彭俊，劉洪超，鄭國臣，姜厚竹

（1.松遼流域水資源保護局，吉林長春130021；2.東北林業(yè)大學林學院，黑龍江哈爾濱150040）

松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面類別分析

彭俊1，劉洪超1，鄭國臣1，姜厚竹2

（1.松遼流域水資源保護局，吉林長春130021；2.東北林業(yè)大學林學院，黑龍江哈爾濱150040）

利用K-均值聚類分析，得出松花江流域省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面所屬類別，將51個水質(zhì)監(jiān)測斷面劃分為7類，并對每類中的監(jiān)測斷面進行優(yōu)化分析。根據(jù)松花江流域省界緩沖區(qū)，原來51個監(jiān)測斷面的自然地理位置等自然屬性和監(jiān)測指標優(yōu)選原則，將監(jiān)測斷面優(yōu)選為39個，精簡了12個斷面，減小了監(jiān)測工作量，節(jié)約了監(jiān)測費用。

松花江；省界緩沖區(qū)；監(jiān)測斷面；類別分析

松花江流域省界緩沖區(qū)是為黑龍江省、吉林省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)4個省級行政區(qū)而特設的水功能區(qū)。省界緩沖區(qū)是以省界為中心向各省級行政區(qū)域不斷擴展而劃分出的緩沖水域，是流域水資源管理的重要區(qū)域，控制上游對下游或相鄰省份的水污染，將污染風險降到最低，分清跨省污染問題的責任，強化對各省水資源管理的監(jiān)督、考核和問責，加強各省級水資源單位對水資源保護力度，真正落實國家最嚴格的水資源管理制度[1]。水質(zhì)監(jiān)測斷面的布設是水環(huán)境監(jiān)測工作成功與否的核心環(huán)節(jié)，對水質(zhì)監(jiān)測斷面進行優(yōu)化是體現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測科學與否的重要環(huán)節(jié)[2]。水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化設置,就是根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對松花江流域省界緩沖區(qū)內(nèi)水環(huán)境劃分級別或類型，按水體污染性質(zhì)及污染程度在空間上劃分為不同的污染區(qū)域，同時結合水質(zhì)監(jiān)測斷面的重要性和沿程水體中污染物變化情況及水質(zhì)狀況，科學合理地布設水質(zhì)監(jiān)測斷面，以達到水質(zhì)監(jiān)測以最小的人物財力投入，所獲監(jiān)測數(shù)據(jù)更具代表性和科學可信的目的。

1 水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)選原則

在對水質(zhì)監(jiān)測斷面按K-均值聚類分析法進行優(yōu)化后，監(jiān)測斷面的優(yōu)選應遵循以下原則：屬于同一類別的水質(zhì)監(jiān)測斷面原則上至少選擇一個；同一類別中,相鄰的監(jiān)測斷面之間有2種以上主要污染指標呈顯著或極顯著相關，并且屬于同一功能類型的斷面保留一個；國控、省控斷面保留；河流源頭及出入境處、一級支流匯入處、重要飲用水源地的斷面盡量保留，未設監(jiān)測斷面的需增設省控斷面；數(shù)據(jù)獲取率低于50%的監(jiān)測斷面,原則上去除；有2種以上主要污染物年際變化不穩(wěn)定的(變異系數(shù)超過70%)斷面原則上去除；監(jiān)測斷面數(shù)目介于1和3之間的未作聚類分析河流，若相鄰監(jiān)測斷面有2種以上主要污染指標顯著相關或水質(zhì)無顯著差異，并且屬于同一功能類型的斷面原則上可以選取一個；無法滿足代表性、可行性、方便性等地表水監(jiān)測斷面設置基本要求的去除或移位；兼顧生態(tài)補償,城市環(huán)境綜合整治定量考核與環(huán)境管理需求,盡量做到一個斷面一套數(shù)據(jù)、多種功能[3]。

2 K-均值聚類法優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測斷面

K-均值聚類分析方法是基于劃分的聚類算法，該過程的聚類是通過不斷迭代直至達到最優(yōu)解而實現(xiàn)的，這類聚類算法因具有邏輯簡單、占據(jù)存儲空間小、處理效率高，較適合于對大規(guī)模數(shù)據(jù)進行聚類。以2015年松花江流域省界緩沖區(qū)51個水質(zhì)監(jiān)測斷面上優(yōu)化后的銅、硒、COD、BOD5、氨氮、總磷和砷共7項水質(zhì)監(jiān)測指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，利用K-均值聚類法對該流域省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測指標進行優(yōu)化。

3 K-均值聚類對斷面優(yōu)化結果分析

利用spss 21.0軟件，將松花江流域省界緩沖區(qū)51個監(jiān)測斷面7項優(yōu)化后的水質(zhì)監(jiān)測指標作為元數(shù)據(jù)，利用K-均值聚類分析法來分類處理[4]，從而實現(xiàn)斷面優(yōu)化。

3.1 斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)標準化處理

為消除不同水質(zhì)監(jiān)測指標間的量綱差異，需對數(shù)據(jù)進行標準化處理。

3.2 樣本分類數(shù)K值的確定

變量F可以綜合反映各樣本特征的組間緊密程度和分散程度，數(shù)值越大，說明該特征的組內(nèi)關系越緊密，而組間關系越離散，分類相對也就更為合理。根據(jù)松花江流域省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面分布狀況、監(jiān)測項目個數(shù)等，預設聚類數(shù)為3～10之間。當水質(zhì)監(jiān)測斷面分為7組時，F(xiàn)的統(tǒng)計值最大，因此，K-均值聚類分析的K值應選取7。

