（环境科学专业论文）松花江流域水质状态表征及污染负荷分析.pdf

摘要 整个流域平均总氮污染源中农业源贡献率为5 2 ，点源贡献率为2 9 ，水产养 殖源和畜禽养殖源贡献率分别为1 4 和6 。s p a r r o w 对c o d 负荷模拟结果 显示，除嫩江上游外，松花江流域c o d 三类水超标率为3 0 ，五类水超标率为 2 5 ；污染源平均贡献率城镇生活源为7 9 ，畜禽养殖源贡献率为1 6 ，水产 养殖源贡献率为6 。模拟结果说明近些年来，松花江流域点源污染得到有效控 制，但其他污染源的控制如农业源等应予以重视。 s p a r r o w 模型对管理措施的评估结果表明，污染源结构会随着消减措施 的实施而变化，管理者在制定污染源负荷消减策略过程中，应该根据污染源结 构变化调整措施，减少成本，提高效率。 关键词：松花江流域，主成分分析，聚类分析，s p a r r o w ，总氮，c o d i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , u r b a n i z a t i o na n dm o d e r na g r i c u l t u r e ，t h e s u r f a c ew a t e rq u a l i t yi nc h i n aa r eb e c o m i n gw o r s ed u et oh u m a na c t i v i t i e s s o n g h u a j i a n gr i v e rb a s i ni st h em a i ns o u r c eo fi n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a la n dd o m e s t i c w a t e rs u p p l i e sw h i c hi sl o c a t e di nn o r t ho fc h i n a t h ew a t e rp o l l u t i o ni nt h i s w a t e r s h e di sas e r i o u sp r o b l e m r e c e n t l ym a n ys c i e n t i s t sh a v ed o n eal o to fs t u d yi n t h i sa r e a , b u tm o s to ft h e mw e r ef o c u so nb i gt r i b u t a r i e s ，t h ei n f o r m a t i o no nl a r g e s c a l eo ft h ew h o l ew a t e r s h e da r el i m i t e d i nt h i s s t u d y , w eu s e dt w om e t h o d ( m u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i sa n d s p a r r o wm o d e l ) t oe s t i m a t et h ew a t e rq u a l i t yo fs o n g h u a j i a n gr i v e rb a s i n t h e d o c u m e n to ft h i ss t u d yw a sp r e s e n t e di nf o u rp a r t s t h ef i r s to n ei n c l u d e dc h a p t e ro n e a n dt w o t h es t a t u so fw a t e rp o l l u t i o ni nc h i n aa n dt h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to f w a t e r s h e dm o d e la th o m ea n da b r o a dw e r ed i s c u s s e di nc h a p t e ro n e c h a p t e r2 m a i n l yi n t r o d u c e dt h em u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i sa n dt h es p a r r o wm o d e l t h e s e c o n dp a r tw a sc h a p t e r3 ，w h i c hm a i n l yd e s c r i b e da no v e r v i e wo fs t u d ya r e a t h e t h i r dp a r tc o n s i s t e do fc h a p t e r4a n d5 ，w h i c hp r o v i d e dt h es t u d yi ns o n g h u a j i a n g r i v e rb a s i nw i t