物元分析法在水質(zhì)監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)中的應(yīng)用

曹 毅

(宿遷市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 宿遷 223800)

·解析評(píng)價(jià)·

物元分析法在水質(zhì)監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)中的應(yīng)用

曹 毅

(宿遷市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 宿遷 223800)

物元分析法是處理不相容問(wèn)題的一種有效方法。以竺山灣2010年7月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，利用物元分析法分析太湖竺山灣水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布情況，并將分析結(jié)果與系統(tǒng)聚類法的分析結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)物元分析法的分析結(jié)果是準(zhǔn)確、可信的。綜合使用物元分析法和系統(tǒng)聚類法，最終確定水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可由14個(gè)優(yōu)化至11個(gè)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè);物元分析法;優(yōu)化布點(diǎn)

環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)通常涉及多項(xiàng)污染指標(biāo)，且各單項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)選出的點(diǎn)位往往是不相容的。物元分析法是處理不相容問(wèn)題的一種有效方法［1，2］，可用于解決環(huán)境監(jiān)測(cè)中多指標(biāo)優(yōu)化布點(diǎn)的問(wèn)題［3-7］。合理設(shè)置的水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不但能夠節(jié)約大量的人力、物力、財(cái)力，而且能夠使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確、有效。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理

竺山灣位于太湖常州水域(120°00′E—120°05′E，31°20′E—31°28′N)，面積約 88 km2，約占整個(gè)太湖總面積的4%，平均水深約2 m，多條入湖河道由此入湖，是太湖暴發(fā)藍(lán)藻水華頻率最大的湖灣之一［8］。竺山灣水環(huán)境質(zhì)量狀況直接影響整個(gè)太湖的水環(huán)境質(zhì)量。

7月是太湖藍(lán)藻水華最嚴(yán)重的時(shí)期，選擇7月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化竺山灣水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，共設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位14個(gè)，按照其相對(duì)位置，可分為5個(gè)區(qū)域(表1)。每周一現(xiàn)場(chǎng)采樣并帶回實(shí)驗(yàn)室分析，現(xiàn)場(chǎng)操作嚴(yán)格按照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》完成［9］。

1.2 分析項(xiàng)目和方法

水樣的高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用酸性法測(cè)定，總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法，總氮(TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，氨氮(NH3-N)采用納氏試劑比色法，14個(gè)點(diǎn)位共取得4批次224個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)月平均值如表1所示。

表1 2010年7月竺山灣水質(zhì)監(jiān)測(cè)平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果mg/L

續(xù)表

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.3.1 物元分析法

通過(guò)建立各點(diǎn)位物元分析模型和節(jié)域分析模型，計(jì)算各點(diǎn)位的線性關(guān)聯(lián)函數(shù)值和綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制點(diǎn)聚圖，根據(jù)圖中點(diǎn)位分布和實(shí)際情況，確定優(yōu)化的點(diǎn)位［2］。

1.3.1.1 建立各點(diǎn)位的物元分析模型

比較全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的污染指標(biāo)，選出每項(xiàng)指標(biāo)的最佳值A(chǔ)、最劣值B及期望值C，4項(xiàng)指標(biāo)的最大值(最劣值)、最小值(最佳值)及平均值(期望值)，用每項(xiàng)指標(biāo)的最佳值A(chǔ)、最劣值B及期望值C構(gòu)造2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣:

由2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣構(gòu)成節(jié)域物元矩陣;每個(gè)測(cè)點(diǎn)作為一個(gè)物元，由全部污染指標(biāo)測(cè)值構(gòu)成各點(diǎn)位物元矩陣:

式中:a1，a2，…am——各指標(biāo)的最佳值;b1，b2，…bm——各指標(biāo)的最劣值;c1，c2，…cm——各指標(biāo)的期望值;Q1，Q2…Qm——各項(xiàng)指標(biāo);Xi1，Xi2…Xim——i測(cè)點(diǎn) m 指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值;i=1，2，3，…n;j=1，2，3，…m。

