第28卷第6期水摇资摇源摇保摇护2012年11月:
水和生活污水急剧增多,这些污染物大多直接或间*x=(xijij-x)/Siij接地排入了博斯腾湖,加之对博斯腾湖的不合理开式中:i=1,2,…,n,n为样本数;j=1,2,…,p,p发利用,导致近年来博斯腾湖水位逐渐下降,矿化度为样本原变量数。不断增加,湖水污染问题日益突出[6鄄7]。b.计算数据标准化之后的协方差矩阵R。鉴于博斯腾湖的重要地位和面临的水环境恶化c.首先解特征方程姿-R=0,求出特征值姿jj状况,许多专家、学者已对博斯腾湖开展了大量的研(j=1,2,…,p),并使其按大小顺序排列,即姿1逸姿2究工作,包括博斯腾湖湿地调查研究[8鄄9]、博斯腾湖逸…逸姿p逸0;然后分别求出对应于特征值姿的特j环境调查与污染防治研究[5,10]、焉耆盆地水盐变化征向量u(j=1,2,…,p)。j监测[11鄄12]等,积累了较为丰富的研究资料。笔者在d.确定主成分的个数。累计方差的贡献率达总结国内外湖泊污染评价经验的基础上,结合博斯到85%以上时,取前m个主成分:腾湖流域具体情况,运用主成分分析法和系统聚类F=茁ij1x1+茁j2x2+…+茁jpxp法对博斯腾湖湖水的污染程度进行定量分析,以便摇摇e.计算出各个主成分的得分和综合得分。根全面了解博斯腾湖近10a的水污染程度的变化状据本文具体情况,综合评价选用m个主成分的加权况,旨在为加快博斯腾湖环境治理和促进当地社会值作为综合评价值,权重值取各主成分的贡献率b。j经济可持续发展提供科学依据。摇系统聚类法为了使主成分分析结果进一步明晰化,采用系1摇研究区概况统聚类法对博斯腾湖10a的水污染程度进行聚类分博斯腾湖位于新疆天山南坡焉耆盆地的东南析。在主成分分析的基础上进行聚类的具体步骤如部,巴音郭楞蒙古自治州博湖县境内,是中国最大的下[15]:淤选取进行聚类分析的聚类指标,本文选取内陆淡水湖。地理位置为41毅56忆~42毅14忆N,86毅40忆各年水污染程度综合得分Z进行聚类;于采用欧氏~87毅56忆E,水域面积约1100km2,东西长55km,南距离(Euclideandistance)测度样本间距离;盂选用北宽25km,湖面海拔1048m(吴淞基准面),平均深组间平均距离法(between鄄groupslinkage)计算类间度9m,最深处17m。整个湖区由小湖区、大湖区和的距离,并对样本进行归类。黄水区3个相连水域组成。博斯腾湖既是开都河的尾闾又是孔雀河的源3摇博斯腾湖水污染综合评价头,对开都河及孔雀河的蓄、引、灌、排起到了巨大的摇水污染现状的统计分析调节作用[13],并且是焉耆盆地、库尔勒市和尉犁县环博斯腾湖周边的县市、团场每年约有5亿m3工农业生产及人民生活的主要的水源地,同时也是农田排水、工业废水和生活污水通过农业排水渠或塔里木河下游生态应急输水的直接水源地。城市排水管网进入博斯腾湖,每年滞留湖中的各类2盐分达万t,造成湖水变咸、矿化度提高、富营摇数据来源与研究方法养化趋势加剧[10,16]。根据污水来源和性质,可以将数据来源于焉耆县、博湖县、和硕县和和静县污染源排出的废污水分为:工业废水、农田排水、城4县环保局及相关部门提供的水质监测结果数据及镇污水及工业、生活、农田混合废水,这些废污水通《巴州环境状况公报》(2001—2010年)、《新疆统计过湖区周围的25条主要用于排污的排污渠进入湖年鉴》(2001—2010年)统计数据。运用主成分分析中,这些排污渠便成为向博斯腾湖中输入污染物的法对博斯腾湖中的pH值、总硬度、CODMn、硫酸盐、主要通道。在对这些排污渠进行调查分析发现:大氯化物等9项指标进行定量分析和综合评价,为了湖区、小湖区的污染较轻,而黄水区水污染较为严重进一步了解博斯腾湖水污染程度的动态变化过程,(表1)。主要原因是黄水区水域面积虽仅占博斯腾还运用聚类分析法对2000—2009年各年份水污染湖总水域面积的12%,但是入湖的污染物占整个入程度的差异进行分析。表1摇博斯腾湖各湖区入湖排污渠状况摇主成分分析法湖区排污渠汇入主成分分析是对多变量平面数据进行最佳综合水域条数/条排污渠特性主要污染物和简化,即在保证数据信息丢失最少的原则下,对高小湖区8全为农田排水COD、BOD5、NH3鄄N维变量空间进行降维处理[14]。利用进行大湖区工业、生活排水(1条)7农田排水D、NH3鄄N、(6条CO挥发酚)主成分分析的步骤如下。a.数据的标准化处理黄水区工业、生活排水(4条)10。农田排水D、NH3鄄N、P、挥发酚(6条CO)·42·