hm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i sa n ds p a r r o wm o d e l ，r e s p e c t i v e l y t h el a s tp a r tw a st h ec o n c l u s i o n t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i sw a sr e l a t i v e l ye a s y , a n dt h e d a t a q u a n t i t yr e q u i r e d f o rt h i sm e t h o dw a s r e l a t i v e l y s m a l l t h i r t e e n p h y s i c a l - c h e m i c a lp a r a m e t e r s i n2 5s t a t i o n sw e r e a n a l y s i s e d w i t hp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) a n dc l u s t e ra n a l y s i s t h r e ef a c t o r sw e r ee x t r a c t e db y p c a ，w h i c he x p l a i n e d8 3 7 9 o ft h et o t a lv a r i a n c e t h ef i r s tf a c t o rw a sp o s i t i v e c o r r e l a t e dw i t hp e r m a n g a n a t ei n d e x ，b o d s ，n h 3 - n ，c o d c r t n ，a n dh a dn e g a t i v e l o a d i n go nd o t h es e c o n df a c t o rc a p t u r e dv a r i a b l e so fh e a v ym e t a l s ，w h i l ep h ， p e t r o l e u ma c c o u n t e df o rt h eg r e a t e s tl o a d i n gf o rf a c t o r3 t w e n t yf i v em o n i t o r i n g s i t e sw e r ec l u s t e r e di n t ot h r e ec l u s t e r s ，w h i l ec l u s t e r1 ，2 ，3r e p r e s e n t e dh i 曲 p o l l u t i o na r e a , m o d e r a t ep o l l u t i o n a r e aa n dl o wp o l l u t i o na r e a ，r e s p e c t i v e l y i i i a b s t r a c t i n d u s t r i a lw a s t e w a t e r , a g r i c u l t u r a la c t i v i t i e sa n du r b a nr u n o f fi n f l u e n c e dm o s to f w a t e r q u a l i t y v a r i a b l e s s p a r r o w ( s p a t i a l l yr e f e r e n c e dr e g r e s s i o n so nw a t e r s h e da t t r i b u t e s ) m o d e l i saw a t e r s h e dl o a d i n gm o d e lw h i c hc o n s i s t so fan o n l i n e a rr e g r e s s i o nf u n c t i o n s p a t i a lr e f e r e n c i n gi sa c c o m p l i s h e dt h r o u g hl i n k i n gn u t r i e n ts o u r c e ，l a n d 。