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            福州山仔水庫水質自動站監測數據動態分析與應用

            來源:http://www.madelainejordan.com/ 作者:余氯檢測儀 時間:2019-10-14

              [摘 要]論文通過對福州山仔水庫自動監測站2008年12月18日-2010年3月4日水質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養化狀態(TSI)的綜合參數,研究水庫富營養化的變化趨勢。研究得到的TSI日均值分析表明,該水庫整體處于中營養狀態,局部時間處于富營養化狀態;月綜合評價值波動較前面核算的日均值小,從數值可以判斷該水庫處于中營養狀態,接近富營養化狀態。構建藻青蛋白日值與TSIC(總)日值間的關系,發現2010年1月份到3月份的數據存在較好的對數關系。研究通過對山仔水庫自動監測站長期監測數據進行數據挖掘,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提供可靠的技術支持。

              [關鍵詞]山仔水庫富營養化數據挖掘水質

              我國水質自動監測站建設始于2000年,至2010年初,環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個水質自動監測站,監控包括七大水系在內的63條河流,13座湖庫的水質狀況[1]。通過實施地表水水質的自動監測,可以實現水質的實時連續監測和遠程監控,及時掌握主要流域重點斷面水體的水質狀況,預警預報重大或流域性水質污染事故,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情況。我國近年來在重點流域和監測斷面建立的大量自動監測站獲得了大量長期數據,但是由于種種原因,這些監測數據的知識挖掘工作并沒有展開,自動監測站的數據分析尚不夠深入,大量研究僅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足流域環境管理的需求,因此本文試圖從山仔水庫水質自動監測站的若干年監測數據中發現水庫水質動態變化過程的規律,為科學和合理地利用監測數據提供一種新途徑并積極探索自動監測站水質數據在環境管理和規劃中應用,從而為開展流域環境分析與管理,水質動態評價方法和模型及應用,水生態系統的健康狀況評價,流域非點源污染調查與評價等工作或研究項目提供技術支持。

              1 敖江山仔水庫及水質監測自動站概況

              敖江是福建省第六大河流,河長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119°21′35″,水面面積達6.734 km2 。水庫是敖江域梯級開發的第三級水利水電項目,1992年8月建設,1994年11月蓄水發電,多年平均流量為88.7m3/s。山仔水庫是福州市的第二水源,由于水動力學及外來污染物累積等因素,導致其在部分時間出現富營養化現象,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進行連續監測,福州市環境監測站于2005年6月開始建立了山仔水庫水質自動監測站,該站建立在福州市連江縣小滄鄉的鹿島山莊內,主要由水質自動監測儀器、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。自動監測站的數據基本是以每隔兩個小時取得一次,因此其采樣一天可以取得12組數據,每組數據本文稱為時刻值。

              2 研究方法

              有關湖庫營養化的評價,多從水質、水生生物以及底質三個方面來進行,蔡慶華等學者將國內外所采用的評價方法歸納為如下6種類型:(1)特征法;(2)參數法;(3)生物指標評價法;(4)磷收支模型法;(5)營養狀態指數;(6)數學分析法[6]。湖庫營養狀態指數評價中采用的營養狀態指數法(TSI法)將湖泊營養狀態的貧營養至富營養連續劃分為0-100的連續數值,操作簡單,可比性強。本文考慮到自動監測站數據的類型,認為采用營養狀態指數可以把長期監測數據利用起來,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);三種營養指數評價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,更實際地評價國內的營養狀態,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監測站的資料,對山仔水庫的營養狀況進行評價。論文中用到的自動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,必須進行定權,本文采用層次分析法進行定權[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,,,,具有滿意的一致性。

              在早期建設過程中,該監測站點沒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日僅用總磷指標進行富營養化評價,2009年1月10日-2009年10月13日僅用葉綠素和總磷進行評價,2009年10月13日-2010年3月4日開始用葉綠素a、總磷、總氮進行評價。

              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有必要進行判斷矩陣構建,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時刻評價值,按照權重進行綜合得到每個時刻水庫的TSI綜合評價值,日總評價值通過時刻TSI綜合評價值累積后取平均值得到,月綜合評價值通過日綜合評價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養狀態作評價:<30貧營養;30―50中營養;50―70富營養;>70超富營養。

              3 研究結果

              3.1 富營養化指標的日變化

              根據水體富營養化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。大部分時間其值圍繞平均值波動,無較大起伏,從平均數值來看,該水庫處于中營養狀態,局部時間屬于富營養化狀態。

              3.1.2 TSIC(TP)日變化

              如圖2所示。

              從數據序列來看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。大部分時間其波動較TSIC(Chla)大,其值圍繞平均值波動,起伏較大,從平均數值來看,該水庫處于中營養狀態,局部時間屬于富營養化狀態。這也說明該值受到內外磷源的綜合影響,且易發生變動。

