福州山仔水庫(kù)水質(zhì)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析與應(yīng)用

來(lái)源：http://www.p3tj.cn/ 作者：余氯檢測(cè)儀 時(shí)間：2019-10-14

　　[摘 要]論文通過(guò)對(duì)福州山仔水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2008年12月18日-2010年3月4日水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面調(diào)查分析,結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取表征水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)(TSI)的綜合參數(shù),研究水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的變化趨勢(shì)。研究得到的TSI日均值分析表明,該水庫(kù)整體處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),局部時(shí)間處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài);月綜合評(píng)價(jià)值波動(dòng)較前面核算的日均值小,從數(shù)值可以判斷該水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),接近富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。構(gòu)建藻青蛋白日值與TSIC(總)日值間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)2010年1月份到3月份的數(shù)據(jù)存在較好的對(duì)數(shù)關(guān)系。研究通過(guò)對(duì)山仔水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,提出了數(shù)據(jù)分析的一般流程,為監(jiān)測(cè)和評(píng)估保護(hù)山仔水庫(kù)水質(zhì)提供可靠的技術(shù)支持。

　　[關(guān)鍵詞]山仔水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化數(shù)據(jù)挖掘水質(zhì)

　　我國(guó)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)始于2000年,至2010年初,環(huán)境保護(hù)部已在我國(guó)重要河流的干支流、重要支流匯入口及河流入海口、重要湖庫(kù)湖體及環(huán)湖河流、國(guó)界河流及出入境河流、重大水利工程項(xiàng)目等斷面上建設(shè)了100個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站,監(jiān)控包括七大水系在內(nèi)的63條河流,13座湖庫(kù)的水質(zhì)狀況[1]。通過(guò)實(shí)施地表水水質(zhì)的自動(dòng)監(jiān)測(cè),可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控,及時(shí)掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的水質(zhì)狀況,預(yù)警預(yù)報(bào)重大或流域性水質(zhì)污染事故,解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛,監(jiān)督總量控制制度落實(shí)情況。我國(guó)近年來(lái)在重點(diǎn)流域和監(jiān)測(cè)斷面建立的大量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站獲得了大量長(zhǎng)期數(shù)據(jù),但是由于種種原因,這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的知識(shí)挖掘工作并沒(méi)有展開(kāi),自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)分析尚不夠深入,大量研究?jī)H依靠離散的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到結(jié)果[2-4],僅有少數(shù)模型研究涉及連續(xù)數(shù)據(jù)分析[5],數(shù)據(jù)挖掘的能力尚不能滿足流域環(huán)境管理的需求,因此本文試圖從山仔水庫(kù)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的若干年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)水庫(kù)水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的規(guī)律,為科學(xué)和合理地利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供一種新途徑并積極探索自動(dòng)監(jiān)測(cè)站水質(zhì)數(shù)據(jù)在環(huán)境管理和規(guī)劃中應(yīng)用,從而為開(kāi)展流域環(huán)境分析與管理,水質(zhì)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法和模型及應(yīng)用,水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況評(píng)價(jià),流域非點(diǎn)源污染調(diào)查與評(píng)價(jià)等工作或研究項(xiàng)目提供技術(shù)支持。

　　1 敖江山仔水庫(kù)及水質(zhì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)站概況

　　敖江是福建省第六大河流,河長(zhǎng)137 km,多年平均逕流量30.4億m3,河道坡降2.6‰,流域面積2655km2,占全省國(guó)土面積的2.16%。山仔水庫(kù)位于敖江中游連江縣境內(nèi)西北部虎頭西坡底河谷中。地理坐標(biāo)北緯26°17′51″,東經(jīng)119°21′35″,水面面積達(dá)6.734 km2 。水庫(kù)是敖江域梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第三級(jí)水利水電項(xiàng)目,1992年8月建設(shè),1994年11月蓄水發(fā)電,多年平均流量為88.7m3/s。山仔水庫(kù)是福州市的第二水源,由于水動(dòng)力學(xué)及外來(lái)污染物累積等因素,導(dǎo)致其在部分時(shí)間出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,對(duì)福州第二水源供水工程形成一定的影響。為了更好的對(duì)山仔水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),福州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站于2005年6月開(kāi)始建立了山仔水庫(kù)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站,該站建立在福州市連江縣小滄鄉(xiāng)的鹿島山莊內(nèi),主要由水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器、提水系統(tǒng)與配水系統(tǒng)和控制與傳輸3部分設(shè)備構(gòu)成,主要的儀器有德國(guó)WTW的IQ Sensor Net 在線五參數(shù)分析儀和豐臨科技AG-TP07總磷分析儀。五參數(shù)為水溫、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧、pH。監(jiān)測(cè)站后期還增加了藻青蛋白探頭和總氮探頭。自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)基本是以每隔兩個(gè)小時(shí)取得一次,因此其采樣一天可以取得12組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)本文稱(chēng)為時(shí)刻值。

