福州山仔水库水质自动站监测数据动态分析与应用

来源:http://www.shuizhifenxi.com/ 作者:余氯检测仪 时间:2019-10-14

  [摘 要]论文通过对福州山仔水库自动监测站2008年12月18日-2010年3月4日水质监测数据的全面调查分析,结合监测数据提取表征水体富营养化状态(TSI)的综合参数,研究水库富营养化的变化趋势。研究得到的TSI日均值分析表明,该水库整体处于中营养状态,局部时间处于富营养化状态;月综合评价值波动较前面核算的日均值小,从数值可以判断该水库处于中营养状态,接近富营养化状态。构建藻青蛋白日值与TSIC(总)日值间的关系,发现2010年1月份到3月份的数据存在较好的对数关系。研究通过对山仔水库自动监测站长期监测数据进行数据挖掘,提出了数据分析的一般流程,为监测和评估保护山仔水库水质提供可靠的技术支持。

  [关键词]山仔水库富营养化数据挖掘水质

  我国水质自动监测站建设始于2000年,至2010年初,环境保护部已在我国重要河流的干支流、重要支流汇入口及河流入海口、重要湖库湖体及环湖河流、国界河流及出入境河流、重大水利工程项目等断面上建设了100个水质自动监测站,监控包括七大水系在内的63条河流,13座湖库的水质状况[1]。通过实施地表水水质的自动监测,可以实现水质的实时连续监测和远程监控,及时掌握主要流域重点断面水体的水质状况,预警预报重大或流域性水质污染事故,解决跨行政区域的水污染事故纠纷,监督总量控制制度落实情况。我国近年来在重点流域和监测断面建立的大量自动监测站获得了大量长期数据,但是由于种种原因,这些监测数据的知识挖掘工作并没有展开,自动监测站的数据分析尚不够深入,大量研究仅依靠离散的监测数据得到结果[2-4],仅有少数模型研究涉及连续数据分析[5],数据挖掘的能力尚不能满足流域环境管理的需求,因此本文试图从山仔水库水质自动监测站的若干年监测数据中发现水库水质动态变化过程的规律,为科学和合理地利用监测数据提供一种新途径并积极探索自动监测站水质数据在环境管理和规划中应用,从而为开展流域环境分析与管理,水质动态评价方法和模型及应用,水生态系统的健康状况评价,流域非点源污染调查与评价等工作或研究项目提供技术支持。

  1 敖江山仔水库及水质监测自动站概况

  敖江是福建省第六大河流,河长137 km,多年平均迳流量30.4亿m3,河道坡降2.6‰,流域面积2655km2,占全省国土面积的2.16%。山仔水库位于敖江中游连江县境内西北部虎头西坡底河谷中。地理坐标北纬26°17′51″,东经119°21′35″,水面面积达6.734 km2 。水库是敖江域梯级开发的第三级水利水电项目,1992年8月建设,1994年11月蓄水发电,多年平均流量为88.7m3/s。山仔水库是福州市的第二水源,由于水动力学及外来污染物累积等因素,导致其在部分时间出现富营养化现象,对福州第二水源供水工程形成一定的影响。为了更好的对山仔水库水质进行连续监测,福州市环境监测站于2005年6月开始建立了山仔水库水质自动监测站,该站建立在福州市连江县小沧乡的鹿岛山庄内,主要由水质自动监测仪器、提水系统与配水系统和控制与传输3部分设备构成,主要的仪器有德国WTW的IQ Sensor Net 在线五参数分析仪和丰临科技AG-TP07总磷分析仪。五参数为水温、电导率、浊度、溶解氧、pH。监测站后期还增加了藻青蛋白探头和总氮探头。自动监测站的数据基本是以每隔两个小时取得一次,因此其采样一天可以取得12组数据,每组数据本文称为时刻值。