湖污染物的比例却是最高的,以可溶盐、COD、NH3鄄N生活污水接纳和降解有关,pH值可以代表水体的酸为例,分别占入湖污染物总量的79%、91%、89%,碱环境,当地土壤盐碱化和大量的农田排水使得博斯而且25条排污渠中有10条排污渠都是直接汇入黄腾湖pH值居高不下,水质偏碱性。水区的,从而反映出博斯腾湖各湖区水污染程度在通过对三大主成分的分析,不但可以定量分析区域上的差异性。出每种指标对水污染的贡献率大小,而且可以通过摇水污染评价指标的主成分分析过程指标类型和贡献率确定造成水污染的主要类别及污利用统计分析软件,对博斯腾湖染源,从而为“对症下药冶治理博斯腾湖的水污染问2000—2009年9项指标组成的10伊9阶的数据矩阵题提供科学依据。进行主成分分析。根据Bartlett球度检验得出的相摇水污染综合评价分析结果伴概率为0可知,相伴概率小于的显著性水对选取的3个主成分因子F1、F2、F3建立主成平,因此拒绝Bartlett球度检验的零假设,认为适合分旋转后的载荷值,得到各因子的得分系数矩阵做主成分分析。(表3),根据因子得分系数矩阵,得到博斯腾湖各年根据累计方差贡献率大于85%的原则,本文共的各主成分的得分(即各年标准化后的原始变量与提取3个主成分,经正交旋转后,3个主成分的特征相应的得分系数的乘积)。表达式为:值、方差贡献率及累计贡献率见表2。Z1=0郾397X1+0郾290X2+0郾402X3-0郾148X4-表2摇特征值及主成分贡献率和累计贡献率0郾033X5+0郾031X6-0郾007X7-0郾226X8+0郾254X9主成分特征值主成分贡献率/%累积贡献率/%Z2=-0郾198X1-0郾051X2-0郾170X3+0郾366X4+郾274X5+0郾219X6+0郾216X7+0郾183X8-0郾=-0郾002X1+0郾013X2-0郾250X3-0郾095X4+0郾072X由表5+0郾032X6+0郾208X7+0郾592X8+0郾354X92可知,前3个主成分的累积贡献率达到表3摇因子得分系数矩阵%,因此,可以由前3个主成分代表原始因子的全部信息,即利用主成分分析方法把选取的9项污染物评价主成分因子名称指标指标综合成F1F2F33个主成分,从数值分析来看完全能够COD科学合理地反映原始数据的总体特征。运用方差最氯化物大旋转法,对成分矩阵进行正交旋转,使每个因子具有最高载荷的变量数最小(载荷矩阵表略),以便简可溶性总固体化对因子的解释。硫酸盐通过分析可以看出:F1贡献率占到%,总硬度与之有关联的指标因子主要有、氯化物、TP污染等。其主导因子主要反映水体有机污染的指标算出各主成分的得分后,再乘以各主成分的方,这也说明博斯腾湖水污染主要是由有机污染物造成的。其中:CODMn是湖泊中的主要有机污染物;差贡献率,即可得到各年份水污染程度的综合得分而TP主要来自农田化肥、农药以及生活污水和工Z(表4)。表达式为:业废水的排放,同时也是引起湖泊富营养化的营养Z=++元素之一。F1代表的是增长较快的主要污染物表4摇博斯腾湖各年水污染程度综合得分,所以可以将F1看成潜力因子。F2的贡献率占到年份Z1Z2Z3综合得分郾314%,与之有关联的指标因子主要有TN、可溶性总固体和硫酸盐,它们主要来自于农田洗盐的高矿化度污水以及上游河流、周边工业和生活污水,这些指标表征一定的水污染综合状况和富营养化状况。的贡献率占到%,与之有关联的指标因子主要有透明度、pH值和总硬度,其中,总硬度的大小表示湖水的矿化度的高低,来自上游和周边不合理的开发及工业污水、生活污水不加控制地排入博斯腾湖,致使湖水盐类污染严重,矿化度升高。透明度、pH与由于综合指标Z反映了综合污染状况的多个·43·