1.3.1.2 計(jì)算各點(diǎn)位綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)

將表1中數(shù)據(jù)代入式(5)、(6)，分別計(jì)算各點(diǎn)位污染指標(biāo)的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物元A、B的線性關(guān)聯(lián)函數(shù):

式中:Xij——第 i個(gè)測(cè)點(diǎn)第 j項(xiàng)指標(biāo)測(cè)值;Cj——第 j項(xiàng)指標(biāo)期望值;Aj——第 j項(xiàng)指標(biāo)最小值(最佳值);Bj——第j項(xiàng)指標(biāo)最大值(最劣值)。

關(guān)聯(lián)函數(shù)值的大小表示測(cè)點(diǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)物元的程度，意義見表2。

表2 關(guān)聯(lián)函數(shù)的意義

由以上結(jié)果計(jì)算出全部污染指標(biāo)對(duì)A、B的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù):

式中:Wj——j污染指標(biāo)的權(quán)值。

采用地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的指數(shù)超標(biāo)法計(jì)算［10］，得到各項(xiàng)污染指標(biāo)歸一化權(quán)值如表3所示。

表3 地表水污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及歸一化權(quán)值

其中，Sj為5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的均值，Xj/Sj為指數(shù)超標(biāo)法計(jì)算的權(quán)值，Xj為第j種污染物所有測(cè)點(diǎn)的均值，Wj為第j種污染物的歸一化權(quán)值。

將Wj值代入(7)、(8)式，計(jì)算出各采樣點(diǎn)的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)的值見表4。條件最差的點(diǎn)。

表4 綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)的值

圖1 14個(gè)點(diǎn)的Ka和Kb

1.3.2 系統(tǒng)聚類法

利用SPSS 17.0系統(tǒng)聚類法對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，利用組間連接的方法，以歐式距離為判斷點(diǎn)位間關(guān)系的依據(jù)［11］，從距離上看，可將點(diǎn)位分為9類，見圖2。

圖2 聚類分析樹狀圖

1.3.1.3 繪制點(diǎn)聚圖

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)的含義，以Ka(Xi)為橫坐標(biāo)，Kb(Xi)為縱坐標(biāo)，畫出點(diǎn)聚圖(圖1)。

根據(jù)綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)的含義，可以發(fā)現(xiàn)14個(gè)點(diǎn)位都分布在第二、第四兩個(gè)象限內(nèi)。在第二象限中的點(diǎn)Ka＞0，符合最佳點(diǎn)條件，其中，以11號(hào)點(diǎn)符合程度最好;靠近坐標(biāo)中心的點(diǎn)在一定條件下可以向第三、第四象限轉(zhuǎn)化，當(dāng)條件變化時(shí)，是最易發(fā)生變化的點(diǎn);在第四象限中的點(diǎn)Kb＞0，符合最劣點(diǎn)條件，以4號(hào)點(diǎn)和2號(hào)點(diǎn)最為符合，是點(diǎn)位中相對(duì)

2 結(jié)果與討論

物元分析法和聚類分析法結(jié)果比較見表5。

表5 物元分析法和聚類分析法結(jié)果比較

物元分析法將各點(diǎn)位進(jìn)行優(yōu)選至10個(gè)，與聚類分析法優(yōu)選至9個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行比較，見表5。從物元分析法與聚類分析法優(yōu)選出的結(jié)果可以看出:第7、8、13、14 號(hào)點(diǎn)是一致的獨(dú)立點(diǎn)，第 2、4 號(hào)點(diǎn)，第3、9號(hào)點(diǎn)，第11、12號(hào)點(diǎn)，是3組可以優(yōu)化合并的點(diǎn)，這3組點(diǎn)分別在地理上也是鄰近的點(diǎn)位，其他點(diǎn)位2種分類法有著不同的區(qū)分，如第10、14號(hào)點(diǎn)，第1、6號(hào)點(diǎn)，這2組點(diǎn)在地理上是隔開的，因?yàn)樗|(zhì)監(jiān)測(cè)的結(jié)果相似而歸化為一類，不能作為點(diǎn)位優(yōu)化的依據(jù)。