  2 研究方法

  有关湖库营养化的评价,多从水质、水生生物以及底质三个方面来进行,蔡庆华等学者将国内外所采用的评价方法归纳为如下6种类型:(1)特征法;(2)参数法;(3)生物指标评价法;(4)磷收支模型法;(5)营养状态指数;(6)数学分析法[6]。湖库营养状态指数评价中采用的营养状态指数法(TSI法)将湖泊营养状态的贫营养至富营养连续划分为0-100的连续数值,操作简单,可比性强。本文考虑到自动监测站数据的类型,认为采用营养状态指数可以把长期监测数据利用起来,达到综合评估的目的。目前常用的TSI有三种指数,(1)Carlson指数(美国);(2) Aizaki指数(日本);(3)李祚泳指数(中国);三种营养指数评价方法是基本原理一致,如果要与国际上的湖泊相比较,采用卡尔森的TSI指数或相崎守弘修正的TSIm指数较为合适;与国内其他湖泊水库比较,更实际地评价国内的营养状态,用李祚泳修正的TSIc指数更为合适。本文采用李祚泳修正的TSIc指数应用于山仔水库自动监测站的资料,对山仔水库的营养状况进行评价。论文中用到的自动监测站数据主要包括水体中叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、总氮(TN),其计算公式如下[7]:

  由于是综合评价,必须进行定权,本文采用层次分析法进行定权[6],建立了叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、总氮(TN)相应判断矩阵为:

  相应权向量为W=(0.6817,0.2158,0.1025),其中,,,,具有满意的一致性。

  在早期建设过程中,该监测站点没有设置叶绿素和总氮监测指标,因此在2008年12月18日-2009年1月10日仅用总磷指标进行富营养化评价,2009年1月10日-2009年10月13日仅用叶绿素和总磷进行评价,2009年10月13日-2010年3月4日开始用叶绿素a、总磷、总氮进行评价。

  叶绿素和总磷的判断矩阵为:

  相应权向量为W=(0.6753,0.3247)

  而初期由于只有总磷数据因此没有必要进行判断矩阵构建,仅考虑总磷指标作为最后的综合指标。

  用TSIc的公式计算得到各单项指标每个时刻评价值,按照权重进行综合得到每个时刻水库的TSI综合评价值,日总评价值通过时刻TSI综合评价值累积后取平均值得到,月综合评价值通过日综合评价值值累积后取平均值得到。综合值按以下标准对湖泊水体的营养状态作评价:<30贫营养;30―50中营养;50―70富营养;>70超富营养。

  3 研究结果

  3.1 富营养化指标的日变化

  根据水体富营养化TSIC计算方法,计算得到总磷(mg/L)、总氮(mg/L)、叶绿素(ug/l)的三个单指标TSIC日值以及总评估(综合评估)的TSIC值。

  3.1.1 TSIC(Chla)日变化

  如图1所示。

  从数据序列来看TSIC(Chla)平均值为46.6256,最大值68.7595,最小值19.3683,标准差为6.2475,变异系数13.399。大部分时间其值围绕平均值波动,无较大起伏,从平均数值来看,该水库处于中营养状态,局部时间属于富营养化状态。

  3.1.2 TSIC(TP)日变化

  如图2所示。

  从数据序列来看TSIC(TP)平均值为36.5547,最大值68.7166,最小值4.5523,标准差为9.1032,变异系数24.9029。大部分时间其波动较TSIC(Chla)大,其值围绕平均值波动,起伏较大,从平均数值来看,该水库处于中营养状态,局部时间属于富营养化状态。这也说明该值受到内外磷源的综合影响,且易发生变动。

  3.1.3 TSIC(TN)日变化

  如图3所示。

  从数据序列来看TSIC(TN)平均值为44.3616,最大值55.5319,最小值0.5449,标准差为7.2666,变异系数16.3805。大部分时间其波动较TSIC(Chla)大,但较TSIC(TP)小,其值围绕平均值波动,起伏相对较小,从平均数值来看,该水库处于中营养状态,局部时间属于富营养化状态。

  3.1.4 TSIC(总)日变化

  如图4所示。

  从数据序列来看TSIC(总)平均值为43.3894,最大值61.3984,最小值18.0464,标准差为5.5001,变异系数12.6762。其波动较前三者均小,其值围绕平均值波动,起伏最小,从平均数值来看,该水库处于中营养状态,局部时间属于富营养化状态。由于这个指标是综合性指标,因此,整体上来看,其较前3个指标稳定,对富营养化的综合表现能力更好。

