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

        2017-08-17 10:58:49彭俊劉洪超鄭國(guó)臣姜厚竹
        東北水利水電 2017年8期
        關(guān)鍵詞:松花江流域省界緩沖區(qū)

        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)斷面所屬類別,將51個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面劃分為7類,并對(duì)每類中的監(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:屬于同一類別的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面原則上至少選擇一個(gè);同一類別中,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?;?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型的斷面原則上可以選取一個(gè);無(wú)法滿足代表性、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-均值聚類法優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面

        K-均值聚類分析方法是基于劃分的聚類算法,該過(guò)程的聚類是通過(guò)不斷迭代直至達(dá)到最優(yōu)解而實(shí)現(xiàn)的,這類聚類算法因具有邏輯簡(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。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-均值聚類分析法來(lái)分類處理[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-均值聚類分析的K值應(yīng)選取7。

        3.3 聚類中心

        K-均值聚類法得出的結(jié)果,按7類對(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,確定初始聚類的各變量中心點(diǎn)。為使各類別間距達(dá)到最優(yōu),K-均值聚類分析對(duì)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(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(jié)果如表1。

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

        表1 聚類成員

        表2 最終聚類中心

        3.4 聚類結(jié)果檢驗(yàn)

        K-均值聚類分析的結(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)每種聚類的結(jié)果,對(duì)分類進(jìn)行檢驗(yàn)都會(huì)顯示sig為0.000,類別間距離差異的概率值均小于0.010,說(shuō)明通過(guò)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(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面在7個(gè)類別中存在著顯著差異,結(jié)果有效。

        3.5 K-均值聚類分析結(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類監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)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(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?,從?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)斷面所屬類別,將51個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面劃分為7類,并對(duì)每一類別中的監(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。

        [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(hù),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(duì)策[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2010,8(3):229-232.

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

        X824

        B

        1002—0624(2017)08—0054—03

        2017-04-25

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