1。介绍
足够的淡水资源对人类的生存至关重要,自然生态系统,及其紧密耦合作用在经济领域
1 ]。水资源是一个敏感的实际状态和关键问题在许多国家,和水质的恶化已经成为一个全球性的问题。可用水资源的评价和他们的质量是确保水安全的第一步;因此,研究水质量评价一直是一个面积增加兴趣和必要性(
2 ]。
传统的水质评价方法,包括测量水化学参数与现有标准归一化测量,不够有效
3 ]。的优势完全使用水质参数信息规范性价值,提出的水质指数(水质指数),霍顿(
4 和棕色等。
5 ),被广泛应用于分类表面质量(
1 ,
6 - - - - - -
9 ]。水质指数等水质参数浓度对溶解氧(做)、pH值、硝酸盐、磷酸盐、氨、氯、硬度、和金属与关联的权重(
10 ]。水质指数越低,水质越好,而更高的值表示水质退化。索引值取决于监控国内或当地的具体成分和阈值标准。近年来,水质指数的概念已经演变成其他配方包括美国国家卫生基金会水质指数(NSFWQI)和综合水质指数(IWQI) [
11 ,
12 ]。
随着环境监测网络和化学计量学的出现,已经有相关的多元统计技术的应用,如聚类分析(CA)、主成分分析(PCA)和因子分析(FA) [
13 - - - - - -
16 ]。这些技术可以减少多元数据集的维数,同时仍然保持原来的结构,如主成分或因素(
14 ]。与有效的降维的优势,这些技术经常用于水质进行分类的数据,发现变量之间的相似性在许多研究[
17 ),帮助解释的结果,反过来提供主观和客观的过程。
以前的方法评估水质环境中几乎总是基于历史数据。事实上,运输和存储系统是动态的,在最干净的河流水质恶化的过程中,而相反的可以适用于污染最严重的河流。在水质动态变化可能导致一次性评价的结果和现实之间的矛盾。
在本文中,我们提出了水质评价方法,考虑水质的趋势。首先,综合污染指数(CPI)计算几个监测地点在更大领域的网站。接下来,斯皮尔曼等级相关分析是用来确定CPI趋势在每个位置。最后,主成分分析(PCA)是用来评估水质在领域范围内使用CPI趋势的评价参数。节中说明了方法的过程
2.4 。
2。方法
2.1。综合污染指数(CPI)的方法
CPI方法是最常见的方法之一,在中国使用定性评价的水质
18 - - - - - -
21 ]。下列方程计算指数
P 作为
(1)
P
=
1
n
∑
我
=
1
n
P
我
=
1
n
∑
我
=
1
n
C
我
年代
我
我
=
1、2
,
…
,
n
,
在哪里
C
我 水质参数的监测值吗
我 ;
n 是水质参数监测的数量;和
年代
我 是标准的容许极限水质参数
我 据《地表水环境质量标准(gb3838 - 2002)在中国(表
1 )[
22 ]。
表1
水域功能分类gb3838 - 2002。
分类标准价值项目
课上我
二类
第三类
第四类
第五类
pH值
6 - 9
做
7.5
6
5
3
2
鳕鱼锰
2
4
6
10
15
鳕鱼Cr
15
15
20.
30.
