基于灰色關(guān)聯(lián)度法的河北段河流水質(zhì)演化分析

基于灰色關(guān)聯(lián)度法的河北段河流水質(zhì)演化分析

官方供水庫是北京的兩個重要水源之一。1997年，它被污染退出了首都飲用水供水系統(tǒng)。近年來，對水庫的水質(zhì)量進(jìn)行了大量研究。陽河來自內(nèi)蒙古興和縣和山西省陽高縣，與懷安縣柴溝堡附近的河流相連，流經(jīng)宣化、下花園等地，進(jìn)入官方供水庫。這是官方供水庫的一個重要補(bǔ)充水源。河口河的西北部分布著鋼鐵、熱能、制藥、印刷、造船等產(chǎn)業(yè)。是張家口市重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心。河流流域內(nèi)的大量廢水和生活污水是政府湖水可持續(xù)污染和管理緩慢的主要原因。本研究采用2009年流域的實(shí)地調(diào)查結(jié)果，結(jié)合張家口市環(huán)境秘書處1992年至張家口市的水分監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇11種經(jīng)典污染因子，采用單因子評價、綜合污染指數(shù)評價和灰色度聯(lián)合評價的方法，分析河流污染，結(jié)合河道降水和土地利用類型的變化，研究楊河流域17年的水質(zhì)發(fā)展趨勢和驅(qū)動因素，為楊河流域的科學(xué)治理提供依據(jù)。1材料和方法1.1相關(guān)數(shù)據(jù)分析本研究于2009年對洋河流域張家口段進(jìn)行了水環(huán)境調(diào)查,水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目包括高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、氨氮、揮發(fā)酚、氰化物、As、Hg、Pb、Cr6+、Cd、石油類主要環(huán)境指標(biāo).結(jié)合1992年以來張家口市環(huán)境監(jiān)測站對洋河干流響水鋪、雞鳴驛、八號橋、左衛(wèi)這4個斷面的歷年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),分析洋河流域張家口段的水質(zhì)演化過程及驅(qū)動因子.其中,左衛(wèi)為對照斷面,響水鋪、雞鳴驛為控制斷面,八號橋?yàn)橄鳒p斷面(圖1).洋河流域1990、1995、2000和2005年4期土地利用圖采用ERDASIMAGINE10.0進(jìn)行衛(wèi)星影像的判讀,并劃分成耕地、林地、草地、水體、城鎮(zhèn)用地和未利用土地等6種土地利用類型,解譯過程中對精度進(jìn)行逐級檢驗(yàn),保證解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性.解譯結(jié)果以矢量格式轉(zhuǎn)入地理信息系統(tǒng)軟件ARC/INFO中進(jìn)行空間疊置分析,探討洋河流域不同河段土地利用與水質(zhì)環(huán)境因子的關(guān)系.1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1水質(zhì)因子檢測單項(xiàng)污染指數(shù)法是各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化濃度與該指標(biāo)在達(dá)到國家相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的標(biāo)準(zhǔn)化濃度之比,計(jì)算見式(1).Pi=ci/csi(1)Ρi=ci/csi(1)式中,Pi為第i個水質(zhì)因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù);ci為第i個水質(zhì)因子的監(jiān)測濃度值;csi為第i個水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)濃度值,采用國家地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)值.Pi>1,表明該因子濃度超標(biāo);Pi<1,表明該因子符合標(biāo)準(zhǔn).綜合污染指數(shù)是在獲得單項(xiàng)污染指數(shù)的基礎(chǔ)上,對單項(xiàng)污染指數(shù)的綜合處理.綜合污染指數(shù)的計(jì)算方法有很多,本研究采用較為經(jīng)典的算術(shù)平均法,即綜合污染指數(shù)P等于所有檢測項(xiàng)目污染因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)總和與監(jiān)測項(xiàng)目的比值.評價方法為:P≤1為未污染,P≤2為輕度污染,P≤3為中度污染,P>3為重度污染,P值越大污染越嚴(yán)重.1.2.2灰色關(guān)聯(lián)度分析法灰色關(guān)聯(lián)度法主要是通過對灰色系統(tǒng)中不同事物間的相關(guān)分析,根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度,衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法.