s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c ，a n dl o a d i n gi n f o r m a t i o nt oag e o g r a p h i c a l l yd e f i n e dr i v e r - r e a c hd a t a s e t t h em o d e le v a l u a t e sa n dp r e d i c t sc o n t a m i n a n tf l u x ，c o n c e n t r a t i o ni ns t r e a m s a n di d e n t i f i e si m p o r t a n tc o n t a m i n a n ts o u r c e sa n dt r a n s p o r tv a r i a b l e so v e rl a r g e s p a t i a l s c a l e s t h em o d e lw a sa p p l i e dt os o n g h u a j i a n gr i v e rw a t e r s h e df o r e s t i m a t i o na n dp r e d i c t i o no ft o t a ln i t r o g e na n dc o d i tw a sf o u n d t h a tt h e s p a r r o wm o d e li ss u i t a b l ef o rs u r f a c ew a t e rn u t r i e n t si nl a r g es c a l ew a t e r s h e di n c h i n a t h er e s u l to fs p a r r o wm o d e lf o rt o t a ln i t r o g e ni n d i c a t e dt h a t6 3 o f s u r f a c ew a t e ri ns o n g h u a j i a n gr i v e rw a t e r s h e d ( e x c e p tf o rm eu p s t r e a mo fn e n j i i a n g ) e x c e e dt h es t a n d a r di i i ，w h i l e4 7 e x c e e d e dt h es t a n d a r dv a g r i c u l t u r a ls o u r c e si n t h ew a t e r s h e dc o n t r i b u t em o r et h a n5 0 o ft o t a ln i t r o g e n ，f o l l o wb yp o i n tn i t r o g e n s o u r c e ( 2 9 ) a n da q u a c u l t u r a ls o u r c e ( 14 ) ，w h e r e a sl i v e s t o c kw a s t e i st h el e a s t c o n t r i b u t o ro ft o t a ln i t r o g e n ( 6 ) t h er e s u l to fs p a r r o w m o d e lf o rc o ds h o w e d t h a tt h ee x c e e ds t a n d a r di i ir a t ei ns o n g h u a j i a n gr i v e r ( e x c e p tf o rt h eu p s t r e a mo f n e n j i a n 曲w a s3 0 ，w h i l e2 5 o v e rs t a n d a r dv t h es h a r eo fw a s t e rw a t e rs o u r g e ， l i v e s t o c kw a s t es o u r c e ，a q u a c u l t u r a ls o u r c e c o n t r i b u t i o ni nt h ew a t e r s h e df o rc o d l o a dw e r e7 9 ，16 ，6 ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l tm e n t i o n e da b o v ei n d i c a t e dt h a t p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nh a v eb e e nc o n t r o l l e dw e l li n t h ew a t e r s h e d ，w h i l em o r e a t t e n t i o ns h o u l db ep a i do nn o n p o i n ts o u r c e ，s u c ha sa g r i c u l t u r e s p a r r o wm o d e lf o re v a l u a t i o no fm a n a g e m e n tm e a s u r e sd e m o n s t r a t e dt h a t p o l l u t i o ns o u r c ec o n t r i b u t i o n w i l lc h a n g ea l o n gw i t hi m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o l m e a s u r e s t h eg