方面的信息,因此可以利用综合指标Z对各年份水污染程度进行综合评价。Z值越小,污染程度越轻;反之,则说明污染程度越重。利用主成分的Z得分对各年份水污染程度进行综合评价,可以较精确地把握各年份水污染状况,以便对各年份水污染程度进行动态对比分析。通过图1可知,近10a间,2000年水污染综合评价得分最高,这说明2000年水污染程度是近10a中最为严重的,而2005年相对最轻。总体上,近10a的博斯腾湖水污染的综合评价得分呈下降趋势,说明这些图2摇博斯腾湖水污染程度聚类系谱图年湖水污染治理取得一定的成效。近年来,由于政污染程度属污染相对较轻,综合得分均值为-0郾44,府与有关部门对博斯腾湖流域附近的造纸厂、纺织污染程度较前几年改善较大。但从图1不难发现,厂等污染企业进行规范、整顿和外迁,要求未经达标从2005年起,水污染综合得分有趋于上升的趋势,处理的污水不得排入湖内,对违规的企业或法人追这说明博斯腾湖水污染的治理和监管难度依然很究其刑事责任;并对大中型企业重点污染排污口也大,水污染的发展趋势不容乐观。进行了规范化整治,实施污染在线动态监测;对新建需要说明的是,排序(表4)和聚类(图2)出现项目严格执行环境影响评价制度。这一系列的举措不一致的情况,主要是因为主成分分析侧重于考查对遏制湖水水质进一步恶化起到了很大作用。各年水污染程度综合水平,而聚类分析则侧重于考查各年水污染程度的特征相似性。5摇结摇语博斯腾湖水污染分析结果显示:工业污染物贡献率非常低,城镇生活污水类污染物贡献率也相对比较稳定,而与农业生产密切相关的TP、氯化物、硫酸盐、可溶性总固体、NH3-N、pH等因子的贡献率相当大,这是由于随着耕地的不断扩大,该地土壤渍化图1摇博斯腾湖水污染动态变化曲线问题十分突出,灌区内每年需要大量水去洗盐,而这些高矿化度洗盐水又通过排污渠进入博斯腾湖,造4摇博斯腾湖水污染状况聚类分析成湖水矿化度增加,加之有机化肥和农药的大肆使由于主成分分析并不能准确地界定出各年份水用,导致有机质污染与盐污染日益严重,其中磷、氮污染状况的相似程度,也就无法进一步分析各年份等是导致湖水出现富营养化的重要原因,因此,改善水污染程度的差异。而聚类分析是定量研究地理事水体环境质量的出路在于加大对农田排污和入湖河物分类问题和地理分区问题的重要方法,因此为使流水体的质量管理。结果进一步明晰,以主成分分析的各年份综合得分从主成分分析可以看出,总体上,近10a的博斯为指标,应用聚类分析划分出不同的发展类型对博腾湖水污染的综合评价得分呈下降趋势,说明水污斯腾湖10a的水污染程度进行对比分析。运用染程度总体上有所改善。但是,从聚类分析不难发软件进行运算分析,得出聚类系谱图现10a间改善幅度并不大,从2005年起,水污染综(图2),当欧氏距离取值为10时,基于欧氏距离相合得分有趋于上升的趋势;从水质类别上判定,水污近度,将博斯腾湖相对污染程度按年份划分为3种染仍处于较严重的水平。建议有关部门还应进一步类型:加强对博斯腾湖水污染的治理力度,污染防治的相第1类:2000年,在这10a间的对比中污染程关配套政策仍需完善。度相对较重,污染综合得分为。第2类:2001—2003年,在这10a间的对比中参考文献:污染程度属中等,综合得分均值为。与2000[1]王秀娜,杨太保,闫晶,等.兰州市水污染特征分析与预年相比,污染程度有所改善。测[J].水资源保护,2011,27(6):32鄄35.第3类:2004—2009年,在这10a间的对比中[2]陈红,韩青,周宏伟.淀山湖水污染状况分析与综合治理·44·
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