福州山仔水庫水質(zhì)自動(dòng)站監測數據動(dòng)態(tài)分析與應用

來(lái)源：http://thesierramadre.com/ 作者：余氯檢測儀 時(shí)間：2019-10-14

　　[摘 要]論文通過(guò)對福州山仔水庫自動(dòng)監測站2008年12月18日-2010年3月4日水質(zhì)監測數據的全面調查分析,結合監測數據提取表征水體富營(yíng)養化狀態(tài)(TSI)的綜合參數,研究水庫富營(yíng)養化的變化趨勢。研究得到的TSI日均值分析表明,該水庫整體處于中營(yíng)養狀態(tài),局部時(shí)間處于富營(yíng)養化狀態(tài);月綜合評價(jià)值波動(dòng)較前面核算的日均值小,從數值可以判斷該水庫處于中營(yíng)養狀態(tài),接近富營(yíng)養化狀態(tài)。構建藻青蛋白日值與TSIC(總)日值間的關(guān)系,發(fā)現2010年1月份到3月份的數據存在較好的對數關(guān)系。研究通過(guò)對山仔水庫自動(dòng)監測站長(cháng)期監測數據進(jìn)行數據挖掘,提出了數據分析的一般流程,為監測和評估保護山仔水庫水質(zhì)提供可靠的技術(shù)支持。

　　[關(guān)鍵詞]山仔水庫富營(yíng)養化數據挖掘水質(zhì)

　　我國水質(zhì)自動(dòng)監測站建設始于2000年,至2010年初,環(huán)境保護部已在我國重要河流的干支流、重要支流匯入口及河流入?？?、重要湖庫湖體及環(huán)湖河流、國界河流及出入境河流、重大水利工程項目等斷面上建設了100個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監測站,監控包括七大水系在內的63條河流,13座湖庫的水質(zhì)狀況[1]。通過(guò)實(shí)施地表水水質(zhì)的自動(dòng)監測,可以實(shí)現水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續監測和遠程監控,及時(shí)掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的水質(zhì)狀況,預警預報重大或流域性水質(zhì)污染事故,解決跨行政區域的水污染事故糾紛,監督總量控制制度落實(shí)情況。我國近年來(lái)在重點(diǎn)流域和監測斷面建立的大量自動(dòng)監測站獲得了大量長(cháng)期數據,但是由于種種原因,這些監測數據的知識挖掘工作并沒(méi)有展開(kāi),自動(dòng)監測站的數據分析尚不夠深入,大量研究?jì)H依靠離散的監測數據得到結果[2-4],僅有少數模型研究涉及連續數據分析[5],數據挖掘的能力尚不能滿(mǎn)足流域環(huán)境管理的需求,因此本文試圖從山仔水庫水質(zhì)自動(dòng)監測站的若干年監測數據中發(fā)現水庫水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的規律,為科學(xué)和合理地利用監測數據提供一種新途徑并積極探索自動(dòng)監測站水質(zhì)數據在環(huán)境管理和規劃中應用,從而為開(kāi)展流域環(huán)境分析與管理,水質(zhì)動(dòng)態(tài)評價(jià)方法和模型及應用,水生態(tài)系統的健康狀況評價(jià),流域非點(diǎn)源污染調查與評價(jià)等工作或研究項目提供技術(shù)支持。

　　1 敖江山仔水庫及水質(zhì)監測自動(dòng)站概況

　　敖江是福建省第六大河流,河長(cháng)137 km,多年平均逕流量30.4億m3,河道坡降2.6‰,流域面積2655km2,占全省國土面積的2.16%。山仔水庫位于敖江中游連江縣境內西北部虎頭西坡底河谷中。地理坐標北緯26°17′51″,東經(jīng)119°21′35″,水面面積達6.734 km2 。水庫是敖江域梯級開(kāi)發(fā)的第三級水利水電項目,1992年8月建設,1994年11月蓄水發(fā)電,多年平均流量為88.7m3/s。山仔水庫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,導致其在部分時(shí)間出現富營(yíng)養化現象,對福州第二水源供水工程形成一定的影響。為了更好的對山仔水庫水質(zhì)進(jìn)行連續監測,福州市環(huán)境監測站于2005年6月開(kāi)始建立了山仔水庫水質(zhì)自動(dòng)監測站,該站建立在福州市連江縣小滄鄉的鹿島山莊內,主要由水質(zhì)自動(dòng)監測儀器、提水系統與配水系統和控制與傳輸3部分設備構成,主要的儀器有德國WTW的IQ Sensor Net 在線(xiàn)五參數分析儀和豐臨科技AG-TP07總磷分析儀。五參數為水溫、電導率、濁度、溶解氧、pH。監測站后期還增加了藻青蛋白探頭和總氮探頭。自動(dòng)監測站的數據基本是以每隔兩個(gè)小時(shí)取得一次,因此其采樣一天可以取得12組數據,每組數據本文稱(chēng)為時(shí)刻值。