o v e r n m e n t s h o u l d p a y a t t e n t i o no nv a r i a t i o no fs o u r c e c o n t r i b u t i o n s ，a n dm a k ea l lb e s tp l a no fp o l l u t i o nr e d u c t i o n k e yw o r d ：s o n g h u a j i a n gr i v e r , p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，c l u s t e ra n a l y s i s ， s p a r r o w , t o t a ln i t r o g e n ，c o d ， i v 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题研究背景与意义 1 1 1 研究背景 水是一切生命之源。地球表面由陆地和水域构成，水域面积占地球总面积 约7 0 ，但是大部分是海洋，可供人类直接利用的淡水资源却很少。随着经济的 发展和人口增长，人类对淡水资源的需求不断增加，而工业和城市化的发展对 水造成的污染日益严重。水资源短缺造成的水资源危机严重影响到人类的生存 和社会经济的发展。 尽管近几年水污染防治技术得到了快速发展，水质污染得到了一定的控制， 但是我国的水资源状况依然严峻，水质污染仍旧很严重。根据( 2 0 1 0 中国环境 状况公报显示，“全国地表水污染依然较重，“长江、黄河、珠江、松花江、 淮河、海河和辽河七大水系总体为轻度污染”，“2 0 4 条河流4 0 9 个地表水国控监 测断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 9 9 、2 3 7 和1 6 4 。因此我国水环境保护和水污染治理工作任重道远。 地表水水体污染主要来自点源污染和非点源污染。点源污染主要是指来自 工厂，污水处理厂，城市管道等集中管网的污染，非点源污染( 面源污染) 则 是由于降水，地表径流等将陆地污染物携带进入河流导致的污染。水污染是造 成水资源紧张的主要原因之一，加强工业污水，城市污水的治理，加强非点源 污染的控制，做好水污染防治规划，成为目前各国政府面临的重要任务之一。 1 1 2 课题研究意义 流域是一个复合系统，它具有结构层次化和功能整体化的特点晗1 。它的基 础单元为江河干支流水系，通过水系将各种不同资源有机结合起来，为人类提 供生存和经济发展的水环境支撑和保障。流域水循环不仅可以为社会经济发展 提供资源，同时也是生态环境的控制因素，也是造成水环境问题和生态平衡问 题的原因所在1 。因此，以流域为单元对水资源与水环境实施统一管理，已成为 目前国际公认的科学原则。而流域水环境管理模型以其经济性、高效性和预见 性的特点正逐步成为我国流域水环境管理决策制定的重要支撑h 1 。 第一章绪论 水污染防治规划是一个复杂的系统过程，多方面的原因造成我国流域水污 染防治规划实施效果不理想的局面。其中的规划基础数据不准确和制定技术不 完善是规划实施效果不理想的主要原因。 目前我国非点源污染负荷预测模型的开发还不成熟，无法准确预测非点源 污染实际负荷量，同时受经济条件限制，现有污染控制规划大部分只考虑了对 点源污染的控制，忽略了非点源的污染，而实际上非点源污染也是流域污染的 主要来源之一【5 】。污染源的不明确使得污染控制规划不具有可实施性。因此，建 立起满足规划需求的污染物排放负荷调查和核定技术体系是亟待解决的问题。 水污染物总量控制是我国环保部门进行水环境管理和水污染防治的重要举 措之一，也是流域水污染防治规划中需要确定的重要规划指标之一，如何更加 准确的模拟和预测流域水体的污染物负荷是我们为“十二五”规划编制应做的 准备工作之一【6 7 】。尽管国家环保总局和中国环境监测总站在2 0 0 4 年要求全国七 大水系的各省市在省界断面监测主要污染物通量，但仅仅在1 2 5 个省界断面进 行了流量和水质浓度的监测，这对于大尺度流域的污染物负荷量的估算仍远远 不够的。为了从我们长远的规划任务出发，结合国内外的先进技术，非常有必 要掌握有关污染物负荷的模拟预测方法，为今后制定合理的总量控制目标奠定 基础。 水体污染是个复杂的过程，不同的污染源，污染物不同的迁移转化过程对 水体产生不同的影响。因此，对污染物进行源解析，研究污染物的时间、空间 变化十分重要。利用多元数学统计方法和模型对水质状态进行评价，估计出各 个污染源对水质的贡献率，预测水质变化，是目前国内外比较通用的方法。目 前国内外广泛采用的数学统计方法有因子分析，聚类分析，主成分分析等，采 用的模型有s w a t 模型，h s p f 模型，s p a r r o w 模型等嫡_ 0 | 。 本课题通过采用数学统计方法对松花江水质进行分析，并利用s p a r r o w 模 型对松花江流域的营养物质总氮、c o d 负荷进行预测，对污染源进行源解析，结 合两种方法分析预测松花江水质状态。规划者可以根据污染源与水质的响应关 系，适当调整污染防治与管理措施，并可以为区域t m d l s 总量分配工作和b m p s 计划提供依据，有效控制水质污染，改善水环境。 