3.3 聚類中心

K-均值聚類法得出的結果，按7類對松花江流域省界緩沖區(qū)51個水質(zhì)監(jiān)測斷面聚合，確定初始聚類的各變量中心點。為使各類別間距達到最優(yōu)，K-均值聚類分析對以上的初始聚類中心迭代，聚類中心的變化為0.000，迭代停止。松花江流域省界緩沖區(qū)51個水質(zhì)監(jiān)測斷面，作為這次分析的聚類成員所屬的類及所屬類中心的距離，具體劃分結果如表1。

表2為K-均值聚類分析的聚類結果形成的聚類中心的各變量值，結合表2和表3可以看出，51個水質(zhì)監(jiān)測斷面可分為7類。第一類包括石灰窯、尼爾基大橋等11個監(jiān)測斷面；第二類包括加西、白樺下等16個監(jiān)測斷面；第三類包括拉哈、二節(jié)地等10個監(jiān)測斷面；第四類只有龍家亮子1個監(jiān)測斷面；第五類包括嫩江浮橋、塔虎城渡口等3個監(jiān)測斷面，第六類包括小莫丁、同發(fā)等2個監(jiān)測斷面；第七類包括兩家子、浩特營子等8個監(jiān)測斷面。

表1 聚類成員

表2 最終聚類中心

3.4 聚類結果檢驗

K-均值聚類分析的結果是否可靠，可根據(jù)ANONA表來判斷。方差分析表明，針對每種聚類的結果，對分類進行檢驗都會顯示sig為0.000，類別間距離差異的概率值均小于0.010，說明通過聚類所得的類別之間是有顯著差異的，這也是聚類分析必要的。松花江流域省界緩沖區(qū)51個水質(zhì)監(jiān)測斷面在7個類別中存在著顯著差異，結果有效。

3.5 K-均值聚類分析結果分析

按水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)選原則來對上述7類監(jiān)測斷面進行分析，第一類中，石灰窯、尼爾基大橋和江橋均位于嫩江黑蒙緩沖區(qū)，可以考慮將其合并為一個，由于尼爾基水庫具有重要的水生態(tài)意義，保留尼爾基大橋斷面；金蛇灣碼頭、肖家船口和同江均為國家考核斷面，必須保留。第二類中，加西、白樺下、柳家屯均位于甘河蒙黑緩沖區(qū)，斷面情況及水質(zhì)狀況評價結果相似，由于柳家屯位于甘河的保留區(qū)內(nèi)，則該斷面保留；古城子和薩馬街斷面均位于諾敏河蒙黑緩沖區(qū)，可以考慮合并，只保留古城子；大河和新發(fā)斷面在音河流域上，大河斷面較新發(fā)斷面距省界距離較遠，采樣時較為不便，可以考慮把大河斷面上升為新發(fā)斷面；烏塔其農(nóng)場和龍頭堡斷面為新增斷面，其中烏塔其農(nóng)場斷面為國控斷面，從數(shù)據(jù)的獲取率上分析，龍頭堡的獲取率低于50%，因此應考慮刪除。第三類中，牛頭山大橋、蔡家溝和板子房斷面為拉林河一級支流監(jiān)測斷面，這三個斷面距省界距離較遠，監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性極差，保留一個即可，由于板子房斷面為國控斷面，則應保留。第六類中，小莫丁為國家考核斷面，同發(fā)為新增斷面，分析同發(fā)斷面的數(shù)據(jù)獲取率極低，所在的霍林河經(jīng)常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，故應刪除。第七類中永安和煤窯斷面均是新增的，斷面的相似性極高，但是煤窯斷面的數(shù)據(jù)獲取率極低，同時根據(jù)距省界距離選擇保留永安斷面；寶泉和野馬圖這兩個斷面，寶泉斷面為國家考核斷面，則可以考慮將這兩個斷面合并為寶泉斷面。監(jiān)測斷面優(yōu)化結果見表3。

表3 監(jiān)測斷面優(yōu)化結果

4 結論

利用K-均值聚類分析，可以得到松花江流域省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面所屬類別，將51個水質(zhì)監(jiān)測斷面劃分為7類，并對每一類別中的監(jiān)測斷面進行優(yōu)化分析。根據(jù)K-均值聚類分析結果，實現(xiàn)了對監(jiān)測斷面的刪除、合并和新增。經(jīng)過優(yōu)化后，根據(jù)松花江流域省界緩沖區(qū)原來51個監(jiān)測斷面的自然地理位置等自然屬性和監(jiān)測指標優(yōu)選原則，將監(jiān)測斷面優(yōu)選為39個，刪除掉許多重復斷面，大大減小了監(jiān)測工作量，節(jié)約了監(jiān)測費用。利用K-均值聚類分析優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測斷面，克服了以往單憑經(jīng)驗優(yōu)化時過于依賴主觀分析的不合理因素,提供了客觀分析的依據(jù),提高了水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化的準確性和工作效率。

［1］許琳娟，褚俊英，周祖昊，等.松花江流域水環(huán)境質(zhì)量特征分析［J］.水資源保護，2012，28（6）：55-58.

［2］李瑋，褚俊英，秦大庸，等.松花江流域水污染特征及其調(diào)控對策［J］.中國水利水電科學研究院學報，2010，8（3）：229-232.

［3］李茜,張建輝,羅海江.區(qū)域地表水監(jiān)測斷面優(yōu)化調(diào)整的技術方法［J］.環(huán)境監(jiān)控與預警，2012，04（1）：34-37.

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