              3.1.3 TSIC(TN)日變化

              如圖3所示。

              從數據序列來看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。大部分時間其波動較TSIC(Chla)大,但較TSIC(TP)小,其值圍繞平均值波動,起伏相對較小,從平均數值來看,該水庫處于中營養狀態,局部時間屬于富營養化狀態。

              3.1.4 TSIC(總)日變化

              如圖4所示。

              從數據序列來看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。其波動較前三者均小,其值圍繞平均值波動,起伏最小,從平均數值來看,該水庫處于中營養狀態,局部時間屬于富營養化狀態。由于這個指標是綜合性指標,因此,整體上來看,其較前3個指標穩定,對富營養化的綜合表現能力更好。

              3.2 富營養化總(綜合)指標的月變化

              如圖5所示。

              從數據序列來看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。其波動較前面核算的日均值小,其值圍繞平均值波動,起伏小,從平均數值來看,該水庫處于中營養狀態,接近富營養化狀態。

              3.3 藻青蛋白富營養化單項指標的探研

              葉綠素a是藻類生物量的綜合指標,而藻藍素(也稱藻青蛋白)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射峰可以被用來作為對藍藻進行檢測的指標[ ]。藻藍素在620nm附近存在一個明顯的吸收峰。因此本研究試圖用藻青蛋白單項指標來擬合出富營養化狀態,表征水體藍藻數量??紤]到藻青蛋白其值日變化不大,故將其每日各時刻平均值作為日值,并構建其與TSIC(總)日值間的關系。通過不斷嘗試,發現在整個數據2009年1月至2010年3月期間兩者之間不存在明顯的線性關系,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系,如圖6,7所示:

              4 結論與建議

              從研究結果來看,通過自動監測站獲得的數據經綜合后可以詳盡的表征水庫水質在短時間尺度下的變化過程,有助于掌握水體富營養化的發生和發展過程,并為防治提供依據。通過對日綜合數據分析表明,該水庫處于中營養狀態,局部時間屬于富營養化狀態。月綜合評價值通過日綜合評價值值累積后取平均值得到,其波動較前面核算的日均值小,其值圍繞平均值波動,起伏小,從平均數值來看,該水庫處于中營養狀態,接近富營養化狀態。構建藻青蛋白日值與TSIC(總)日值間的關系,發現在整個數據2009年1月至2010年3月期間兩者之間不存在明顯的線性關系,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系。

              通過數據分析來看,近年來水庫富營養化狀況沒有得到明顯改善,從飲用水源保護的角度考慮,可在現有山仔水庫自動監測站的基礎上進一步增加自動監測站點和小型氣象站,應籌措資金在其下游塘坂水庫(福州市二水源取水口)建立一個新的自動監測站與氣象站,實現兩站聯動,同時輔助人工觀察和監測,做好局部氣象資料的收集和分析工作進一步探討局地小氣候與藻類水華發生機制之間的關系[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,做好水源地富營養化防治和預警工作,保障給水安全。

              [參考文獻]

              [1] 李怡庭.全國水質監測規劃概述[J]. 中國水利,2003,B刊:11-13.

              [2] 周亮進,由文輝.福建省山仔水庫富營養化特征[J].水資源保護,2008,24(2):26-29.

              [3] 翁笑艷.山仔水庫葉綠素a與環境因子的相關分析及富營養化評價[J].干旱環境監測,2006,20(2):73-78.

              [4] 劉用凱.山仔水庫水質富營養化防治對策[J].福建環境,2001,18(1):13-14.

              [5] 吳立根,張江山,陳盛.灰色聚類法評價山仔水庫富營養類型[J].環境科學與管理, 2007,32(4):190-192.

              [6] 莊麗榕,潘文斌,魏玉珍.CE-QUAL-W2模型在福建山仔水庫的應用[J]. 湖泊科學,2008,20(5):630-638.

              [7] 蔡慶華.湖泊富營養化綜合評價方法[J].湖泊科學,1993,9(1):2-3.

              [8] 李祚泳.張輝軍.我國若干湖泊水庫的營養狀態指數TSIc及其與各參數的關系[J].環境科學學報,1993,13(4):391- 397.

              [9] 蘇玉萍,陳娜蓉,曾招平,等.環境因子對福建省山仔水庫浮游植物優勢種水華微囊藻(Microcystis flos-aquae)生長的影響[J].植物資源與環境學報,2005,14(3):42-47.

              [10]黃詳飛,陳偉民,蔡啟銘.湖泊生態調查觀測與分析[M].北京:中國標準出版社,1999.

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