1 1 3 流域环境管理 流域包括一个水系干流和支流流过的整个地区，它涉及一个完整的水系， 第一章绪论 以及与之密切相关的地下水、土壤、大气等环境要素。流域环境的复杂性客 观上要求对流域进行统一管理。流域管理是一个复杂的过程，它涉及工业、农 业、畜牧业等各行各业与水土资源开发和利用有关的领域和部门，它的目的是 为了充分发挥流域自然资源的生态效益、经济效益和社会效益n2 l 。在全面规划 的基础上，以流域为单元，合理安排各行业用地用水，因地制宜的采取综合管 理措施，保护、改良和利用水土资源。 2 0 世纪六七十年代，流域水资源管理受到科学家们的重视。纵观流域管理 发展历史，可以将流域环境管理发展历程分为两个阶段，第一个阶段为2 0 世纪 9 0 年代以前，随着社会经济的发展，人们逐渐认识到一个流域环境容量的有限 性和各资源相互依存的整体性。流域不但可以以江河水系为基础将各种资源有 机结合起来，而且可以为人类生存和发展提供有支撑和保障的水环境。于是， 欧美国家在水资源开发利用发展到较高水平后，各国根据自己本国国情，调整 了流域水管理体制、法律、政策，将最初的水资源开发转向水资源管理n3 。1 9 4 9 年澳大利亚成立了联邦水土保持常务委员会n4 j ，之后相继在各个州设有水土保 持委员会，负责协调、审批全州和重点治理区的计划和重大问题。随着流域管 理的进一步发展，许多大流域相继成立了流域管理机构。英国也于2 0 世纪6 0 年代末将流域环境管理规划作为既定方针，到了8 0 年代流域规划工作更加详细， 不仅涉及资源管理，还涉及流域环境的恢复n5 1 。到了9 0 年代后，流域环境管理 进入第二阶段，也是快速发展的阶段。流域环境管理受到发达国家的广泛重视， 特别是在1 9 9 2 年“国际水与环境国际会议”和“环境与发展联合国会议召开后”， 发达国家将流域管理与可持续发展相结合，大力促进了流域管理的发展。 我国流域管理起步较晚，但是近些年来，在借鉴国外流域管理经验基础上， 我国流域水资源和水环境综合管理工作取得了很大进步。目前比较成熟的流域 管理机构包括太湖流域管理局、长江水利委员会、淮河水利委员会、黄河水利 委员会、珠江水利委员会、松辽水利委员会、海河水利委员会n6 j 。根据我国的 政府职能不同，我国流域管理机构有两类，一类是水利部所属，一类是环境保 护局与水利部共同管理的流域水资源保护机构，形成了将流域管理与行政区域 管理有机结合的管理体制。随着科学技术和人类社会的进一步发展，流域水环 境和水资源管理手段的发展将由命令控制型转为基础性和间接性控制型，基于 总量控制的经济手段将成为主要手段n ”，并且向综合运用体现全过程的各种手 段发展。 第一章绪论 第二节流域水质模型国内外研究现状与进展 随着全球经济的快速增长，环境问题的日益突出以及科学技术的发展，带来 了水质模型研究的发展。水质模型研究的是天然水在自然或人为活动影响下水 质随时间和空间变化规律，涉及气象，水文，计算机等各门学科，为水质评价， 预测及污染控制与管理服务。在流域环境管理中，利用模型进行环境研究越来 越成为一种有力的科学手段。 1 2 1 流域水质模型的兴起与发展 纵观流域水质模型发展历史，可以分为3 个阶段。第一阶段2 0 世纪2 0 年代 - 6 0 年代。该阶段为水质模型研究的起步阶段。该阶段水质模型研究的重点在溶 解氧，b o d 等少数指标上，进行的也是简单的一维稳态模型，代表模型有 b o d d o 、q u a l i 等模型n 8 1 9 1 。 第二阶段为发展阶段，主要出现在2 0 世纪6 0 年代- 8 0 年代。在该阶段非点 源模型得到发展。水质模型研究发展迅速，由简单的一维稳态模型向多维动态 模型发展3 ，研究对象也由单介质向多介质发展，开始关注重金属、有机污染 物的模拟研究舱1 | 。该阶段诞生的模型有：w a s p 、l a k e c o 、w r m m s 等。同 时随着污染控制技术的发展，在西方国家，点源污染逐步得到控制，人们开始 关注非点源污染，非点源模型也得到发展乜2 i ，主要代表模型有：s t a n f o r d 模型、 s w a m 、l a n d r u n 等模型。 第三阶段，为2 0 世纪8 0 年代至今，水质模型研究深入化发展阶段。随着计 算机技术和其他科学技术的发展。水质模型发展更加多元化，融合了r s 、g i s 等技术，水质模型研究与土地利用覆盖，降水，温度等气候因素结合，更加全 面综合的评价流域水质。水质模型得到广泛的应用，如s w a t 、h s p f 、q u a l 2 k 、 g w l f 等模型广泛应用于国内外流域水质管理乜h 6 j 。 1 2 2 模型的分类 根据建立模型的途径和过程，流域水环境管理模型通常可以分为t 经验型 模型和机理型模型；按对研究区域的处理分类，流域水管理模型还可以分为集 中参数模型和分散参数模型两大类。 ( 1 ) 经验模型和机理模型 经验模型是在研究区监测系统的大量监测数据基础上对数据进行统计分析 4 第一章绪论 而建立的模型，它并不是理论推导出的模型，因此模型模拟结果直接反映了相 同或相似条件下水质情况，与实际观测值较为吻合瞳7 | 。