)超標(biāo)情況,主要與非點(diǎn)源生活污水排放和工業(yè)生產(chǎn)污水排放相關(guān)。另外,從流域整體來(lái)看,三大子流域及閩江下游水質(zhì)狀況從優(yōu)至劣順序如下:富屯溪流域、建溪流域、沙溪流域、閩江下游流域。

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Comprehensive evaluation of surface water quality in Minjiang River Basin based on SOM and PCA

CHENG Xuening,LU Yimin
(Spatial Information Research Center of Fujian Province,Fuzhou University,Fuzhou 350002,China)

Based on the monthly average monitoring data of water quality from 19 sections in the Minjiang River Basin during the period from January 2014 to November 2015,we used the self-organizing map (SOM)and principal component analysis(PCA)to study the characteristics of temporal-spatial variations of water quality in the Minjiang River Basin,and conducted a comprehensive assessment of water quality of the Minjiang River with the water quality indices.Through the SOM analysis,we classified the water samples into three space groups,in which the water quality variation period was divided into two phases: one from April to November,and the other from December to March of the following year.The PCA analysis shows that the nutrients in the tributaries of the Shaxi and Futunxi rivers and in the urban river section in Fuzhou City downstream the Minjiang River maintained at a high level in the spring and winter. Meanwhile,the organic pollution level was high in some parts of the upper reaches and the downstream Minjiang River mouth in the spring and summer.The results of evaluation of water quality indices show that the water quality in the Minjiang River Basin is good on the whole.The three sub-basins and the lower reaches of the Minjiang River showed a descending order in water quality as follows:the Futunxi Basin, the Jianxi Basin,the Shaxi Basin,and the lower reaches of the Minjiang River Basin.

SOM;PCA;water quality assessment;surface water;Minjiang River Basin

X820.2

A

1004-6933(2017)03- 0059- 09

2016- 1026 編輯:徐 娟)

10.3880/ji.ssn.1004-6933.2017.03.012

程學(xué)寧(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)。E-mail:cxuening123@yahoo.com

盧毅敏,副研究員。E-mail:luym@lreis.ac.cn