物元分析法在水质监测优化布点中的应用

曹 毅

(宿迁市环境监测中心站，江苏 宿迁 223800)

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物元分析法在水质监测优化布点中的应用

曹 毅

(宿迁市环境监测中心站，江苏 宿迁 223800)

物元分析法是处理不相容问题的一种有效方法。以竺山湾2010年7月水质监测数据为例，利用物元分析法分析太湖竺山湾水质监测点位分布情况，并将分析结果与系统聚类法的分析结果相比较，发现物元分析法的分析结果是准确、可信的。综合使用物元分析法和系统聚类法，最终确定水质监测点位可由14个优化至11个。

水质监测;物元分析法;优化布点

环境监测布点通常涉及多项污染指标，且各单项指标优选出的点位往往是不相容的。物元分析法是处理不相容问题的一种有效方法［1，2］，可用于解决环境监测中多指标优化布点的问题［3-7］。合理设置的水环境监测点位不但能够节约大量的人力、物力、财力，而且能够使监测数据更为准确、有效。

1 材料与方法

1.1 样品采集及处理

竺山湾位于太湖常州水域(120°00′E—120°05′E，31°20′E—31°28′N)，面积约 88 km2，约占整个太湖总面积的4%，平均水深约2 m，多条入湖河道由此入湖，是太湖暴发蓝藻水华频率最大的湖湾之一［8］。竺山湾水环境质量状况直接影响整个太湖的水环境质量。

7月是太湖蓝藻水华最严重的时期，选择7月水质监测数据来优化竺山湾水质监测点位，共设置监测点位14个，按照其相对位置，可分为5个区域(表1)。每周一现场采样并带回实验室分析，现场操作严格按照《水质采样技术指导》完成［9］。

1.2 分析项目和方法

水样的高锰酸盐指数(CODMn)采用酸性法测定，总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法，总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，氨氮(NH3-N)采用纳氏试剂比色法，14个点位共取得4批次224个水质监测数据，各点位监测数据月平均值如表1所示。

表1 2010年7月竺山湾水质监测平均值统计结果mg/L

续表

1.3 数据统计

1.3.1 物元分析法

通过建立各点位物元分析模型和节域分析模型，计算各点位的线性关联函数值和综合关联函数值，根据计算结果绘制点聚图，根据图中点位分布和实际情况，确定优化的点位［2］。

1.3.1.1 建立各点位的物元分析模型

比较全部监测点位的污染指标，选出每项指标的最佳值A、最劣值B及期望值C，4项指标的最大值(最劣值)、最小值(最佳值)及平均值(期望值)，用每项指标的最佳值A、最劣值B及期望值C构造2个标准物元矩阵:

由2个标准物元矩阵构成节域物元矩阵;每个测点作为一个物元，由全部污染指标测值构成各点位物元矩阵:

式中:a1，a2，…am——各指标的最佳值;b1，b2，…bm——各指标的最劣值;c1，c2，…cm——各指标的期望值;Q1，Q2…Qm——各项指标;Xi1，Xi2…Xim——i测点 m 指标的监测值;i=1，2，3，…n;j=1，2，3，…m。

1.3.1.2 计算各点位综合关联函数

将表1中数据代入式(5)、(6)，分别计算各点位污染指标的对标准物元A、B的线性关联函数:

式中:Xij——第 i个测点第 j项指标测值;Cj——第 j项指标期望值;Aj——第 j项指标最小值(最佳值);Bj——第j项指标最大值(最劣值)。

关联函数值的大小表示测点符合标准物元的程度，意义见表2。

表2 关联函数的意义

由以上结果计算出全部污染指标对A、B的综合关联函数:

式中:Wj——j污染指标的权值。

采用地表水环境质量标准的指数超标法计算［10］，得到各项污染指标归一化权值如表3所示。

表3 地表水污染指数分级标准及归一化权值

其中，Sj为5级标准的均值，Xj/Sj为指数超标法计算的权值，Xj为第j种污染物所有测点的均值，Wj为第j种污染物的归一化权值。

将Wj值代入(7)、(8)式，计算出各采样点的综合关联函数的值见表4。条件最差的点。

表4 综合关联函数的值

图1 14个点的Ka和Kb

1.3.2 系统聚类法

利用SPSS 17.0系统聚类法对表1中数据进行聚类分析，利用组间连接的方法，以欧式距离为判断点位间关系的依据［11］，从距离上看，可将点位分为9类，见图2。

图2 聚类分析树状图

1.3.1.3 绘制点聚图

根据表中的数据，结合关联函数的含义，以Ka(Xi)为横坐标，Kb(Xi)为纵坐标，画出点聚图(图1)。

根据综合关联函数的含义，可以发现14个点位都分布在第二、第四两个象限内。在第二象限中的点Ka＞0，符合最佳点条件，其中，以11号点符合程度最好;靠近坐标中心的点在一定条件下可以向第三、第四象限转化，当条件变化时，是最易发生变化的点;在第四象限中的点Kb＞0，符合最劣点条件，以4号点和2号点最为符合，是点位中相对