40
生化需氧量5
3
3
4
6
10
NH3 - n
0.15
0.5
1
1。5
2
TN
0.2
0.5
1
1。5
2
TP
0.02
0.1
0.2
0.3
0.4
使用这种方法,
P 随浓度增加而成正比增加增加每种组分的规范化的水质标准;因此,的价值
P 可用于水的污染程度进行分类(表吗
2 )。
表2
地表水质量标准分类。
综合污染指数(
P
)
水质量标准
≤0.20
清洁
0.21 - -0.40
不干净的
0.41 - -1.00
轻微的污染
1.01 - -2.0
中度污染
≥2.01
严重的污染
2.2。斯皮尔曼等级相关分析
斯皮尔曼等级相关系数的定义是两个排名之间的皮尔逊相关系数随机变量。使用时两个变量之间的数据不是正态分布。斯皮尔曼等级相关系数,
rs ,可以用下面的公式计算
23 ]:
(2)
r
年代
=
1
−
6
∑
我
=
1
n
d
我
2
n
n
2
−
1
,
在哪里
d
我
=
X
我
−
Y
我
这两个的区别是变量和排名
n 是观察的总数。在其配方、价值观
rs 限制在−1≤
rs ≤+ 1。如果
rs = + 1,这表明一个完美的正相关,而
rs =−1表示一个完美的负相关。
在这种方法中,
X
我 根据列出的排名顺序
P
值,
Y
我 排名顺序根据抽样。作为
rs 方法+ 1,价值的上升趋势更明显
P
随着时间的推移,因此表明水质逐渐恶化。相反,如
rs 方法−1的下降趋势
P
随着时间的推移,更明显的是随着时间的推移逐步改善水质。
2.3。主成分分析
在这个框架中,主要污染源是由主成分分析(PCA)。这种方法被广泛使用,因为它可以提取数据,减少系统的维数。在主成分分析中,数据集包含
P
不相关的变量都叫做主成分(PC)。最重要的参数是第一个组件(PC提取1 ),而其他参数与相对较少的重要性在后续组件(PC2 PC、…
n )。代数,
n 原始变量,
x 1 ,
x 2 、…
x
n ,主成分的表达式的电脑
我 确定是
(3)
个人电脑
1
=
一个
11
x
1
+
一个
12
x
2
+
…
+
一个
1
n
x
n
,
⋮
⋮
⋮
个人电脑
n
=
一个
n
1
x
1
+
一个
n
2
x
2
+
…
+
一个
n
n
x
n
,
在哪里
一个
二世 从协方差或相关矩阵特征向量提取和组件的数量吗
n 等于变量的数量。如上所述,大多数的信息中发现
n 原始变量捕获在前几个主成分,从而减少实际数据集的维数。更多细节可以找到其他地方(
14 ,
24 ]。
每个主成分的得分可以获得
(4)
F
我
=
足总
c
我
λ
我
,
在哪里
F
我 是电脑的分数吗
我 ;前沿空中管制官
我 的值是因素呢
我 ;和
λ
我 是电脑的特征值
我 ,
我 是电脑的索引。综合得分可以使用以下公式计算:
(5)
F
=
1
∑
我
=
1
n
α
我
∑
我
=
1
n
α
我
F
我
,
在哪里
α
我
的贡献率是电脑吗
我 和
n 是电脑的数量。污染的相对水平在任何给定的位置可以由样本的综合得分排名部分。全面的价值越高,水质越低。
2.4。该方法的过程
综合方法的过程可以描述如下(图
1 )。
步骤1。计算年度综合污染指数
P 对于每一个监控位置使用方程(
1 ),至少4年的监测数据来生成4年平均用于下一步。
步骤2。用斯皮尔曼等级相关系数法来计算CPI趋势(
rs 在每个监控位置使用方程()
2 )。
步骤3。使用PCA和原来的水质测量pH值,鳕鱼锰 、鳕鱼Cr ,很好的5 ,在北半球3 - n、TN、TP,
rs 在每个采样系数部分,计算和各个部分的分数排名。
步骤4。在所有河流污染的水平确定根据分数排名。
图1
综合方法的过程。
3所示。案例研究
3.1。研究区域
丹江口水库(32°20′-33°45′N, 110°40′-111°50′E)位于湖北和河南两省的边界,中国,的表面积为1050公里2 当水达到正常水平的170
25 ,
26 ]。它是中间路线的主要饮用水源的中国南水北调工程(SNWTP)。境内的成功取决于丹江口水库的水质。大约有200在丹江口水库流域支流,其中16个主要支流占整个流域的90% (
25 ]。2016年7月以来,建立了水质监测部分口附近的16个主要支流,水质样本收集每月。位置地图丹江口水库和监测网站(部分)中描述的图
2 和表
3 。
图2
位置地图丹江口水库和监测网站。
表3
监测站点在丹江口水库及其支流。
支流
Qihe河
百合网河
Duhe河
天河河
Langhe河
Shending河
寺河河
剑河
测量网站
M1
平方米
M3
M4
M5
M6
M7
M8
支流
Jiangjun河
Taohe河
Taogou河
屈原河
香河河
Laoguan河
关山河
Jianghe河
测量网站
M9
M10
M11公路
M12
M13
M14
M15
M16
3.2。年度< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M13 " > < mml: mi > P < / mml: mi > < / mml:数学> < / inline-formula >价值为每个部分
