彭俊，劉洪超，鄭國(guó)臣，姜厚竹

（1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林長(zhǎng)春130021；2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面類(lèi)別分析

彭俊1，劉洪超1，鄭國(guó)臣1，姜厚竹2

（1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林長(zhǎng)春130021；2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

利用K-均值聚類(lèi)分析，得出松花江流域省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面所屬類(lèi)別，將51個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面劃分為7類(lèi)，并對(duì)每類(lèi)中的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)松花江流域省界緩沖區(qū)，原來(lái)51個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的自然地理位置等自然屬性和監(jiān)測(cè)指標(biāo)優(yōu)選原則，將監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)選為39個(gè)，精簡(jiǎn)了12個(gè)斷面，減小了監(jiān)測(cè)工作量，節(jié)約了監(jiān)測(cè)費(fèi)用。

松花江；省界緩沖區(qū)；監(jiān)測(cè)斷面；類(lèi)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(gè)省級(jí)行政區(qū)而特設(shè)的水功能區(qū)。省界緩沖區(qū)是以省界為中心向各省級(jí)行政區(qū)域不斷擴(kuò)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(duì)下游或相鄰省份的水污染，將污染風(fēng)險(xiǎn)降到最低，分清跨省污染問(wèn)題的責(zé)任，強(qiáng)化對(duì)各省水資源管理的監(jiān)督、考核和問(wèn)責(zé)，加強(qiáng)各省級(jí)水資源單位對(duì)水資源保護(hù)力度，真正落實(shí)國(guó)家最嚴(yán)格的水資源管理制度[1]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)是水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作成功與否的核心環(huán)節(jié)，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行優(yōu)化是體現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)科學(xué)與否的重要環(huán)節(jié)[2]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化設(shè)置,就是根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)松花江流域省界緩沖區(qū)內(nèi)水環(huán)境劃分級(jí)別或類(lèi)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(shí)結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(xué)合理地布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，以達(dá)到水質(zhì)監(jiān)測(cè)以最小的人物財(cái)力投入，所獲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更具代表性和科學(xué)可信的目的。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)選原則

在對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面按K-均值聚類(lèi)分析法進(jìn)行優(yōu)化后，監(jiān)測(cè)斷面的優(yōu)選應(yīng)遵循以下原則：屬于同一類(lèi)別的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面原則上至少選擇一個(gè)；同一類(lèi)別中,相鄰的監(jiān)測(cè)斷面之間有2種以上主要污染指標(biāo)呈顯著或極顯著相關(guān)，并且屬于同一功能類(lèi)型的斷面保留一個(gè)；國(guó)控、省控?cái)嗝姹Ａ?；河流源頭及出入境處、一級(jí)支流匯入處、重要飲用水源地的斷面盡量保留，未設(shè)監(jiān)測(cè)斷面的需增設(shè)省控?cái)嗝妫粩?shù)據(jù)獲取率低于50%的監(jiān)測(cè)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(guò)70%)斷面原則上去除；監(jiān)測(cè)斷面數(shù)目介于1和3之間的未作聚類(lèi)分析河流，若相鄰監(jiān)測(cè)斷面有2種以上主要污染指標(biāo)顯著相關(guān)或水質(zhì)無(wú)顯著差異，并且屬于同一功能類(lèi)型的斷面原則上可以選取一個(gè)；無(wú)法滿(mǎn)足代表性、可行性、方便性等地表水監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置基本要求的去除或移位；兼顧生態(tài)補(bǔ)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(gè)斷面一套數(shù)據(jù)、多種功能[3]。

2 K-均值聚類(lèi)法優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面

K-均值聚類(lèi)分析方法是基于劃分的聚類(lèi)算法，該過(guò)程的聚類(lèi)是通過(guò)不斷迭代直至達(dá)到最優(yōu)解而實(shí)現(xiàn)的，這類(lèi)聚類(lèi)算法因具有邏輯簡(jiǎn)單、占據(jù)存儲(chǔ)空間小、處理效率高，較適合于對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)。以2015年松花江流域省界緩沖區(qū)51個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面上優(yōu)化后的銅、硒、COD、BOD5、氨氮、總磷和砷共7項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用K-均值聚類(lèi)法對(duì)該流域省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