　　2 研究方法

　　有關(guān)湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià),多從水質(zhì)、水生生物以及底質(zhì)三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行,蔡慶華等學(xué)者將國(guó)內(nèi)外所采用的評(píng)價(jià)方法歸納為如下6種類(lèi)型:(1)特征法;(2)參數(shù)法;(3)生物指標(biāo)評(píng)價(jià)法;(4)磷收支模型法;(5)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);(6)數(shù)學(xué)分析法[6]。湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)中采用的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSI法)將湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的貧營(yíng)養(yǎng)至富營(yíng)養(yǎng)連續(xù)劃分為0-100的連續(xù)數(shù)值,操作簡(jiǎn)單,可比性強(qiáng)。本文考慮到自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的類(lèi)型,認(rèn)為采用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)可以把長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用起來(lái),達(dá)到綜合評(píng)估的目的。目前常用的TSI有三種指數(shù),(1)Carlson指數(shù)(美國(guó));(2) Aizaki指數(shù)(日本);(3)李祚泳指數(shù)(中國(guó));三種營(yíng)養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)方法是基本原理一致,如果要與國(guó)際上的湖泊相比較,采用卡爾森的TSI指數(shù)或相崎守弘修正的TSIm指數(shù)較為合適;與國(guó)內(nèi)其他湖泊水庫(kù)比較,更實(shí)際地評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),用李祚泳修正的TSIc指數(shù)更為合適。本文采用李祚泳修正的TSIc指數(shù)應(yīng)用于山仔水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的資料,對(duì)山仔水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。論文中用到的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)主要包括水體中葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN),其計(jì)算公式如下[7]:

　　由于是綜合評(píng)價(jià),必須進(jìn)行定權(quán),本文采用層次分析法進(jìn)行定權(quán)[6],建立了葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN)相應(yīng)判斷矩陣為:

　　相應(yīng)權(quán)向量為W=(0.6817,0.2158,0.1025),其中,,,,具有滿意的一致性。

　　在早期建設(shè)過(guò)程中,該監(jiān)測(cè)站點(diǎn)沒(méi)有設(shè)置葉綠素和總氮監(jiān)測(cè)指標(biāo),因此在2008年12月18日-2009年1月10日僅用總磷指標(biāo)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià),2009年1月10日-2009年10月13日僅用葉綠素和總磷進(jìn)行評(píng)價(jià),2009年10月13日-2010年3月4日開(kāi)始用葉綠素a、總磷、總氮進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　葉綠素和總磷的判斷矩陣為:

　　相應(yīng)權(quán)向量為W=(0.6753,0.3247)

　　而初期由于只有總磷數(shù)據(jù)因此沒(méi)有必要進(jìn)行判斷矩陣構(gòu)建,僅考慮總磷指標(biāo)作為最后的綜合指標(biāo)。

　　用TSIc的公式計(jì)算得到各單項(xiàng)指標(biāo)每個(gè)時(shí)刻評(píng)價(jià)值,按照權(quán)重進(jìn)行綜合得到每個(gè)時(shí)刻水庫(kù)的TSI綜合評(píng)價(jià)值,日總評(píng)價(jià)值通過(guò)時(shí)刻TSI綜合評(píng)價(jià)值累積后取平均值得到,月綜合評(píng)價(jià)值通過(guò)日綜合評(píng)價(jià)值值累積后取平均值得到。綜合值按以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)湖泊水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)作評(píng)價(jià):<30貧營(yíng)養(yǎng);30―50中營(yíng)養(yǎng);50―70富營(yíng)養(yǎng);>70超富營(yíng)養(yǎng)。

　　3 研究結(jié)果

　　3.1 富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)的日變化

　　根據(jù)水體富營(yíng)養(yǎng)化TSIC計(jì)算方法,計(jì)算得到總磷(mg/L)、總氮(mg/L)、葉綠素(ug/l)的三個(gè)單指標(biāo)TSIC日值以及總評(píng)估(綜合評(píng)估)的TSIC值。

　　3.1.1 TSIC(Chla)日變化

　　如圖1所示。

　　從數(shù)據(jù)序列來(lái)看TSIC(Chla)平均值為46.6256,最大值68.7595,最小值19.3683,標(biāo)準(zhǔn)差為6.2475,變異系數(shù)13.399。大部分時(shí)間其值圍繞平均值波動(dòng),無(wú)較大起伏,從平均數(shù)值來(lái)看,該水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

　　3.1.2 TSIC(TP)日變化

　　如圖2所示。

　　從數(shù)據(jù)序列來(lái)看TSIC(TP)平均值為36.5547,最大值68.7166,最小值4.5523,標(biāo)準(zhǔn)差為9.1032,變異系數(shù)24.9029。大部分時(shí)間其波動(dòng)較TSIC(Chla)大,其值圍繞平均值波動(dòng),起伏較大,從平均數(shù)值來(lái)看,該水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。這也說(shuō)明該值受到內(nèi)外磷源的綜合影響,且易發(fā)生變動(dòng)。