对输入的数据进行数学 运算后获得经验模型的输出结果，模拟过程不考虑非点源污染物的物理变化过 程。因此不具备对污染物迁移转化的原理进行解释的功能，其模拟结果比较粗 略。如果需要较为深入的研究污染物物理变化的机理和过程，则不能采用该模 型。国内外常用的经验模型是通用土壤流失方程( u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ， u s l e ) 2 8 一驯。 机理模型( 半机理模型) ，它对自然过程的模拟采取一种较为简单的方法， 能够对整个非点源污染发生的迁移转化过程进行定量描述，将简单方法模型的 经验性和纯物理性模型的复杂性进行有效结合口1 | 。此类模型的功能特点是能够 在大范围的地理区域上评估污染物的来源及其影响，从而为削减方案中目标区 域的确定提供技术帮助。机理模型所采用的简单的方法需要依靠当地实际监测 的数据，因此监测数据分布广，其研究区范围就大。但是由于该类模型采用的 简化假设，其模拟预测的准确度及相关分析受到限制。机理模型在功能上能够 对非点源污染负荷在不同年份或不同季节的变化进行评估，并能够评价水质的 长期变化趋势，而且还能对流域内的土地利用类型和地形构造对水质的影响进 行描述口2 叫1 。但是并没有考虑非点源污染物的迁移转化过程。 ( 2 ) 集中性参数模型和分散性参数模型 在集中参数模型中，模型的各个参数与空间位置无关，而认为在整个模拟 区域范围中参数是均一的。模型的输出端得出的一个单一的结果，不涉及流域 水文过程中空间属性的具体信息。模型所采用的参数实际上是基于一种经验方 法，模拟精确度较低，模型检验需要历史数据。大部分模型的输出端将流域视 作一个整体来计算污染负荷的输出结果，参数不随空间变化而变化。这类模型 属于集中参数模型。早期发展的模型大多都属于这一类。 在分散参数模型中，模型参数与空间位置密切相关，将研究流域划分成若 干个下垫面特性单一的具有一定形状和大小的子流域，每个子流域内都具有各 自独立的参数，然后对每个子流域进行模拟，再通过迭加的方法得到流域总输 出。国内外比较著名的分散参数模型有a g n p s 和a n s w e r s 等h 3 6 1 。 1 2 3 流域水质模型研究现状与进展 随着科学技术和经济的发展，水质模型发展迅速，种类繁多。目前，国内外 第一章绪论 比较常用的模型有s w a t 、g w l f 、h s p f 等。 s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 是由美国农业部( u s d a ) 于1 9 9 4 年开发的，用于预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施 条件下，土壤管理对水分，泥沙和化学物质的长期影响口7 1 。s w a t 模型采用的数 据为常规数据，具有计算效率高，适用于较大流域，将水分运动，泥沙输送， 作物生长和营养物质循环等物理过程直接反映在模型中等特点，因此得到广泛 的应用。如加利福尼亚州o t e s t i m b ac r e e k 农田流域有机磷农药迁移转化的模拟 预测，l e g e d a d i 水库泥沙流入量和沉积总量的评估，北京密云水库流域非点源污 染模拟，白莲河流域径流模拟等8 。4 0 1 。 g w l f ( g e n e r a l i z e dw a t e r s h e dl o a d i n gf u n c t i o n ) 模型是由美国宾夕法尼亚 州大学开发的一个流域负荷模型，用于模拟中尺度流域内不同土地利用覆盖所 产生的地表径流，土壤侵蚀以及n p 营养盐负荷n 1 | 。该模型在国外得到广泛应 用，有美国的特拉华河流域、帕姆利科湾，澳大利亚的穆瑞达林流域。近几年 g w l f 模型也得到我国学者的关注，包括有于桥水库的总氮总磷模拟，台湾省 的k a o p i n g 流域的营养盐模拟阻2 4 3 1 。 h s p f ( h y d r o l o g i cs i m u l a t i o np r o g r a mf o r t r a n ) 是由美国环保局于1 9 81 年开 发出的水文模型h4 i 。该模型利用气象，水文数据来模拟人为因素影响下水情和 水质的变化。随着该模型的改进和完善，h s p f 模型结合了h s p , a r m ，n p s 等模 块，可以实现沉积物、b o d 、氮磷、以及农药等多种污染物的迁移转化模拟。 该模型自开发以来，在国内外得到广泛应用，包括有美国的盛华金河流域，土 耳其的s e y d is u y u 河流域，以及中国的滇池，潮河等流域h 5 4 7 1 。 随着人类社会的发展，水环境日益受到重视，为了更好的说明环境问题，为 管理决策者提供帮助。流域水质模型的发展方向有以下几个特点： ( 1 )加强对污染物质，生物数据的分析。随着工业的发展，人工合成技 术的进步，新型污染物层出不穷。引起水质恶化的污染物不仅仅是 营养物质氮、磷，还有很多农药，重金属，雌激素等h 8 5 1 。随着监 测技术的发展和普及，叶绿素a ，藻类，微生物等生物数据得到监 测啼2 ，5 3 3 ，充分利用这些数据进行分析可以更好的说明水质问题。