路紅軍 吳銳

摘要采用主成分分析法對(duì)2014年伊通河32個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行污染特征分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)污染程度進(jìn)行排序，再利用SPSS軟件進(jìn)行聚類分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)斷面網(wǎng)格分布具體情況，得到最優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。結(jié)果表明，優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)能更準(zhǔn)確地判斷伊通河流域內(nèi)各區(qū)段水質(zhì)變化情況。該研究可為伊通河綜合治理及水質(zhì)改善提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞伊通河；監(jiān)測(cè)斷面；主成分分析；SPSS軟件；聚類分析

中圖分類號(hào)X522文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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(xiàng)目國家重大專項(xiàng)（2012ZX07202-001）。

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

收稿日期2016-12-23

水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和監(jiān)測(cè)指標(biāo)的優(yōu)化布設(shè)是水環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證體系中重要的環(huán)節(jié)，合理的采樣位置和采樣參數(shù)是獲得空間大數(shù)據(jù)的根本保證[1]，全面準(zhǔn)確地獲得地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，建立合理、具有代表性的地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系至關(guān)重要[2-4]。伊通河作為松花江的重要支流，流域水環(huán)境質(zhì)量直接影響松花江流域的水環(huán)境。流域內(nèi)面臨著大量的農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)污水排放、農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村居民點(diǎn)生活污水排放等諸多環(huán)境問題，流域水環(huán)境呈復(fù)合污染態(tài)勢(shì)，支流及干流城區(qū)段污染嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及下游松花江流域水環(huán)境質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

伊通河干流及支流現(xiàn)有監(jiān)測(cè)斷面除了國、省控監(jiān)測(cè)斷面外，均為河流所屬區(qū)域環(huán)境保護(hù)管理部門根據(jù)自身水質(zhì)監(jiān)控需要設(shè)定，缺乏科學(xué)、統(tǒng)一的規(guī)劃，存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置不合理、監(jiān)測(cè)指標(biāo)不全面等問題。為了能夠及時(shí)掌握伊通河水環(huán)境和水污染變化動(dòng)態(tài)，筆者采用主成分分析法和SPSS軟件，于2014年對(duì)伊通河32個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行污染特征分析，以明確不同類別監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)控性質(zhì)[5-6]，優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。

1研究地概況

伊通河發(fā)源于吉林省伊通縣境內(nèi)哈達(dá)嶺山脈青頂山北麓，流經(jīng)伊通縣、長春市、德惠市、農(nóng)安縣，在農(nóng)安縣靠山鎮(zhèn)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(shì)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(xiàn)有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)斷面設(shè)置

伊通河流域現(xiàn)有國控監(jiān)測(cè)斷面2個(gè)，分別是新立城水庫大壩和長春市區(qū)出境斷面楊家崴子大橋。省控監(jiān)測(cè)斷面2個(gè)，分別為伊通縣的星光斷面和農(nóng)安縣的靠山大橋斷面。其余為市、縣設(shè)置的監(jiān)測(cè)斷面，伊通縣境內(nèi)另有4個(gè)監(jiān)測(cè)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(nóng)安縣境內(nèi)另有3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為農(nóng)安大橋、合隆保龍橋、華家大橋。

3伊通河水質(zhì)現(xiàn)狀

筆者在伊通河干流設(shè)置了32個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，具體采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(gè)公因子后的特征值變化趨緩表明選取3個(gè)公因子分析是比較恰當(dāng)?shù)?。采用方差最大化正交旋轉(zhuǎn)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(duì)值與所提取的3個(gè)公因子間的相關(guān)系數(shù)，對(duì)一個(gè)污染物來說，載荷絕對(duì)值較大，則公因子與其的關(guān)系也更為密切，也更能代表這個(gè)污染物。基于這個(gè)觀點(diǎn)，第1公因子更能代表化學(xué)需氧量、生化需氧量、總磷這3種污染物指標(biāo)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(biāo)；第3公因子則代表溶解氧這一污染物指標(biāo)。這樣就可以利用所提取的3個(gè)概括性因子分別描述各個(gè)斷面的受污染狀況，并且可以分別推導(dǎo)出3個(gè)公因子與污染物間的計(jì)算公式。圖1為旋轉(zhuǎn)空間成分，更直觀地顯示了3個(gè)公因子所代表的污染物指標(biāo)。

根據(jù)表5成分得分系數(shù)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(xué)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(jiān)測(cè)斷面受污染的綜合影響，對(duì)3個(gè)公因子進(jìn)行加權(quán)求和，權(quán)數(shù)取表2中3個(gè)公因子旋轉(zhuǎn)后的

