徐州市云龍湖水質評價及污染原因分析

張雙圣,劉喜坤,強 靜,劉漢湖,萬永智,孫詠林

(1.中國礦業大學環境與測繪學院,江蘇徐州 221116;2.徐州市城區水資源管理處,江蘇徐州 221018; 3.中國礦業大學理學院,江蘇徐州 221116;4.江蘇省水文水資源勘測局徐州分局,江蘇徐州 221000)

徐州市云龍湖水質評價及污染原因分析

張雙圣1,2,劉喜坤2,強 靜3,劉漢湖1,萬永智4,孫詠林2

(1.中國礦業大學環境與測繪學院,江蘇徐州 221116;2.徐州市城區水資源管理處,江蘇徐州 221018; 3.中國礦業大學理學院,江蘇徐州 221116;4.江蘇省水文水資源勘測局徐州分局,江蘇徐州 221000)

以徐州市云龍湖為例,通過層次聚類分析法將2015年15個采樣點180個樣本分成13組,以各組樣本均值為基礎,采用水質綜合標識指數方法得到各組水質評價結果,并將其分配到各組對應的水質樣本點,以實現對多斷面、長時間大量樣本的水質評價;基于水質評價結果,進行各樣本點NH4+-N、CODMn濃度逐月增加值與降水量的相關性分析。結果表明:云龍湖采樣點水質狀況分布在I~Ⅳ級之間,其中大部分處于Ⅲ級以上。空間上云龍湖中心湖區水質明顯好于入湖補水水質,時間上枯水期水質優于豐水期。中心湖區NH4+-N、CODMn質量濃度逐月變化量與降水量呈顯著正相關,降水攜帶污染物入湖是云龍湖區水質變劣的主要原因之一。

云龍湖;聚類分析;綜合水質標識指數;水質評價;降水量;相關性分析

水質評價與污染特征研究是水環境治理及水資源保護的基礎性工作,也是水資源管理的重要研究內容之一。目前,常用的水質評價方法有單因子評價法、綜合指數法[1-2]、模糊數學評價法[3-4]、層次分析法[5]、灰色系統法[6]及神經網絡法[7-8]等。這些方法的普遍思路是將各斷面、各時期采樣數據獨立進行評價,沒有考慮采樣數據在時間和空間上的相似性以及水質分類標準的區間性特點,將會導致不必要的重復計算。

統計學中的聚類分析方法可以按照樣本之間的相似程度把數據進行分類,避免大量的重復計算,提高分析效率。常用的聚類分析算法有k-means聚類算法、層次聚類算法、SOM聚類算法以及FCM聚類算法等[9]。本文以徐州市云龍湖為例,采用層次聚類分析法和綜合水質標識指數方法,實現對多斷面、長時間大量樣本的水質評價;并對評價結果進行相關性分析,確定污染原因。

1 原理與方法

1.1 基于層次聚類分析的樣本點分組

層次聚類分析法又稱系統聚類法,其基本思想是:先將n個樣本各自看成一類,并規定樣本與樣本之間的距離和類與類之間的距離。開始時,因每個樣本自成一類,類與類之間的距離與樣本之間的距離是相同的。然后,在所有的類中,選擇距離最小的兩個類合并成一個新類,并計算出所得新類和其他類的距離;接著再將距離最近的兩類合并,這樣每次合并兩類,直至將所有的樣本都合并成一類為止。本文中,樣本與樣本之間距離的計算方法采用平方歐氏距離;類與類之間距離的計算方法采用離差平方和法(Ward法)[10-15]。

Ward法認為,如果分類合理,則同類樣本間離差平方和應當較小,類與類間離差平方和應當較大。假定已經將n個樣本分成了k類,用mt表示類Gt中樣本的個數(其中G1,G2,…,Gk,t=1,2,…,k,表示類別),用Xit表示Gt中的第i個樣本的變量指標值向量表示類Gt的均值向量,則Gt中樣本的離差平方和St的計算公式為

全部類內離差平方和S的計算為

綜上所述,Ward法的算法如下:①把n個樣本看成n類,此時S=0;②每次縮小一類。每縮小一類,離差平方和S就要增大,選擇使S增加最小的兩類合并,直到所有的樣本歸為一類。

1.2 水質標識指數評價法

1.2.1 單因子水質標識指數的確定

單因子水質標識指數Pi由一位整數和小數點后兩位有效數字組成,其中,整數部分代表水質指標的水質類別,小數部分代表監測數據在此類水質變化區間中所處的位置。單因子水質標識指數公式表示如下:

式中:Ki為第i項水質指標所處的水質類別,取值為1,2,…,6;ρi為第i項指標的實測質量濃度;ρi,Ki上為第i項水質指標第Ki類水區間質量濃度的上限值;ρi,Ki下為第i項水質指標第Ki類水區間質量濃度的下限值。另GB3838—2002《地表水環境質量標準》中,DO是越大越優型水質指標,其水質標識指數用式(4)計算,其余均為越小越優型水質指標,水質標識指數用式(3)計算。

當水體質量為Ⅰ類水時,由于各項指標的上限(對DO來說是下限)受到很多因素的控制,不考慮樣本數據在此類水質變化區間中所處的位置,直接認為Pi= 1。

1.2.2 綜合水質標識指數的確定

GB3838—2002《地表水環境質量標準》中采用的單因子評價法忽略了其他指標對水質的影響,難以全面反映水體的綜合狀況,可能會造成水體水質評價等級偏低。為了克服單因子評價法以偏概全的缺點,綜合水質標識指數既考慮了污染最嚴重的指標,又綜合考慮了所有單項指標,從而可以全面反映水體的水質狀況。綜合水質標識指數P的公式如下:

式中,Pmax為n項單項指標水質標識指數中的最大值。

通過綜合水質標識指數能夠對Ⅰ~Ⅴ類水、劣Ⅴ類水不黑臭、劣Ⅴ類水黑臭進行全面完整的連續性刻畫。比如,當1.0≤P≤2.0時,水質狀況為Ⅰ級;2.0 6.0時,水質狀況為劣Ⅴ級。

2 應用與討論

2.1 研究區概況

云龍湖位于徐州市區西南部奎河上游,是一座中型水庫,屬淮河流域奎濉河系,東依云龍山,西連韓山。云龍湖水庫上游連接玉帶河、閘河、廢黃河、丁萬河及京杭運河不牢河段,下游經奎河下泄洪水,向南流經濉河入洪澤湖。水庫集水面積59.1 km2,總庫容3 330萬m3,興利庫容905萬m3,水面面積已達到6.76 km2。汛限水位32.5 m(故黃河標高),興利水位32.8 m。

2.2 數據收集

云龍湖被湖中路和湖南路分為3部分,即西湖、東湖和南湖,共設置15個采樣點,分別在西湖設置4個監測點、東湖設置5個監測點,小南湖設置3個監測點,另在入湖河道設置3個監測點(圖1)。

數據來源于徐州市云龍湖水質監測專報(2015年),水質指標共有8項,包括濁度、電導率、DO、NH+4-N、CODMn、水溫、透明度和p H值。由于上述數據資料中水溫、透明度和p H值3項指標的變化幅度不大,在聚類分析中可以直接忽略,所以僅選用濁度、電導率、DO、NH+4-N和CODMn5項指標進行聚類分析。

每個采樣點每月進行一次水質檢測,共有180個數據樣本。數據分析采用的軟件為SPSS19.0.

圖1 采樣點分布示意圖

2.3 應用Ward法對樣本分組

通過對云龍湖水質樣本作指標數據時空差異性檢驗,可知水體中各污染物濃度在空間和時間尺度上不僅存在差異性,更存在著相似性。

采用Ward法對180個樣本進行層次聚類分析。通過觀察SPSS生成的聚類表可以看出,離差平方和的系數從13類到12類時出現了一個大幅增加,從134.9增加到了149.4。據此,將樣本分成13個組。表1顯示了通過層次聚類得到的13個組各自對應的水質樣本點。

通過聚類分析將處于同一水質級別的樣本劃為一組,實現整體統一評價。各組樣本的數據特征用組內樣本的均值來表示(表2),并以此進行各組的水質評價,再把每一組的評價結果根據表1分配給各自對應的樣本點。

表1 13組樣本各自對應的水質樣本點

表2 13組樣本各項水質指標的均值

由表2可見,組G1、G3聚集了有較低NH+4-N和CODMn質量濃度的水質樣本點;組G6、G9聚集了有較高NH+4-N和CODMn質量濃度的水質樣本點;組G11、G12、G13這3個組里面各自只含有一個樣本點,這3個樣本和其余樣本差別很大,組G11的樣本中DO的質量濃度最低,組G12的樣本中CODMn的質量濃度最高,組13的樣本中NH+4-N的質量濃度最高;組G2、G5、G8、G10聚集了中等NH+4-N和CODMn質量濃度的水質樣本點;組G4、G7聚集了較低NH+4-N質量濃度的水質樣本點。