綜合考慮物元分析法和聚類分析法的優(yōu)化結(jié)果，得到最優(yōu)化的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。將整個(gè)竺山灣點(diǎn)位優(yōu)化為11個(gè)點(diǎn)位，即雅浦港、竺山湖中、田雞山、大樁頭、竺山湖南、舊瀆東、田雞山西、沙塘港、殷村港、百瀆港、百瀆港南，既可以反映湖區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量狀況，又可以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和代表性，并避免了重復(fù)設(shè)置帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)投入，減少了相應(yīng)的工作量和經(jīng)費(fèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)物元分析法和聚類分析法分析的結(jié)果可以看出，物元分析法使用簡(jiǎn)便，可直接編制程序上機(jī)運(yùn)行，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、可靠，其結(jié)果與聚類分析法分析的結(jié)果近似，可用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)。但兩種方法都有一定的局限性，即兩種方法都以計(jì)算結(jié)果為分類依據(jù)(物元分析法以綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)為依據(jù)，聚類分析法以歐式距離為依據(jù))，不能反映點(diǎn)位的空間關(guān)系與實(shí)際情況，在優(yōu)化點(diǎn)位時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際情況具體分析，綜合考慮之后最終確定點(diǎn)位的優(yōu)化方案。

［1］ 蔡文.物元分析［M］.廣州:廣東高等教育出版社，1987.

［2］ 蔡文.物元模型及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994.

［3］ 孫中黨，畢雪玲，康莉萍，等.物元分析法在鄭州市大氣監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)中的應(yīng)用［J］.河南科學(xué)，1999，11(2):194-199.

［4］ 弓曉峰，陳春麗，趙晉，等.鄱陽(yáng)湖樂(lè)安河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)［J］.湖泊科學(xué)，2006，18(5):545-549.

［5］ 高明惠.用物元分析進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)的研究［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1997，5(3):77-81.

［6］ 朱慧君，于永斌.物元分析法在大氣監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)中的應(yīng)用［J］.云南環(huán)境科學(xué)，1998，17(4):51-53.

［7］ 高明惠.物元分析在水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1995，3(5):43-49.

［8］ 翁建中，李繼影，梁柱，等.太湖藍(lán)藻水華時(shí)空分布與預(yù)警監(jiān)測(cè)響應(yīng)的分析［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，2(3):1-4.

［9］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.HJ 494—2009 水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)［S］.

［10］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.GB 3838—2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［11］ 米紅，張文璋.實(shí)用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)分析方法及SPSS應(yīng)用［M］.北京:當(dāng)代中國(guó)出版社，2004.

Application of Matter-element Analysis in Optimized Points Selection of Water-quality Monitoring

CAO Yi
(Suqian Environmental Monitoring Central Station，Suqian，Jiangsu 223800，China)

Matter-element analysis is an effective method to manage incompatible problems.This article took the water-quality monitoring data of Zhushan Bay in July 2010 as example and analyzed the distribution of water quality monitoring point in Zhushan Bay with matter-element analysis and system cluster method.By comparing the results of two method，matter-element analysis method was more accurate and more credible.Combined the matter-element analysis with system cluster method，the distribution of water quality monitoring point was optimized，and the number of water quality monitoring point was reduced from 14 to 11.

water-quality monitoring;matter-element analysis;optimized points selection

X830.1

A

1674-6732(2012)-01-0043-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2012.01.011

2010-11-20

曹毅(1985—)，男，助理工程師，本科，從事藍(lán)藻預(yù)警監(jiān)測(cè)工作。

(本欄目編輯 陸敏)