　　3.1.3 TSIC(TN)日變化

　　如圖3所示。

　　從數(shù)據(jù)序列來(lái)看TSIC(TN)平均值為44.3616,最大值55.5319,最小值0.5449,標(biāo)準(zhǔn)差為7.2666,變異系數(shù)16.3805。大部分時(shí)間其波動(dòng)較TSIC(Chla)大,但較TSIC(TP)小,其值圍繞平均值波動(dòng),起伏相對(duì)較小,從平均數(shù)值來(lái)看,該水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

　　3.1.4 TSIC(總)日變化

　　如圖4所示。

　　從數(shù)據(jù)序列來(lái)看TSIC(總)平均值為43.3894,最大值61.3984,最小值18.0464,標(biāo)準(zhǔn)差為5.5001,變異系數(shù)12.6762。其波動(dòng)較前三者均小,其值圍繞平均值波動(dòng),起伏最小,從平均數(shù)值來(lái)看,該水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。由于這個(gè)指標(biāo)是綜合性指標(biāo),因此,整體上來(lái)看,其較前3個(gè)指標(biāo)穩(wěn)定,對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的綜合表現(xiàn)能力更好。

　　3.2 富營(yíng)養(yǎng)化總(綜合)指標(biāo)的月變化

　　如圖5所示。

　　從數(shù)據(jù)序列來(lái)看TSIC(總)平均值為43.3894,最大值48.8630,最小值36.0952,標(biāo)準(zhǔn)差為3.4617,變異系數(shù)7.9782。其波動(dòng)較前面核算的日均值小,其值圍繞平均值波動(dòng),起伏小,從平均數(shù)值來(lái)看,該水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),接近富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

　　3.3 藻青蛋白富營(yíng)養(yǎng)化單項(xiàng)指標(biāo)的探研

　　葉綠素a是藻類(lèi)生物量的綜合指標(biāo),而藻藍(lán)素(也稱(chēng)藻青蛋白)是藍(lán)藻所特有的一種色素,其特征性的光譜吸收峰和熒光發(fā)射峰可以被用來(lái)作為對(duì)藍(lán)藻進(jìn)行檢測(cè)的指標(biāo)[ ]。藻藍(lán)素在620nm附近存在一個(gè)明顯的吸收峰。因此本研究試圖用藻青蛋白單項(xiàng)指標(biāo)來(lái)擬合出富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),表征水體藍(lán)藻數(shù)量?？紤]到藻青蛋白其值日變化不大,故將其每日各時(shí)刻平均值作為日值,并構(gòu)建其與TSIC(總)日值間的關(guān)系。通過(guò)不斷嘗試,發(fā)現(xiàn)在整個(gè)數(shù)據(jù)2009年1月至2010年3月期間兩者之間不存在明顯的線性關(guān)系,利用2010年1月份到3月份的數(shù)據(jù)可以得到存在相對(duì)較好的對(duì)數(shù)關(guān)系,如圖6,7所示:

　　4 結(jié)論與建議

　　從研究結(jié)果來(lái)看,通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)綜合后可以詳盡的表征水庫(kù)水質(zhì)在短時(shí)間尺度下的變化過(guò)程,有助于掌握水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程,并為防治提供依據(jù)。通過(guò)對(duì)日綜合數(shù)據(jù)分析表明,該水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。月綜合評(píng)價(jià)值通過(guò)日綜合評(píng)價(jià)值值累積后取平均值得到,其波動(dòng)較前面核算的日均值小,其值圍繞平均值波動(dòng),起伏小,從平均數(shù)值來(lái)看,該水庫(kù)處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),接近富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。構(gòu)建藻青蛋白日值與TSIC(總)日值間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在整個(gè)數(shù)據(jù)2009年1月至2010年3月期間兩者之間不存在明顯的線性關(guān)系,利用2010年1月份到3月份的數(shù)據(jù)可以得到存在相對(duì)較好的對(duì)數(shù)關(guān)系。

　　通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)看,近年來(lái)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況沒(méi)有得到明顯改善,從飲用水源保護(hù)的角度考慮,可在現(xiàn)有山仔水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和小型氣象站,應(yīng)籌措資金在其下游塘坂水庫(kù)(福州市二水源取水口)建立一個(gè)新的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站與氣象站,實(shí)現(xiàn)兩站聯(lián)動(dòng),同時(shí)輔助人工觀察和監(jiān)測(cè),做好局部氣象資料的收集和分析工作進(jìn)一步探討局地小氣候與藻類(lèi)水華發(fā)生機(jī)制之間的關(guān)系[8-9]。在此基礎(chǔ)上逐步建立山仔水庫(kù)針對(duì)藍(lán)藻水花的應(yīng)急反應(yīng)體系,做好水源地富營(yíng)養(yǎng)化防治和預(yù)警工作,保障給水安全。

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