伊通河監測網絡優化研究

路紅軍 吳銳

摘要采用主成分分析法對2014年伊通河32個監測斷面進行污染特征分析，根據分析結果對監測斷面水質污染程度進行排序，再利用SPSS軟件進行聚類分析，結合監測斷面網格分布具體情況，得到最優化水質監測斷面。結果表明，優化后的監測網絡能更準確地判斷伊通河流域內各區段水質變化情況。該研究可為伊通河綜合治理及水質改善提供數據支持。

關鍵詞伊通河；監測斷面；主成分分析；SPSS軟件；聚類分析

中圖分類號X522文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）05-0041-04

AbstractThe pollution characteristics of 32 monitoring sections of Yitong River in 2014 were analyzed by using SPSS software and principal component analysis method.The degree of water pollution in the monitoring section was sorted based on the analysis results， and cluster analysis was conducted by SPSS software. According to the specific distribution of monitoring section grid， the optimal water quality monitoring section was obtained. The results showed that the optimized monitoring network can more accurately determine Yitong River Basin water quality changes in each section. The study can provide data support for the improvement of the comprehensive management of the Yitong River and water quality.

Key wordsYitong River；Monitoring section；Principal component analysis；SPSS software；Cluster analysis

基金項目國家重大專項（2012ZX07202-001）。

作者簡介路紅軍（1975—），男，吉林榆樹人，工程師，碩士，從事環境工程研究。

收稿日期2016-12-23

水環境監測點位和監測指標的優化布設是水環境監測質量保證體系中重要的環節，合理的采樣位置和采樣參數是獲得空間大數據的根本保證[1]，全面準確地獲得地表水環境質量狀況，建立合理、具有代表性的地表水環境監測網絡體系至關重要[2-4]。伊通河作為松花江的重要支流，流域水環境質量直接影響松花江流域的水環境。流域內面臨著大量的農產品加工業污水排放、農業面源污染、城鎮與鄉村居民點生活污水排放等諸多環境問題，流域水環境呈復合污染態勢，支流及干流城區段污染嚴重，生態系統服務功能及下游松花江流域水環境質量受到嚴重影響。

伊通河干流及支流現有監測斷面除了國、省控監測斷面外，均為河流所屬區域環境保護管理部門根據自身水質監控需要設定，缺乏科學、統一的規劃，存在監測點位設置不合理、監測指標不全面等問題。為了能夠及時掌握伊通河水環境和水污染變化動態，筆者采用主成分分析法和SPSS軟件，于2014年對伊通河32個監測斷面進行污染特征分析，以明確不同類別監測斷面的監控性質[5-6]，優化水質監測斷面。

1研究地概況

伊通河發源于吉林省伊通縣境內哈達嶺山脈青頂山北麓，流經伊通縣、長春市、德惠市、農安縣，在農安縣靠山鎮匯入飲馬河，地處124°30′～125°45′ E，43°0′～44°45′ N，全長342.50 km，流域面積8 840 km2，河道平均比降0.3‰。兩岸地勢低平，一般洪水期間河寬70～100 m，大洪水期河寬110～3 000 m。

2伊通河現有監測網絡斷面設置

伊通河流域現有國控監測斷面2個，分別是新立城水庫大壩和長春市區出境斷面楊家崴子大橋。省控監測斷面2個，分別為伊通縣的星光斷面和農安縣的靠山大橋斷面。其余為市、縣設置的監測斷面，伊通縣境內另有4個監測斷面，分別為伊通縣的壽山水庫大壩、九開大橋、伊通污水處理廠排口、伊丹河大橋；農安縣境內另有3個監測斷面，分別為農安大橋、合隆保龍橋、華家大橋。

3伊通河水質現狀

筆者在伊通河干流設置了32個監測斷面，具體采樣監測數據見表1。

4主成分分析

提取的公因子可解釋的總方差見表2。由表2可知，第3個公因子后的特征值變化趨緩表明選取3個公因子分析是比較恰當的。采用方差最大化正交旋轉前后的因子載荷矩陣分別見表3、4。矩陣反映了各污染物的載荷絕對值與所提取的3個公因子間的相關系數，對一個污染物來說，載荷絕對值較大，則公因子與其的關系也更為密切，也更能代表這個污染物。基于這個觀點，第1公因子更能代表化學需氧量、生化需氧量、總磷這3種污染物指標的影響；第2公因子則更好地代表氨氮、總氮這2種污染物指標；第3公因子則代表溶解氧這一污染物指標。這樣就可以利用所提取的3個概括性因子分別描述各個斷面的受污染狀況，并且可以分別推導出3個公因子與污染物間的計算公式。圖1為旋轉空間成分，更直觀地顯示了3個公因子所代表的污染物指標。