方差貢獻(xiàn)率，依次為42.655%、34.650%、20.392%，可得各個(gè)斷面因子綜合得分計(jì)算公式：

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

按式（4）計(jì)算的31個(gè)斷面因子綜合得分結(jié)果，并按降序排名（新立城水庫大壩斷面因BOD指標(biāo)低于檢出限，在分析中排除）匯總于表6。

表6反映了各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)受污染的輕重程度，綜合得分排名靠前的基本都是水質(zhì)污染物指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重的斷面。若按提取的3個(gè)公因子得分分別排名，第1因子（化學(xué)需氧量、生化需氧量和總磷指標(biāo)）得分最高的是農(nóng)安污水廠排口、農(nóng)安南環(huán)吐口及開安鎮(zhèn)吐口這3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，表明其受化學(xué)

需氧量、生化需氧量和總磷指標(biāo)較嚴(yán)重的影響；第2因子（氨氮、總氮指標(biāo)）得分最高的是楊家崴子大橋、合隆南溝吐口、農(nóng)安大橋這3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，表明其受氨氮和總氮指標(biāo)的影響更為明顯；第3因子（溶解氧指標(biāo)）得分最高的是楊家崴子大橋、農(nóng)安南環(huán)吐口、農(nóng)安污水廠排口這3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，表明其受溶解氧指標(biāo)的影響比較突出，水體中溶解氧量較高。

通過與實(shí)際情況對(duì)比，上述分析、排序基本與伊通河及其支流各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)狀況相符。

5聚類分析

運(yùn)用SPSS軟件的系統(tǒng)聚類法，選用平方（Euclidean）距離、組間連接法對(duì)參與分析的32個(gè)斷面進(jìn)行聚類分析。

由于第5個(gè)斷面新立城水庫大壩斷面生化需氧量指標(biāo)低于檢出限，因此通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，有效數(shù)據(jù)共31組，即可對(duì)除新立城水庫大壩斷面之外的剩余31個(gè)斷面進(jìn)行聚類分析。以各斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及根據(jù)主成分分析因子得分計(jì)算公式得出的表7中各因子得分及綜合得分為基礎(chǔ)，進(jìn)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(gè)斷面被分為4類，即水質(zhì)較好的為I類，為伊通縣境內(nèi)伊通河上游段的主要監(jiān)測(cè)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(jì)11個(gè)斷面。水質(zhì)一般的為II類，為農(nóng)安縣境內(nèi)伊通河下游段的主要監(jiān)測(cè)斷面，包括開安鎮(zhèn)吐口、前崗水庫排水渠吐口、小葦子溝吐口、韓大橋吐口、農(nóng)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(zhèn)南溝吐口、合隆北溝吐口、保龍橋斷面，共計(jì)16個(gè)斷面。水質(zhì)較差的為III類，為長春市出境斷面楊家崴子大橋斷面和農(nóng)安縣境內(nèi)新凱河上華家大橋斷面，共計(jì)2個(gè)斷面。水質(zhì)最差的為IV類，為農(nóng)安縣境內(nèi)農(nóng)安南環(huán)吐口和農(nóng)安污水處理廠排口，共計(jì)2個(gè)斷面。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，新立城水庫大壩監(jiān)測(cè)斷面屬于水質(zhì)較好的一類，可歸類于上述I類水質(zhì)。

6結(jié)論

根據(jù)聚類分析結(jié)果，結(jié)合伊通河現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方案及水質(zhì)沿程變化趨勢(shì)，同時(shí)考慮在伊通河干流未設(shè)置水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的現(xiàn)狀，在長春市城區(qū)段國控?cái)嗝鏃罴裔俗哟髽?、伊通縣境內(nèi)省控?cái)嗝嫘枪鈹嗝妗⑥r(nóng)安縣省控?cái)嗝婵可酱髽蛟O(shè)置水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，在水質(zhì)較差的伊通河農(nóng)安段增設(shè)萬金塔公路橋、農(nóng)安南環(huán)吐口、農(nóng)安污水處理廠3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在伊通河主要支流新凱河上增設(shè)燒鍋順山堡屯監(jiān)測(cè)斷面。

通過水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的設(shè)置及新增的監(jiān)測(cè)斷面，有助于環(huán)保部門更及時(shí)、全面地監(jiān)控伊通河水質(zhì)變化情況，為伊通河綜合治理及水質(zhì)改善提供數(shù)據(jù)支持。

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