2.4 水質標識指數評價結果

2.4.1 各組樣本的水質標識指數評價結果

由于GB3838—2002《地表水環境質量標準》沒有濁度和電導率的評價適用標準,故僅對表2中各組水質樣本中DO、NH+4-N和CODMn這3項指標進行評價。將各組水質樣本中DO、NH+4-N、CODMn這3項指標的均值帶入到式(1)~(3)中,得到各組水質樣本的單項指標水質標識指數及綜合水質標識指數(表3)。

表3 13組樣本單項指標和綜合水質標識指數評價結果

由表3可知,13組樣本水質狀況從Ⅰ級到Ⅳ級均有分布。G1組樣本的水質狀況最好,組中共29個樣本,除14、15號采樣點外,其他采樣點均在G1組中,且樣本監測時間主要集中在1月、2月、3月及12月;G6組樣本的水質最差,組內共7個樣本,其中6個樣本取自15號采樣點,且樣本監測時間集中在4—11月。通過綜合水質標識指數分析可知,空間上云龍湖湖區水質明顯優于入湖河流水質,時間上枯水期水質優于豐水期。

2.4.2 多斷面、長時間的水質評價

將表3中各組的綜合水質標識指數分配到表1各組對應的水質樣本點,結果見表4、圖2。

由表4可知,采樣點S13的水質最好,采樣點S11、S12次之,而S14的水質較差,S15的水質最差。實際上,S13為玉帶河入湖口采樣點,由于上游有南望閘將S13與S14兩個采樣點隔開,同時新河礦礦井水云龍湖補水工程將新河礦井水(水質達到GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》)通過管道輸送至南望閘下,有效提升了S13的水質,S13水質顯著優于S14;S14為玉帶河補水通道采樣點,由于云龍湖為間歇性補水,玉帶河水體流動性較差,導致S14水質較差;S15監測水樣為A學校污水處理廠排水,水質很差。

表4 2015年各采樣點各月綜合水質標識指數及其年均值

圖2 5個采樣點2015年各月水質評價結果

2.5 相關性分析

由表4及圖2可知,云龍湖枯水期水質最好,豐水期水質較差。因此推斷,在外界補水條件不變的條件下,采樣點水質與降水量可能存在相關性。

由圖2可知,15個采樣點各月水質變化集中表現為4條曲線,其中云龍湖湖區各采樣點(S1-S12)各月綜合水質標識指數基本一致,故選取采樣點S11作為湖區各采樣點的代表進行相關性分析。根據采樣點S11、S13、S14、S15的實測數據,運用統計分析軟件SPSS19.0分別對其進行NH+4-N、CODMn質量濃度逐月變化量與降水量P的相關性分析[16],分析結果見圖3~6及表5。

圖3 S11采樣點NH+4-N、CODMn質量濃度逐月變化量與降水量線性擬合

由表5可知,S11與S15兩個采樣點污染物濃度逐月變化量與降水量表現為顯著相關,而采樣點S13與S14兩處不顯著相關。實際上,S11為云龍湖湖區代表采樣點,由于云龍湖周邊被山丘環抱,且周邊有公路環繞,降水時雨水從山上攜帶有機污染物進入湖區,而且雨水沖刷路面,使瀝青、輪胎磨損物及汽車尾氣中的含氮化合物一同進入湖區,導致降水時湖區水質變劣[17-18]。S15污染物濃度逐月變化量與降水量表現為負相關,這主要是由于S15處來水為A學校退水,其污染物濃度本身高于云龍湖區及雨水攜帶的污染物濃度,降水對退水產生稀釋作用。因此降水是云龍湖水質變劣的主要原因之一,同時A學校退水是造成云龍湖水質變劣的另一原因。