根據表5成分得分系數矩陣，最終的主成分得分公式見式（1）～（3）。

第1公因子：F1=0.538×xCOD-0.374×xNH3-N-0303×xDO+0.529×xBOD+0.554×xTP-0.292×xTN（1）

第2公因子：F2=-0.117 ×xCOD+0.736×xNH3-N-0180×xDO-0.208 ×xBOD-0.353×xTP+0.759×xTN（2）

第3公因子：F3=-0.267 ×xCOD+0.012×xNH3-N+1189×xDO-0.110 ×xBOD+0.047 ×xTP-0.172 ×xTN（3）

式中，xCOD為化學需氧量、xNH3-N為氨氮、xDO為溶解氧、xBOD為生化需氧量、xTP為總磷、xTN為總氮。

為了比較伊通河各監測斷面受污染的綜合影響，對3個公因子進行加權求和，權數取表2中3個公因子旋轉后的

方差貢獻率，依次為42.655%、34.650%、20.392%，可得各個斷面因子綜合得分計算公式：

ZF=0.426 55×F1+0.346 50×F2+0.203 92×F3（4）

按式（4）計算的31個斷面因子綜合得分結果，并按降序排名（新立城水庫大壩斷面因BOD指標低于檢出限，在分析中排除）匯總于表6。

表6反映了各監測斷面水質受污染的輕重程度，綜合得分排名靠前的基本都是水質污染物指標超標嚴重的斷面。若按提取的3個公因子得分分別排名，第1因子（化學需氧量、生化需氧量和總磷指標）得分最高的是農安污水廠排口、農安南環吐口及開安鎮吐口這3個監測斷面，表明其受化學

需氧量、生化需氧量和總磷指標較嚴重的影響；第2因子（氨氮、總氮指標）得分最高的是楊家崴子大橋、合隆南溝吐口、農安大橋這3個監測斷面，表明其受氨氮和總氮指標的影響更為明顯；第3因子（溶解氧指標）得分最高的是楊家崴子大橋、農安南環吐口、農安污水廠排口這3個監測斷面，表明其受溶解氧指標的影響比較突出，水體中溶解氧量較高。

通過與實際情況對比，上述分析、排序基本與伊通河及其支流各監測斷面水質狀況相符。

5聚類分析

運用SPSS軟件的系統聚類法，選用平方（Euclidean）距離、組間連接法對參與分析的32個斷面進行聚類分析。

由于第5個斷面新立城水庫大壩斷面生化需氧量指標低于檢出限，因此通過數據標準化處理后，有效數據共31組，即可對除新立城水庫大壩斷面之外的剩余31個斷面進行聚類分析。以各斷面監測數據及根據主成分分析因子得分計算公式得出的表7中各因子得分及綜合得分為基礎，進行聚類分析，得出聚類分析樹狀（圖2）和群集成員（表8）。

由圖2及表8可知，所分析的31個斷面被分為4類，即水質較好的為I類，為伊通縣境內伊通河上游段的主要監測斷面，包括伊通壽山水庫壩下、伊通九開大橋、伊通星光斷面、伊通污水廠排口、那丹伯河、向陽河、西葦河、沈屯河、干溝子河、崗陽河、王家爐河，共計11個斷面。水質一般的為II類，為農安縣境內伊通河下游段的主要監測斷面，包括開安鎮吐口、前崗水庫排水渠吐口、小葦子溝吐口、韓大橋吐口、農安大橋斷面、萬金塔大橋斷面、靠山大橋斷面、合隆南溝吐口、小鋪吐口、新凱河吐口、二道河子吐口、太平溝吐口、大葦子溝吐口、靠山鎮南溝吐口、合隆北溝吐口、保龍橋斷面，共計16個斷面。水質較差的為III類，為長春市出境斷面楊家崴子大橋斷面和農安縣境內新凱河上華家大橋斷面，共計2個斷面。水質最差的為IV類，為農安縣境內農安南環吐口和農安污水處理廠排口，共計2個斷面。通過監測數據對比分析，新立城水庫大壩監測斷面屬于水質較好的一類，可歸類于上述I類水質。

6結論

根據聚類分析結果，結合伊通河現有監測方案及水質沿程變化趨勢，同時考慮在伊通河干流未設置水質自動監測站的現狀，在長春市城區段國控斷面楊家崴子大橋、伊通縣境內省控斷面星光斷面、農安縣省控斷面靠山大橋設置水質自動監測站，在水質較差的伊通河農安段增設萬金塔公路橋、農安南環吐口、農安污水處理廠3個監測斷面，在伊通河主要支流新凱河上增設燒鍋順山堡屯監測斷面。

通過水質自動監測站的設置及新增的監測斷面，有助于環保部門更及時、全面地監控伊通河水質變化情況，為伊通河綜合治理及水質改善提供數據支持。

參考文獻

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