  3.2 富营养化总(综合)指标的月变化

  如图5所示。

  从数据序列来看TSIC(总)平均值为43.3894,最大值48.8630,最小值36.0952,标准差为3.4617,变异系数7.9782。其波动较前面核算的日均值小,其值围绕平均值波动,起伏小,从平均数值来看,该水库处于中营养状态,接近富营养化状态。

  3.3 藻青蛋白富营养化单项指标的探研

  叶绿素a是藻类生物量的综合指标,而藻蓝素(也称藻青蛋白)是蓝藻所特有的一种色素,其特征性的光谱吸收峰和荧光发射峰可以被用来作为对蓝藻进行检测的指标[ ]。藻蓝素在620nm附近存在一个明显的吸收峰。因此本研究试图用藻青蛋白单项指标来拟合出富营养化状态,表征水体蓝藻数量。考虑到藻青蛋白其值日变化不大,故将其每日各时刻平均值作为日值,并构建其与TSIC(总)日值间的关系。通过不断尝试,发现在整个数据2009年1月至2010年3月期间两者之间不存在明显的线性关系,利用2010年1月份到3月份的数据可以得到存在相对较好的对数关系,如图6,7所示:

  4 结论与建议

  从研究结果来看,通过自动监测站获得的数据经综合后可以详尽的表征水库水质在短时间尺度下的变化过程,有助于掌握水体富营养化的发生和发展过程,并为防治提供依据。通过对日综合数据分析表明,该水库处于中营养状态,局部时间属于富营养化状态。月综合评价值通过日综合评价值值累积后取平均值得到,其波动较前面核算的日均值小,其值围绕平均值波动,起伏小,从平均数值来看,该水库处于中营养状态,接近富营养化状态。构建藻青蛋白日值与TSIC(总)日值间的关系,发现在整个数据2009年1月至2010年3月期间两者之间不存在明显的线性关系,利用2010年1月份到3月份的数据可以得到存在相对较好的对数关系。

  通过数据分析来看,近年来水库富营养化状况没有得到明显改善,从饮用水源保护的角度考虑,可在现有山仔水库自动监测站的基础上进一步增加自动监测站点和小型气象站,应筹措资金在其下游塘坂水库(福州市二水源取水口)建立一个新的自动监测站与气象站,实现两站联动,同时辅助人工观察和监测,做好局部气象资料的收集和分析工作进一步探讨局地小气候与藻类水华发生机制之间的关系[8-9]。在此基础上逐步建立山仔水库针对蓝藻水花的应急反应体系,做好水源地富营养化防治和预警工作,保障给水安全。

  [参考文献]

  [1] 李怡庭.全国水质监测规划概述[J]. 中国水利,2003,B刊:11-13.

  [2] 周亮进,由文辉.福建省山仔水库富营养化特征[J].水资源保护,2008,24(2):26-29.

  [3] 翁笑艳.山仔水库叶绿素a与环境因子的相关分析及富营养化评价[J].干旱环境监测,2006,20(2):73-78.

  [4] 刘用凯.山仔水库水质富营养化防治对策[J].福建环境,2001,18(1):13-14.

  [5] 吴立根,张江山,陈盛.灰色聚类法评价山仔水库富营养类型[J].环境科学与管理, 2007,32(4):190-192.

  [6] 庄丽榕,潘文斌,魏玉珍.CE-QUAL-W2模型在福建山仔水库的应用[J]. 湖泊科学,2008,20(5):630-638.

  [7] 蔡庆华.湖泊富营养化综合评价方法[J].湖泊科学,1993,9(1):2-3.

  [8] 李祚泳.张辉军.我国若干湖泊水库的营养状态指数TSIc及其与各参数的关系[J].环境科学学报,1993,13(4):391- 397.

  [9] 苏玉萍,陈娜蓉,曾招平,等.环境因子对福建省山仔水库浮游植物优势种水华微囊藻(Microcystis flos-aquae)生长的影响[J].植物资源与环境学报,2005,14(3):42-47.

  [10]黄详飞,陈伟民,蔡启铭.湖泊生态调查观测与分析[M].北京:中国标准出版社,1999.

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