因 此，加强对污染物质和生物数据的分析是流域模型发展的方向之 一o ( 2 )结合g i s r s 等空间技术反映流域空间属性的差异m 侧。污染物的 6 第一章绪论 ( 3 ) 分布以及迁移转化是随着时空变化的，结合g i s 、r s 等空间技术， 将污染物在空间上联系起来，可以更加准确的对水质进行评估与预 测。通过g i s 等相关软件模拟结果更加直观，便于管理决策者做出 决策。 研究尺度更大，范围更广。污染物随时间的变化，污染产生的结果 是一个长期的过程，并且随着污染物的迁移转化，影响的范围也是 变化的，扩散的瞄。因此利用模型可以预测现有污染负荷对将来 水质的影响。某一监测断面的污染物不仅仅产生于本地，还有上游 传输。通过扩大研究尺度，研究整个流域水系的污染物传输，迁移、 转化，对分析污染物的来源，找到确切污染源意义重大。 第二章研究方法简介 第二章研究方法简介 利用多元数学统计方法和水质模型对水质状态进行评价，估计出各个污染源 对水质的贡献率，预测水质变化，是目前国内外比较通用的方法。目前国内外 广泛采用的数学统计方法有因子分析，聚类分析，主成分分析等，采用的模型 有s w a t 模型，h s p f 模型，s p a r r o w 模型等。本研究采用数学统计方法对 松花江流域的1 3 个水质指标进行分析，并结合s p a r r o w 模型进行营养负荷模 拟预测，综合分析松花江流域水质状况。 第一节多元数学统计方法 随着检测技术的发展和日益成熟，水质监测指标多样，频率更高，准确度更 高。目前，采用多元数学统计方法对水质进行评估分析，是国内外比较通用的 方法。广泛采用的数学统计方法有聚类分析、主成分分析、因子分析等。 ( 1 ) 聚类分析 聚类分析是一种探索性的模式识别技术，根据观测对象之间的相似程度， 逐次聚类，达到物以类聚的目的哺2 l 。其本质是人们希望借助计算机将具有相似 的属性或者近似关系的对象分为一组，不同组之间的个体具有高度的异质性的 一种多元分析技术。常见的聚类分析有层次聚类、非层次聚类、基于密度的聚 类、基于网络的聚类、基于模型的聚类等。聚类分析作为有效的数据分析方法 被广发的应用于各个领域，可以进行商业分析、数据挖掘、机器学习、语音识 别、信息处理等。在水质评估分析中，聚类分析作为一种多元统计方法可以确 定不同监测断面之间的关系，表征水质在空间分布的特征。我国学者曾将聚类 分析运用于多个河流流域的水质研究，包括有密云水库流域、长江流域，淮河 流域等6 3 嗡1 。 ( 2 ) 主成分分析 主成分分析是一种数学变换方法，它把给定的一组相关变量通过线性变换 转换成另一组不相关的变量，这些新的变量按照方差依次递减的顺序排列旧。1 | 。 在对数据进行数学变换中变量的总方差保持不变，并且使得第一个变量的方差 最大，称为第一主成分；第二个变量和第一个变量不相关，且方差次之，称为 第二章研究方法简介 第二主成分：依次类推，最后一个主成分与此前的主成分都不相关，且方差 最小口2 训。影响流域水质变化的因素是多种多样的，其中有些是主要影响因素， 有些是次要因素，这些因素常常来自同一个总体，他们之间大多存在着错综复 杂的关系。根据主成分分析法的原理，可以将原始因素或变量通过线性组合得 到若干个新的综合因素或变量，使得新的综合因素或变量包括原始因素的信息， 且彼此之间相互独立，实现了对原始变量因素的提取和简化，使得到的新变量 既包含原始因素或数据的主要信息，又能集中地，典型地显示出研究对象的特 征7 5 删。 因子分析是通过研究多个变量间相关系数矩阵( 或协方差矩阵) 的内部依赖 关系，找出少数几个不可测量的随机变量，这几个随机变量能够综合所有变量 的特征，通常称为因子阿9 8 。然后再根据变量的相关性的大小进行分组，将相关 性较高的变量分为同一组，但不同组的变量的相关性则比较低。因子分析的目 的就是为了减少变量的数目，用少数因子代替所有变量去分析整个问题。 第二节s p a r r o w 模型简介 2 2 1 模型概述 s p a r r o w ( s p m i a l l yr e f e r e n c e dr e g r e s s i o n so nw a t e r s h e da t t r i b u t e s ，即基 于流域属性的空间参照回归) 模型，由美国地质调查局开发并应用，是介于传 统统计学模型与机理模型之间的、用于估计流域地表水体中污染物通量与污染 源以及传输因子之间的关系的非线性回归模型【8 2 1 。 s p a r r o w 模型最大的特点在于它所采用的模型结构，即在空间上将流域 划分并形成详细的河流河段网络，并将水质监测数据和流域属性的g i s 数据与 河流河段网络在空间上一一对应。s p a r r o w 模型最早是应用于分析地表水中 营养物质、农药、悬浮物等的迁移过程，同时也应用于分析和制定水质、河流 生物学和河流水量等有关措施睛3 | 。随着s p a r r o w 模型的进一步发展，该模型 的应用可以较为准确的预测和估计营养物质的负荷，定量表征污染物质流经长 远距离的迁移后对下游敏感水体的影响( 如湿地、水库和饮用水取水口等) 。 