2 结果与讨论

物元分析法和聚类分析法结果比较见表5。

表5 物元分析法和聚类分析法结果比较

物元分析法将各点位进行优选至10个，与聚类分析法优选至9个点位进行比较，见表5。从物元分析法与聚类分析法优选出的结果可以看出:第7、8、13、14 号点是一致的独立点，第 2、4 号点，第3、9号点，第11、12号点，是3组可以优化合并的点，这3组点分别在地理上也是邻近的点位，其他点位2种分类法有着不同的区分，如第10、14号点，第1、6号点，这2组点在地理上是隔开的，因为水质监测的结果相似而归化为一类，不能作为点位优化的依据。

综合考虑物元分析法和聚类分析法的优化结果，得到最优化的水质监测断面。将整个竺山湾点位优化为11个点位，即雅浦港、竺山湖中、田鸡山、大桩头、竺山湖南、旧渎东、田鸡山西、沙塘港、殷村港、百渎港、百渎港南，既可以反映湖区的水环境质量状况，又可以提高监测数据的有效性和代表性，并避免了重复设置带来的经济投入，减少了相应的工作量和经费。

3 结语

根据物元分析法和聚类分析法分析的结果可以看出，物元分析法使用简便，可直接编制程序上机运行，评价结果直观、准确、可靠，其结果与聚类分析法分析的结果近似，可用于水质监测优化布点。但两种方法都有一定的局限性，即两种方法都以计算结果为分类依据(物元分析法以综合关联函数为依据，聚类分析法以欧式距离为依据)，不能反映点位的空间关系与实际情况，在优化点位时还需要根据实际情况具体分析，综合考虑之后最终确定点位的优化方案。

［1］ 蔡文.物元分析［M］.广州:广东高等教育出版社，1987.

［2］ 蔡文.物元模型及其应用［M］.北京:科学技术文献出版社，1994.

［3］ 孙中党，毕雪玲，康莉萍，等.物元分析法在郑州市大气监测优化布点中的应用［J］.河南科学，1999，11(2):194-199.

［4］ 弓晓峰，陈春丽，赵晋，等.鄱阳湖乐安河流域水质监测优化布点［J］.湖泊科学，2006，18(5):545-549.

［5］ 高明惠.用物元分析进行水质环境监测优化布点的研究［J］.环境科学进展，1997，5(3):77-81.

［6］ 朱慧君，于永斌.物元分析法在大气监测优化布点中的应用［J］.云南环境科学，1998，17(4):51-53.

［7］ 高明惠.物元分析在水质营养化评价中的应用［J］.环境科学进展，1995，3(5):43-49.

［8］ 翁建中，李继影，梁柱，等.太湖蓝藻水华时空分布与预警监测响应的分析［J］.环境监控与预警，2010，2(3):1-4.

［9］ 国家环境保护局.HJ 494—2009 水质采样技术指导［S］.

［10］ 国家环境保护局.GB 3838—2002 地表水环境质量标准［S］.

［11］ 米红，张文璋.实用现代统计分析方法及SPSS应用［M］.北京:当代中国出版社，2004.

Application of Matter-element Analysis in Optimized Points Selection of Water-quality Monitoring

CAO Yi
(Suqian Environmental Monitoring Central Station，Suqian，Jiangsu 223800，China)

Matter-element analysis is an effective method to manage incompatible problems.This article took the water-quality monitoring data of Zhushan Bay in July 2010 as example and analyzed the distribution of water quality monitoring point in Zhushan Bay with matter-element analysis and system cluster method.By comparing the results of two method，matter-element analysis method was more accurate and more credible.Combined the matter-element analysis with system cluster method，the distribution of water quality monitoring point was optimized，and the number of water quality monitoring point was reduced from 14 to 11.

water-quality monitoring;matter-element analysis;optimized points selection

X830.1

A

1674-6732(2012)-01-0043-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2012.01.011

2010-11-20

曹毅(1985—)，男，助理工程师，本科，从事蓝藻预警监测工作。

(本栏目编辑 陆敏)