监控数据从2016年7月到2020年6月被分成四个时期来计算平均年河水质浓度在每一个部分。水质测量鳕鱼锰 、鳕鱼Cr ,很好的5 ,在北半球3 - n、TN和TP被用于计算的年度
P
值为每个时期和在每一个河部分使用方程(
1 )。结果如表所示
4 。
表4
一年一度的
P
值为每个部分。
测量网站
P 1
P 2
P 3
P 4
Qihe河
M1
0.28
0.28
0.18
0.26
百合网河
平方米
0.28
0.27
0.18
0.24
Duhe河
M3
0.29
0.30
0.22
0.29
天河河
M4
0.55
0.34
0.35
0.34
Langhe河
M5
0.46
0.33
0.24
0.36
Shending河
M6
1.68
1.55
1.43
1.23
寺河河
M7
1.99
1.45
1.66
0.76
剑河
M8
0.84
0.55
0.34
0.51
Jiangjun河
M9
0.35
0.26
0.17
0.43
Taohe河
M10
0.49
0.37
0.27
0.29
Taogou河
M11公路
0.28
0.30
0.19
0.23
屈原河
M12
0.53
0.38
0.35
0.26
香河河
M13
0.59
0.42
0.26
0.53
Laoguan河
M14
1.06
0.38
0.41
0.39
关山河
M15
0.76
0.38
0.23
0.28
Jianghe河
M16
0.64
0.54
0.45
0.68
3.3。< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M16 " > < mml: mi > P < / mml: mi > < / mml:数学> < / inline-formula >价值趋势分析
使用年度
P
值列在每个流表
4 斯皮尔曼等级相关系数,
rs ,计算使用方程(
2 ),表中列出的CPI趋势线的斜率
5 。16个主要支流的丹江口水库,14显示CPI水质改善的趋势;此外,盛定河和屈原河显示持续改进趋势。两个例外是Jiangjun河涧河。
表5
的
rs 系数的所有部分。
支流
Qihe河
百合网河
Duhe河
天河河
Langhe河
Shending河
寺河河
剑河
rs
−0.80
−0.80
−0.60
−0.80
−0.40
−1.00
−0.80
−0.80
支流
Jiangjun河
Taohe河
Taogou河
屈原河
香河河
Laoguan河
关山河
Jianghe河
rs
0.20
−0.80
−0.60
−1.00
−0.40
−0.40
−0.80
0.20
3.4。水质评价与趋势
有9个原始变量中使用PCA。对于每个采样支流,第一批八个变量水质指标包括pH值、鳕鱼锰 、鳕鱼Cr ,很好的5 ,在北半球3 - n、TN和TP,而最后一个变量是CPI的趋势。使用主成分分析,得到了各支流的综合得分。更高的综合分数相当于一个较低的支流水质。主成分分析结果用SPSS Inc .的商业计算机程序SYSTAT版本19
原始变量标准化(表9
6 ),然后进行主成分分析。因子相关系数视为重要的是大于85.0%。
表6
原始变量的归一化值。
ZpH
ZDO
ZCOD锰
ZCODCr
ZBOD5
ZNH3 - n
盒子氧
中兴通讯
Z_rs
Qihe河
0.03
0.37
−0.76
−0.70
−0.70
−0.51
−0.63
−0.62
−0.55
百合网河
0.33
0.39
−0.81
−0.76
−0.84
−0.53
−0.55
−0.72
−0.55
Duhe河
0.09
0.23
−0.55
−0.59
−0.67
−0.49
−0.55
−0.65
0.00
天河河
0.93
0.94
−0.44
−0.44
−0.32
−0.27
−0.05
−0.41
−0.55
Langhe河
−0.45
−0.39
0.00
−0.01
−0.32
−0.43
−0.55
−0.33
0.55
Shending河
−1.77
−1.88
1.98
2.07
2.49
2.60
2.29
2.36
−1.10
寺河河
−2.49
−2.39
1.96
2.05
1.89
2.44
2.63
2.10
−0.55
剑河
1.53
0.73
1.07
1.44
1.01
−0.30
−0.21
−0.12
−0.55
Jiangjun河
0.63
0.75
−0.52
−0.62
−0.54
−0.49
−0.38
−0.59
2.19
Taohe河
0.39
−0.09
−1.05
−0.80
−0.71
−0.51
−0.72
−0.81
−0.55
Taogou河
0.39
1.30
−0.69
−0.66
−0.64
−0.52
−0.63
−0.92
0.00
屈原河
0.39
0.32
−0.77
−0.64
−0.46
−0.26
−0.05
−0.04
−1.10
香河河
0.87
0.31
−0.86
−0.78
−0.62
−0.48
−0.55
0.07
0.55