灰色關(guān)聯(lián)度分析法實(shí)質(zhì)上是用幾個數(shù)列曲線間幾何形狀的差別判斷關(guān)聯(lián)程度,因此以曲線間差值的大小作為關(guān)聯(lián)的衡量尺度.1.2.3實(shí)現(xiàn)與sr/gis的整合ERDASIMAGINE是美國ERDAS公司開發(fā)的專業(yè)遙感處理與地理信息系統(tǒng)軟件,它具有先進(jìn)的圖像處理技術(shù),靈活的用戶界面和操作方式,與高度的RS/GIS(遙感處理和地理信息系統(tǒng))集成功能,內(nèi)容豐富而功能強(qiáng)大的處理圖像.本研究采用ERDASIMAGINE10.0進(jìn)行衛(wèi)星影響的判讀和解譯,解譯結(jié)果以矢量格式轉(zhuǎn)入地理信息系統(tǒng)軟件ARC/INFO中進(jìn)行空間疊置分析.2結(jié)果與討論2.1徑流和年徑流分析洋河流域降水量年內(nèi)分配不均勻,年降水量的75%~80%集中在6~9月.洋河流域暴雨主要特點(diǎn)是覆蓋面積小、強(qiáng)度大、歷時短,多集中在7~8月.由表1洋河流域1956~2002年這47a徑流系列可知,控制站響水堡站實(shí)測多年平均年徑流為3.716億m3.1956~1959年為7.477億m3,60~70年代為4.977~4.551億m3,90年代降雨量比70年代少了近27.0mm,但年徑流卻相差2.328億m3,減少了51.2%.90年代降雨量接近多年平均值,但年徑流比多年平均值少了1.483億m3.前期降水量的大小對流域徑流量有一定影響,流域降水量的多少是產(chǎn)生徑流量大小的主要因素,然而人類活動影響亦是不可忽視的因素.進(jìn)入70年代后,由于洋河受人類活動和氣候變化影響,區(qū)域降雨徑流情勢發(fā)生很大變化,地表水徑流發(fā)生了明顯改變.從80年代開始明顯衰減,年徑流量一直呈減少趨勢.以清水河張家口站為例分析,因該流域受人類活動影響很少,上游沒有大的水利工程設(shè)施,徑流量主要受天然降水影響.降水量多少是產(chǎn)生徑流量大小的決定因素,降水量大時,徑流量就大,降水量小時,徑流量就小.由于80年代降水偏少為枯水期,下墊面未得到充足補(bǔ)給,土壤含水率較低,因此90年代產(chǎn)生的徑流量要相對小一些.其他各站年徑流量變化見表1.2.2該流域的水質(zhì)發(fā)育2.2.1水質(zhì)污染變化洋河水質(zhì)的污染因子主要包括高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、氨氮、揮發(fā)酚、氰化物、As、Hg、Pb、Cr6+、Cd、石油類.對洋河流域左衛(wèi)、響水鋪、雞鳴驛和八號橋數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,利用水質(zhì)綜合污染指數(shù)進(jìn)行分析,按年份繪出水質(zhì)污染變化趨勢圖(圖2).由圖2可以看出,洋河流域張家口段水質(zhì)近17年來的變化可分為2個階段.第一階段,1992~1996年,水體污染嚴(yán)重.其中響水鋪在1992、1994、1995年水質(zhì)綜合污染指數(shù)均超過3.0,屬于重度污染;雞鳴驛在1994年為2.5,水體發(fā)生中度污染;左衛(wèi)在1996年超過3.0,水體發(fā)生重度污染;八號橋的水質(zhì)總體情況較好,未受污染或輕度污染.第二階段,1997~2009年,綜合污染指數(shù)趨勢線在1.0上下波動,表明水體維持在未受或輕度污染狀態(tài).其中,1997~2004年,4個斷面的綜合污染指數(shù)都有一個緩慢升高的態(tài)勢,2004年出現(xiàn)峰值,隨后綜合污染指數(shù)開始降低,水質(zhì)情況有所好轉(zhuǎn),說明洋河在2004年出現(xiàn)了水質(zhì)惡化的情況,但隨后得到有效治理,水質(zhì)有比較明顯的改觀.2.2.2主要污染因子的關(guān)聯(lián)度和權(quán)重比應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度的分析方法,對各污染因子在不同河段的灰色關(guān)聯(lián)度作表,進(jìn)而得出不同斷面的主要污染因子,篩選出對洋河流域內(nèi)水質(zhì)影響相對較大的污染因子.關(guān)聯(lián)度越大,表明該污染因子對水質(zhì)的影響程度也就越高.由表2中灰色關(guān)聯(lián)度值可以直觀體現(xiàn)出,洋河流域不同監(jiān)測斷面主要污染物也不同,在上游左衛(wèi)地區(qū)Cd的關(guān)聯(lián)度較高0.883,是上游的主要污染因子.中游Cr6+和BOD5兩項(xiàng)關(guān)聯(lián)度相對較高,分別是0.885和0.876,則中游的主要污染因子是Cr6+和BOD5.而在下游的八號橋則是氨氮關(guān)聯(lián)度較高0.916,氨氮是下游的主要污染因子.由此可見,洋河中對水質(zhì)污染影響較大的是Cd、Cr6+、BOD5和氨氮.2.3河流水文環(huán)境演化的制約因素土地利用類型與流域水質(zhì)存在一定的相關(guān)關(guān)系.雖然流域植被覆蓋變化對水文的影響因流域面積、氣候和植被類型等因素的不同而有差異,但就流域內(nèi)(由不合理的土地利用引起的)植被減少而造成的河流沉積物增加、流域蓄水能力下降、水質(zhì)下降、水處理成本增加,以及對水生生物危害等具有相關(guān)性.