圖4 S13采樣點NH+4-N、CODMn質量濃度逐月變化量與降水量線性擬合

圖5 S14采樣點NH+4-N、CODMn質量濃度逐月變化量與降水量線性擬合

圖6 S15采樣點NH+4-N、CODMn質量濃度逐月變化值與降水量線性擬合

表5 各采樣點污染物濃度逐月變化值與降水量相關性分析

3 結 論

a.將層次聚類法應用于大尺度、多斷面、長時間的大量樣本的水質評價工作,可大大減輕水質分析的工作量;在水質評價過程中綜合考慮各項水質評價指標,又突出了最差指標的影響,避免了單因子評價方法以偏概全的缺點,反映了水質樣本的總體特征。

b.采樣點水質狀況分布在Ⅰ~Ⅳ級之間,其中大部分處于Ⅲ級以上,空間上云龍湖湖區水質明顯好于入湖補水水質,時間上枯水期水質優于豐水期,建議對入湖河道采取工程措施或者生態修復措施進行河道水質治理。

c.云龍湖湖區水質與降水量呈顯著性負相關關系,降水及A學校退水是造成云龍湖水質變劣的兩個主要原因。建議一方面加強對雨水徑流的處理,通過工程措施將初期雨水攔截進入污水管網,減低入湖污染物流入量;另一方面,A學校污水處理站退水全部進入污水管網,或者提高再生水利用率,作消耗性利用。

[1]李錄娟,鄒勝章.綜合指數法和模糊綜合法在地下水質量評價中的對比:以遵義市為例[J].中國巖溶,2014,33 (1):22-30.(LI Lujuan,ZOU Shengzhang.Comparison of comprehensive index method and fuzzy comprehensive method in the evaluation of groundwater quality:a case study in Zunyi City[J].Carsologica Sinica,2014,33(1):22-30.(in Chinese))

[2]LUMB A,HALLIWELL D,SHARMA T.Application of CCME water quality index to monitor water quality: a case study of the Mackenzie River Basin,Canada[J]. Environmental Monitoring and Assessment,2006,113 (1/2/3):411-429.

[3]吳運敏,陳求穩,李靜.模糊綜合評價在小流域河道水質時空變化研究中的應用[J].環境科學學報,2011,31 (6):1198-1205.(WU Yunmin,CHEN Qiuwen,LI Jing. Fuzzy comprehensive assessment on spatio-temporal variations of water quality of a small catchment[J]. Acta Scientiae Circumstantiae,2011,31(6):1198-1205. (in Chinese))

[4]YUN Yi,ZOU Zhihong.An improved synthetic evaluation method on water quality evaluation in city sections of the Three Gorges reservoir area[C]// Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Grey Systems and Intelligent Services. Nanjing:Curran Associates,2007:289-293.

[5]徐兵兵,張妙仙,王肖肖.改進的模糊層次分析法在南苕溪臨安段水質評價中的應用[J].環境科學學報,2011, 31(9):2066-2072.(XU Bingbing,ZHANG Miaoxian, WANG Xiaoxiao.Application of an improved fuzzy analytic hierarchy process in water quality evaluation of the South Tiaoxi River,Lin?an Section[J].ActaScientiae Circumstantiae,2011,31(9):2066-2072.(in Chinese))

[6]魯珍,李曄,馬嘯,等.大冶湖2000—2009年地表水質評價及污染趨勢預測[J].環境科學與技術,2012,35(5): 174-178.(LU Zhen,LI Ye,MA Xiao,et al.Surface water quality assessment in period 2000—2009 and forecasting on changing tendency of pollution in Daye Lake[J].Environmental Science&Technology,2012, 35(5):174-178.(in Chinese))

[7]GIRIJA T R,MAHANTA C,CHANDRAMOULI V. Water quality assessment of an untreated effluent impacted urban stream:the bharalu tributary of the Brahumaputra River,India[J].Environmental Monitoring and Assessment,2007,130(1/2/3):221-236.

[8]陳守煜,李亞偉.基于模糊人工神經網絡識別的水質評價模型[J].水科學進展,2005,16(1):88-91.(CHEN Shouyu,LI Yawei.Water quality evaluation based on fuzzy artificial neural network[J].Advance in Water Scince,2005,16(1):88-91.(in Chinese))

[9]王淑芬.應用統計學[M].北京:北京大學出版社,2011.