　　2 研究方法

　　有關(guān)湖庫營(yíng)養化的評價(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)者將國內外所采用的評價(jià)方法歸納為如下6種類(lèi)型:(1)特征法;(2)參數法;(3)生物指標評價(jià)法;(4)磷收支模型法;(5)營(yíng)養狀態(tài)指數;(6)數學(xué)分析法[6]。湖庫營(yíng)養狀態(tài)指數評價(jià)中采用的營(yíng)養狀態(tài)指數法(TSI法)將湖泊營(yíng)養狀態(tài)的貧營(yíng)養至富營(yíng)養連續劃分為0-100的連續數值,操作簡(jiǎn)單,可比性強。本文考慮到自動(dòng)監測站數據的類(lèi)型,認為采用營(yíng)養狀態(tài)指數可以把長(cháng)期監測數據利用起來(lái),達到綜合評估的目的。目前常用的TSI有三種指數,(1)Carlson指數(美國);(2) Aizaki指數(日本);(3)李祚泳指數(中國);三種營(yíng)養指數評價(jià)方法是基本原理一致,如果要與國際上的湖泊相比較,采用卡爾森的TSI指數或相崎守弘修正的TSIm指數較為合適;與國內其他湖泊水庫比較,更實(shí)際地評價(jià)國內的營(yíng)養狀態(tài),用李祚泳修正的TSIc指數更為合適。本文采用李祚泳修正的TSIc指數應用于山仔水庫自動(dòng)監測站的資料,對山仔水庫的營(yíng)養狀況進(jìn)行評價(jià)。論文中用到的自動(dòng)監測站數據主要包括水體中葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN),其計算公式如下[7]:

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

　　相應權向量為W=(0.6817,0.2158,0.1025),其中,,,,具有滿(mǎn)意的一致性。

　　在早期建設過(guò)程中,該監測站點(diǎn)沒(méi)有設置葉綠素和總氮監測指標,因此在2008年12月18日-2009年1月10日僅用總磷指標進(jìn)行富營(yíng)養化評價(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)行評價(jià)。

　　葉綠素和總磷的判斷矩陣為:

　　相應權向量為W=(0.6753,0.3247)

　　而初期由于只有總磷數據因此沒(méi)有必要進(jìn)行判斷矩陣構建,僅考慮總磷指標作為最后的綜合指標。

　　用TSIc的公式計算得到各單項指標每個(gè)時(shí)刻評價(jià)值,按照權重進(jìn)行綜合得到每個(gè)時(shí)刻水庫的TSI綜合評價(jià)值,日總評價(jià)值通過(guò)時(shí)刻TSI綜合評價(jià)值累積后取平均值得到,月綜合評價(jià)值通過(guò)日綜合評價(jià)值值累積后取平均值得到。綜合值按以下標準對湖泊水體的營(yíng)養狀態(tài)作評價(jià):<30貧營(yíng)養;30―50中營(yíng)養;50―70富營(yíng)養;>70超富營(yíng)養。

　　3 研究結果

　　3.1 富營(yíng)養化指標的日變化

　　根據水體富營(yíng)養化TSIC計算方法,計算得到總磷(mg/L)、總氮(mg/L)、葉綠素(ug/l)的三個(gè)單指標TSIC日值以及總評估(綜合評估)的TSIC值。

