一个全面的方法对水环境评估考虑水质趋势

文摘

水质是一个重要的问题,它的评估在环境管理和污染控制中起着重要的作用。在本文中,我们提出了一个综合水质评价方法既考虑绝对和时间水质的趋势。作为第一步,我们推导和应用综合污染指数(CPI)在16个主要支流水污染特征丹江口水库,位于汉水的上游在中国。接下来,我们用斯皮尔曼等级相关分析来量化时间CPI各支流的趋势。作为最后一步,我们进行了主成分分析(PCA)使用8水质参数和颞CPI数据趋势从每个16支流。合成的综合水质评价方法确定支流,站来改善和威胁到丹江口水库的水质直接和未来的观点。

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]。


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)。


综合污染指数( )	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]: 在哪里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(PC₂PC、…_n)。代数,n原始变量,x₁,x₂、…x_n,主成分的表达式的电脑_我确定是在哪里一个_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: 在哪里的贡献率是电脑吗_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。

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17025,26]。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。


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。


	测量网站	P1	P2	P3	P4

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。价值趋势分析

使用年度值列在每个流表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。


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96),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%。


	ZpH	ZDO	ZCOD_锰	ZCOD_Cr	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。


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

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。


支流	分数
支流	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。

4所示。结论

本文综合考虑水环境评估方法提出了水质趋势,用来分析丹江口水库的污染支流。使用CPI方法进行初步评估和年度平均水质数据。使用年度值各支流,CPI趋势在斯皮尔曼等级相关的量化分析。CPI趋势显示在PCA和重要参数的确定综合分数。采用综合方法开发,支流污染被确定为候选人未来的环境管理和污染控制。

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1,2.2,2.4,3.4和引用。李王导致版本2和3的建议,包括部分1,3.3,3.4和结论。李Yongrong导致部分的主要内容2.1和3.1。王镇坪张和Zhimian导致部分的主要内容2.2,3.2,3.3。小玲丁和总裁周导致了部分的主要内容2.3和3.4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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