Laoguan河
−0.33
−0.80
0.66
0.25
0.54
0.08
−0.13
−0.03
0.55
关山河
−0.63
−0.52
−0.07
−0.26
−0.41
−0.20
−0.21
−0.45
−0.55
Jianghe河
0.15
0.72
0.87
0.44
0.29
−0.14
0.29
1.16
2.19
9日PCA参数产生两个主成分解释样本方差的88.3%。表
7 显示组件1描述样本方差的76.24%,组件2捕获12.09%。图
3 代表两个主成分的二维图。鳕鱼锰 、鳕鱼Cr ,很好的5 ,在北半球3 - n、TP、TN对PC1产生了积极的影响,当pH值和做有负面影响。至于PC2,依赖
rs 系数,代表CPI的趋势。
表7
利用主成分分析法(PCA)特征值和解释方差的百分比。
组件
特征值
方差(%)
累积方差(%)
1
6.862
76.240
76.240
2
1.088
12.090
88.330
3
0.656
7.288
95.617
4
0.229
2.541
98.158
5
0.084
0.930
99.088
6
0.051
0.570
99.659
7
0.020
0.219
99.878
8
0.010
0.107
99.985
9
0.001
0.015
100.000
图3
2 d图的两个主要组件。
根据上述分析,从前两个主成分得分和综合得分和表所示
8 。从这个表中,污染状况的支流被证实根据综合成绩。当CPI趋势被认为,三个污染最严重的河流寺河,Shending河,Jianghe河,和三个污染最少Taohe河,百合网河,分别和Qihe河。
表8
分数的支流丹江口水库和污染排名。
支流
分数
rs
因子1
因子2
PC1
PC2
全面的
排名
Qihe河
−0.80
−0.734
−0.659
−1.92
−0.69
−1.75
14
百合网河
−0.80
−0.807
−0.634
−2.11
−0.66
−1.91
15
Duhe河
−0.60
−0.577
−0.185
−1.51
−0.19
−1.33
11
天河河
−0.80
−0.534
−0.209
−1.4
−0.22
−1.24
10
Langhe河
−0.40
−0.093
0.246
−0.24
0.26
−0.18
6
Shending河
−1.00
2.245
−0.921
5.88
−0.96
4.95
2
寺河河
−0.80
2.296
−0.847
6.02
−0.88
5.07
1
剑河
−0.80
0.268
0.585
0.7
0.61
0.69
5
Jiangjun河
0.20
−0.271
1.871
−0.71
1.95
−0.35
7
Taohe河
−0.80
−0.845
−0.801
−2.21
−0.84
−2.02
16
Taogou河
−0.60
−0.766
0.091
−2.01
0.09
−1.72
13
屈原河
−1.00
−0.583
−0.985
−1.53
−1.03
−1.46
12
香河河
−0.40
−0.517
0.465
−1.35
0.48
−1.1
9
Laoguan河
−0.40
0.401
0.378
1.05
0.39
0.96
4
关山河
−0.80
−0.250
−0.832
−0.65
−0.87
−0.68
8
Jianghe河
0.20
0.769
2.438
2.01
2.54
2.09
3
再次使用PCA,我们重复我们的评估没有CPI趋势和比较结果表中给出
8 在图
4 。如图,大多数河流污染排名是不同的除了两个污染最严重的河流。例如,Jianghe河流改变了从4日3时其污染等级
rs 系数被认为是。的
rs 系数大于0,表明水质恶化。因此,特别要注意这支流当当地政府计划实施污染减排工作。
图4
污染排名考虑的比较结果
rs 系数。
数据可用性
没有数据被用来支持本研究。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
作者的贡献
盛Bi,这篇文章的通讯作者,导致的主要内容抽象,部分
1 ,
2.2 ,
2.4 ,
3所示。4 和引用。李王导致版本2和3的建议,包括部分
1 ,
3所示。3 ,
3所示。4 和结论。李Yongrong导致部分的主要内容
2.1 和
3所示。1 。王镇坪张和Zhimian导致部分的主要内容
2.2 ,
3所示。2 ,
3所示。3 。小玲丁和总裁周导致了部分的主要内容
2.3 和
3所示。4 连同相应的作者。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(U1865202。51709012, 51527809),基础研究基金中国中央公共福利研究所(CKSF2020058号/深圳和CKSF2019526 / TG3),湖南省级重点实验室开放研究计划的关键技术在水电开发(没有。PKLHD201705)。
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