　　3.1.1 TSIC(Chla)日變化

　　如圖1所示。

　　從數據序列來(lái)看TSIC(Chla)平均值為46.6256,最大值68.7595,最小值19.3683,標準差為6.2475,變異系數13.399。大部分時(shí)間其值圍繞平均值波動(dòng),無(wú)較大起伏,從平均數值來(lái)看,該水庫處于中營(yíng)養狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養化狀態(tài)。

　　3.1.2 TSIC(TP)日變化

　　如圖2所示。

　　從數據序列來(lái)看TSIC(TP)平均值為36.5547,最大值68.7166,最小值4.5523,標準差為9.1032,變異系數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,從平均數值來(lái)看,該水庫處于中營(yíng)養狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養化狀態(tài)。這也說(shuō)明該值受到內外磷源的綜合影響,且易發(fā)生變動(dòng)。

　　3.1.3 TSIC(TN)日變化

　　如圖3所示。

　　從數據序列來(lái)看TSIC(TN)平均值為44.3616,最大值55.5319,最小值0.5449,標準差為7.2666,變異系數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),起伏相對較小,從平均數值來(lái)看,該水庫處于中營(yíng)養狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養化狀態(tài)。

　　3.1.4 TSIC(總)日變化

　　如圖4所示。

　　從數據序列來(lái)看TSIC(總)平均值為43.3894,最大值61.3984,最小值18.0464,標準差為5.5001,變異系數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,從平均數值來(lái)看,該水庫處于中營(yíng)養狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養化狀態(tài)。由于這個(gè)指標是綜合性指標,因此,整體上來(lái)看,其較前3個(gè)指標穩定,對富營(yíng)養化的綜合表現能力更好。

　　3.2 富營(yíng)養化總(綜合)指標的月變化

　　如圖5所示。

　　從數據序列來(lái)看TSIC(總)平均值為43.3894,最大值48.8630,最小值36.0952,標準差為3.4617,變異系數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,從平均數值來(lái)看,該水庫處于中營(yíng)養狀態(tài),接近富營(yíng)養化狀態(tài)。

　　3.3 藻青蛋白富營(yíng)養化單項指標的探研

　　葉綠素a是藻類(lèi)生物量的綜合指標,而藻藍素(也稱(chēng)藻青蛋白)是藍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)作為對藍藻進(jìn)行檢測的指標[ ]。藻藍素在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指標來(lái)擬合出富營(yíng)養化狀態(tài),表征水體藍藻數量?？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,并構建其與TSIC(總)日值間的關(guān)系。通過(guò)不斷嘗試,發(fā)現在整個(gè)數據2009年1月至2010年3月期間兩者之間不存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系,利用2010年1月份到3月份的數據可以得到存在相對較好的對數關(guān)系,如圖6,7所示:

　　4 結論與建議

　　從研究結果來(lái)看,通過(guò)自動(dòng)監測站獲得的數據經(jīng)綜合后可以詳盡的表征水庫水質(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)養化的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程,并為防治提供依據。通過(guò)對日綜合數據分析表明,該水庫處于中營(yíng)養狀態(tài),局部時(shí)間屬于富營(yíng)養化狀態(tài)。月綜合評價(jià)值通過(guò)日綜合評價(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,從平均數值來(lái)看,該水庫處于中營(yíng)養狀態(tài),接近富營(yíng)養化狀態(tài)。構建藻青蛋白日值與TSIC(總)日值間的關(guān)系,發(fā)現在整個(gè)數據2009年1月至2010年3月期間兩者之間不存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系,利用2010年1月份到3月份的數據可以得到存在相對較好的對數關(guān)系。

　　通過(guò)數據分析來(lái)看,近年來(lái)水庫富營(yíng)養化狀況沒(méi)有得到明顯改善,從飲用水源保護的角度考慮,可在現有山仔水庫自動(dòng)監測站的基礎上進(jìn)一步增加自動(dòng)監測站點(diǎn)和小型氣象站,應籌措資金在其下游塘坂水庫(福州市二水源取水口)建立一個(gè)新的自動(dòng)監測站與氣象站,實(shí)現兩站聯(lián)動(dòng),同時(shí)輔助人工觀(guān)察和監測,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)生機制之間的關(guān)系[8-9]。在此基礎上逐步建立山仔水庫針對藍藻水花的應急反應體系,做好水源地富營(yíng)養化防治和預警工作,保障給水安全。

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