3 K-均值聚類(lèi)對(duì)斷面優(yōu)化結(jié)果分析

利用spss 21.0軟件，將松花江流域省界緩沖區(qū)51個(gè)監(jiān)測(cè)斷面7項(xiàng)優(yōu)化后的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)作為元數(shù)據(jù)，利用K-均值聚類(lèi)分析法來(lái)分類(lèi)處理[4]，從而實(shí)現(xiàn)斷面優(yōu)化。

3.1 斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

為消除不同水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)間的量綱差異，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.2 樣本分類(lèi)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(shuō)明該特征的組內(nèi)關(guān)系越緊密，而組間關(guān)系越離散，分類(lèi)相對(duì)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(cè)斷面分布狀況、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目個(gè)數(shù)等，預(yù)設(shè)聚類(lèi)數(shù)為3～10之間。當(dāng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分為7組時(shí)，F(xiàn)的統(tǒng)計(jì)值最大，因此，K-均值聚類(lèi)分析的K值應(yīng)選取7。

3.3 聚類(lèi)中心

K-均值聚類(lèi)法得出的結(jié)果，按7類(lèi)對(duì)松花江流域省界緩沖區(qū)51個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面聚合，確定初始聚類(lèi)的各變量中心點(diǎn)。為使各類(lèi)別間距達(dá)到最優(yōu)，K-均值聚類(lèi)分析對(duì)以上的初始聚類(lèi)中心迭代，聚類(lèi)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(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，作為這次分析的聚類(lèi)成員所屬的類(lèi)及所屬類(lèi)中心的距離，具體劃分結(jié)果如表1。

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

表1 聚類(lèi)成員

表2 最終聚類(lèi)中心

3.4 聚類(lèi)結(jié)果檢驗(yàn)

K-均值聚類(lèi)分析的結(jié)果是否可靠，可根據(jù)ANONA表來(lái)判斷。方差分析表明，針對(duì)每種聚類(lèi)的結(jié)果，對(duì)分類(lèi)進(jìn)行檢驗(yàn)都會(huì)顯示sig為0.000，類(lèi)別間距離差異的概率值均小于0.010，說(shuō)明通過(guò)聚類(lèi)所得的類(lèi)別之間是有顯著差異的，這也是聚類(lèi)分析必要的。松花江流域省界緩沖區(qū)51個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面在7個(gè)類(lèi)別中存在著顯著差異，結(jié)果有效。

3.5 K-均值聚類(lèi)分析結(jié)果分析

按水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)選原則來(lái)對(duì)上述7類(lèi)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析，第一類(lèi)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(gè)，由于尼爾基水庫(kù)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(guó)家考核斷面，必須保留。第二類(lèi)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(píng)價(jià)結(jié)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?jǐn)嗝婢挥谥Z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(yuǎn)，采樣時(shí)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(chǎng)和龍頭堡斷面為新增斷面，其中烏塔其農(nóng)場(chǎng)斷面為國(guó)控?cái)嗝妫瑥臄?shù)據(jù)的獲取率上分析，龍頭堡的獲取率低于50%，因此應(yīng)考慮刪除。第三類(lèi)中，牛頭山大橋、蔡家溝和板子房斷面為拉林河一級(jí)支流監(jiān)測(cè)斷面，這三個(gè)斷面距省界距離較遠(yuǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的代表性極差，保留一個(gè)即可，由于板子房斷面為國(guó)控?cái)嗝?，則應(yīng)保留。第六類(lèi)中，小莫丁為國(guó)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(yīng)刪除。第七類(lèi)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(shí)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(gè)斷面，寶泉斷面為國(guó)家考核斷面，則可以考慮將這兩個(gè)斷面合并為寶泉斷面。監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)論

利用K-均值聚類(lèi)分析，可以得到松花江流域省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面所屬類(lèi)別，將51個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面劃分為7類(lèi)，并對(duì)每一類(lèi)別中的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)K-均值聚類(lèi)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的刪除、合并和新增。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，根據(jù)松花江流域省界緩沖區(qū)原來(lái)51個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的自然地理位置等自然屬性和監(jiān)測(cè)指標(biāo)優(yōu)選原則，將監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)選為39個(gè)，刪除掉許多重復(fù)斷面，大大減小了監(jiān)測(cè)工作量，節(jié)約了監(jiān)測(cè)費(fèi)用。利用K-均值聚類(lèi)分析優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，克服了以往單憑經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化時(shí)過(guò)于依賴(lài)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(cè)點(diǎn)優(yōu)化的準(zhǔn)確性和工作效率。

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