[10]張旋,王啟山,于淼,等.基于聚類分析和水質標識指數的水質評價方法[J].環境工程學報,2010,4(2):476-480.(ZHANG Xuan,WANG Qishan,YU Miao,et al. An approach for water quality assessment based on hierarchical cluster analysis and comprehensive water quality identification index[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2010,4(2):476-480.(in Chinese))

[11]富天乙,鄒志紅,王曉靜.基于多元統計和水質標識指數的遼陽太子河水質評價研究[J].環境科學學報,2014, 34(2):473-480.(FU Tianyi,ZOU Zhihong,WANG Xiaojing.Water quality assessment for Taizi River watershed in Liaoyang section based on multivariate statistical analysis and water quality identification index [J].Acta Scientiae Circumstantiae,2014,34(2):473-480.(in Chinese))

[12]袁連新,余勇.聚類分析方法及其在環境監測(水質分析)中的應用[J].環境科學與技術,2011,34(12 H): 267-270.(YUAN Lianxin,YU Yong.Application of clustering analysis methods in environmental monitor (water analysis)[J].Environmental Science& Technology,2011,34(12H):267-270.(in Chinese))

[13]補建偉,周愛國,周建偉,等.不同系統聚類法在水化學分類中的應用[J].工程勘察,2013(10):42-48.(BU Jianwei,ZHOU Aiguo,ZHOU Jianwei,et al. Application of different hierarchical clustering methods to hydrochemical classification[J].Geotechnical Investigation&Surveying,2013(10):42-48.(in Chinese))

[14]SWANSON S K,BAHR J M,SCHWAR M T.Twoway cluster analysis of geochemical data to constrain spring source waters[J].Chemical Geology,2001,179 (1-4):73-91.

[15]PANDA U C,SUNDARAY S K,RATH P,et al. Application of factor and cluster analysis for characterization of river and estuarine water systems-A case study:Mahanadi River(India)[J].Journal of Hydrology,2006,331(3/4):434-455.

[16]楊志恒.基于ward法的區域空間聚類分析[J].中國人口·資源和環境,2010,20(3):382-386.(YANG Zhiheng.Region spatial cluster algorithm based on ward method[J].China Population,Resources and Environment,2010,20(3):382-386.(in Chinese))

[17]韓玉龍,劉振中.雨水徑流對受納水體的污染特性研究[J].水土保持研究,2015,22(6):65-71.(HAN Yulong, LIU Zhenzhong.Research on characteristics of the receiving water body polluted by rainwater runoff[J]. Research of Soil and Water Conservation,2015,22(6): 65-71.(in Chinese))

[18]荊紅衛,華蕾,陳圓圓,等.城市雨水管網降雨徑流污染特征及對受納水體水質的影響[J].環境化學,2012,31 (2):208-215.(JING Hongwei,HUA Lei,CHEN Yuanyuan,et al.Pollution characteristics of runoff in urban storm sewer and its impaction to receiving water [J].Environmental Chemistry,2012,31(2):208-215.(in Chinese))

Assessment of water quality and analysis of causes of pollution in Yunlong Lake in Xuzhou City

ZHANGShuangsheng1,2,LIU Xikun2,QIANG Jing3,LIU Hanhu1, WAN Yongzhi4,SUN Yonglin2
(1.School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2.Urban Water Resources Management Office of Xuzhou City,Xuzhou 221018,China; 3.College of Sciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 4.Xuzhou Branch of Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Xuzhou 221000,China)

In a case study of Yunlong Lake in Xuzhou City in 2015,180 samples at 15 sampling sites were divided into 13 groups through hierarchical cluster analysis.Using the sample mean of each group as the input,the comprehensive water quality identification index of each group was calculated.The evaluation result of each group was then applied to each original sample for water quality assessment of samples in large amounts,over long periods,and with multiple sections.Based on the results of water quality assessment,the correlation between monthly increase of the NH4+-N and CODMnconcentrations and precipitation at each sampling site was analyzed.The results show that the water quality of the sampling sites was at class I to classⅣlevels,but mostly above the classⅢlevel.The water quality of the central lake was superior to that of the supplemental water,and the water quality in the dry season was superior to that in the wet season.Correlation analysis showed that the monthly increase of NH4+-N and CODMnconcentrations had a significantly positive correlation with precipitation.The pollutants brought by precipitation into the lake were one of the main reasons of water quality deterioration in Yunlong Lake.

Yunlong Lake;cluster analysis;comprehensive water quality identification index;water quality assessment;precipitation;correlation analysis

X703

A

1004-6933(2017)03- 0052- 07

2016 09-26 編輯:徐 娟)

10.3880/ji.ssn.1004-6933.2017.03.011

江蘇省水利科技項目(2016056);水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX07406005);水利部科技推廣計劃項目(TG1517);江蘇省水利科技項目(2014052)

張雙圣(1983—),男,工程師,博士研究生,主要從事水資源管理與水污染控制技術研究。E-mail:zhang_shuangsheng@163.com

強靜,講師。E-mail:jingqiangsd@hotmail.com