自开发以来，s p a r r o w 模型己成功的应用于美国全国水质评估，同时应 用于美国重点流域和地区，包括有密西西比河流域，新英格兰地区等；随着模 型的进一步推广，该模型也在美国以外的国家和地区得到应用，如欧洲法国、 9 第二章研究方法简介 捷克部分流域，新西兰的w a i k a t o 河流域随4 | 。近年来，s p a r r o w 模型得到了我 国学者的关注，但成功的应用案例尚未见报道。将s p a r r o w 模型运用到我国 大陆流域对流域水质管理研究意义重大。 2 2 2 模型原理与结构 s p a r r o w 模型是一个以非线性回归方法为核心的统计模型，该模型选择 对污染物在流域中传输产生影响的具有物理意义的指标( 土壤渗透性、温度、 河网密度、水力保留时间等) 作为模型变量，建立在流域特定空间属性状况下 污染源与水质的响应关系和污染物在流域河网中的定量传输比例，进而模拟和 预测全流域水质变化以及上游河段对下游河段的影响哺5 | 。图2 1 为s p a r r o w 模 型的结构示意图。来自非点源的污染物经陆域传输过程( 1 a n d s c a p et r a n s p o r t ) 进 入河段( r e a c h ) ，来自点源的污染物无陆域传输过程而直接进入河段。进入河段 后污染物通过水域传输过程( a q u a t i ct r a n s p o r t ) 至河段出口。利用河段出口处的 监测数据对模拟方程进行校准，得到模拟方程系数。 图2 1s p a r r o w 模型的结构示意图 该模型的主要原理包括： ( 1 ) 质量守恒：保证流域体系污染物质量守恒是整个模型成功的前提。在 s p a r r o w 模型中的质量守恒体现在：干流负荷等于支流负荷之和，污染物总负荷 等于各污染源负荷之和，污染源排放负荷与本地水环境中的污染物负荷有线性 关系，即成倍的污染物排放可导致水环境污染物负荷成倍的增加。 ( 2 ) 弱化时间因素，强调空间属性：一方面通过对中长期的水质、流量数 据的去趋势化处理，获得流域各监测点位负荷的多年平均水平，滤除时间变化 ( 出现洪涝等) 对负荷的影响；另一方面提取监测点位空间属性并与点位负荷 紧密联系，突出流域空间属性差异对负荷的影响。 ( 3 ) 非线性回归方法：流域空间属性差异对负荷的影响由非线性回归方法 定量表征，监测点位负荷作为因变量；函数表达式构成为污染物排放( 污染源) 、 由污染源进入水体的过程( 土一水传输) 以及污染物在水中传递的过程( 水一水 1 0 第二章研究方法简介 传输) ；自变量为各污染源排放量( 工业点源、农业面源、大气沉降、畜禽养殖 等) 及流域属性( 温度、土壤渗透性、坡度、河网密度、土地利用方式、水力 保留时间、湖库水力负荷等) 。 图2 2 为s p a r r o w 模型中河网结构和特点。一个河段i 的污染物输出负 荷由上游河流污染物的输入负荷和该河段本地产生的输入负荷两部分组成；模 型原理的表达式如下： 、 ，q f = i eb 磁，；岛，铱) + l 艺z f5 ：l j 包( z ；d ；易) p 旧，零；o s ，嚷) ( 2 一。) u 叫f ) 、胆l， 其中f + 表示模拟的河段i 的污染物通量，这个通量和i 相邻的上游河段的 通量( ) 有很大的关系，其中j 是i 相邻上游河段j ( i ) 的一支。第一部分 表示上游河段传输到下游i 河段的通量。表示监测通量；8 i 是指上游通量传 输到i 河段的比例，如果上游没有分支，则点的值设置为1 ；a ( ) 表示水域传 输衰减函数，这个函数决定了污染物通量由上游节点传输到下游节点的衰减程 度，其中，该函数的参数是监测河流和水库特征的函数，分别用z 5 和z 胄以及相 应的系数侠和岛表示；如果i 河段是河流，则只有z s 和b 决定a ( ) 的值，相 应地，如果河段i 是个水库，则a ( ) 只需由z r 和铱决定。 子流域边界 上游监测点 点源 河段 河段相对应 的流域 下游监测点 图2 2s p a r r o w 模型中河网结构和特点 第二章研究方法简介 第二部分表示在河段i 所在流域内进入河网的污染物通量。s 。，表示污染源 变量；口。表示源特定系数，该系数考虑了单位换算；d n ( ) 表示陆域传输函数， 它和源特定系数一起决定污染物传输到河网的量，其中，z 尸表示参数，以是相 应的系数；a ( ) 代表污染物产生并流入河段i 传输到下游节点的通量比例，它 和第一个等式的河流传输参数相似，只是水力保留时间相差1 2 ，即认为本流域 内的污染源在河段i 的中间位置进入河网。 在s p a r r o w 模型中，陆域传输变量被表示成指数函数形式。对于污染源 n 而言，污染物在本流域内产生并传输到河段( 包括源系数) 的量的计算公式为： ，m n、 d ( z y ；o d ) = e x p l 国。z 。d ，l ( 2 _ 2 ) 、m = l 其中，z _ ：表示i 河段流域内m 传输变量；是它相对应的系数；( 1 1 。是 指示变量，如果m 传输变量对源n 有影响，则其为1 0 ，否则为0 ；m d 表示传 输变量的个数。 在水域传输中，如果彳( 零，z f ；b ，啡) 表示河流传输，则其表达式如下： 厂 f 、 彳( 零，z f ；岛，铱) = e x p i 一- d s ( 2 3 ) c = - i 其中，民是指损失比例系数