從全球來看,1965年以來人口的急劇增長、過度放牧、墾荒、樵采等不合理的土地利用方式,已帶來植被嚴(yán)重破壞、土地退化與耕地喪失、地下水位下降與人畜飲水短缺,成為區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的羈絆.根據(jù)洋河流域的自然、社會及區(qū)域功能特征,將其分為上中下游分別討論土地利用變化對河流水質(zhì)退化的影響,各段劃分為:上游是穿越張家口市和聯(lián)接宣化的河道,以左衛(wèi)為代表;中游為宣化至涿鹿之間,以響水鋪和雞鳴驛為代表;下游是涿鹿至官廳水庫之間,以八號橋?yàn)榇?見圖1).利用氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、石油類、BOD5這4項(xiàng)污染因子的單項(xiàng)污染指數(shù),繪制洋河流域單項(xiàng)污染指數(shù)年度分布趨勢(圖3),結(jié)合上中下游地區(qū)土地利用情況,對洋河上中下游地區(qū)河流退化關(guān)系進(jìn)行解析.2.3.1河流水文水質(zhì)分析上游地區(qū)主要以農(nóng)業(yè)為主,隨著近幾年地方農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,農(nóng)田施用大量化肥及農(nóng)藥,殘留于土壤中的部分隨農(nóng)田排水和地表徑流進(jìn)入河道水體,近幾年河道氨氮對水體的污染呈上升趨勢.隨著流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,中、小企業(yè)的不斷開辦,1990~2005年耕地、草地和水域面積減少,林地和城鎮(zhèn)用地變化較小.由于土地利用的變化,耕地、草地和水域面積減少,加劇了水土流失,同時降低了地表徑流的調(diào)節(jié)能力.洋河屬于降水補(bǔ)給型的河流,根據(jù)觀測資料顯示,洋河上游徑流年際變化較大,1951~2001年51a實(shí)測平均值為5.209億m3,20世紀(jì)60年代比50年代減少了32.5%,70年代雖然流域降水量比60年代大,但年徑流比60年代減少51.1%,80、90年代徑流一直處于下降趨勢(表1).森林面積的減少和耕地的增加,加大了下游洪水泛濫的頻率和強(qiáng)度,使得降水再分配不均,致使徑流系數(shù)、徑流模數(shù)和徑流深度都有所下降.左衛(wèi)位于洋河上游,遠(yuǎn)離城市和工業(yè)區(qū),從單項(xiàng)污染指數(shù)的分析結(jié)果可以看出(圖3),主要污染因子是高錳酸鹽指數(shù)和BOD5.綜合污染指數(shù)一直處于比較低的水平,在1.0左右波動,1992~1996年間有輕度污染的跡象,但1996年以后波動下降,在2003年出現(xiàn)驟然增高的現(xiàn)象,達(dá)到最高值1.49,之后一直較為平穩(wěn)且降至0.4~0.6之間的較低水平(圖2).由此可得,上游土地利用主要為耕地和林地,污染企業(yè)較少,多為面源污染.通過植物吸收、土壤滯留、微生物降解等綜合作用,減少和截留了部分有機(jī)污染物,從而抵銷了農(nóng)用土地上化肥、農(nóng)藥流失造成的污染,有利于改善河流水質(zhì).2.3.2水污染嚴(yán)重,綜合污染程度高中游地區(qū)主要以工業(yè)為主,途經(jīng)張家口市、宣化縣,兩岸集中張家口市大部分工礦企業(yè),入河排污量較大,污染較嚴(yán)重,多為點(diǎn)源污染,近10年來均為超Ⅴ類水質(zhì).1990~2005年,耕地、草地和水域面積變化不大,林地和城鎮(zhèn)用地變化逐漸增多.1951~2001年洋河控制站響水鋪年徑流實(shí)測多年平均值3.993億m3.50~70年代年徑流雖較多,年平均值大,但呈減少趨勢.90年代降雨比70年代少27.0mm,年徑流相差2.340億m3,減少了51.4%,90年代降雨量接近多年平均值,但年徑流比多年平均值少了1.722億m3,減少了43.8%.響水鋪和雞鳴驛位于洋河中游,距離排污口較近的500~1000m處,污染較為嚴(yán)重.根據(jù)響水鋪和雞鳴驛各污染因子的單項(xiàng)污染指數(shù)可知(圖3),氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和BOD5值均高于2.0,嚴(yán)重污染,只有石油類污染相對較輕.其中,響水鋪1992、1994、1995年度水質(zhì)綜合污染指數(shù)均超過3.0(圖2),1992年污染程度最高,高達(dá)6.83,屬于重度污染.1996年之后綜合污染指數(shù)呈下降趨勢,降至輕度污染水平.雞鳴驛在1994年達(dá)到3.42峰值,趨于重度污染,但在1996年之后綜合污染指數(shù)處于1.0~2.0之間,波動性較強(qiáng),隨后開始下降到1.0左右,處于輕度污染.與洋河上游相比,中游河段河流水質(zhì)出現(xiàn)惡化現(xiàn)象,這與中游地區(qū)的土地利用形式有直接關(guān)系,上游農(nóng)用地較多,而中游偏重于工業(yè)用地.1972~1983年,由于行政干預(yù),政府投入資金使污染水體自1979年得到改善,并保持到1983年.1984~1997年,由于張家口市、宣化區(qū)迅速發(fā)展,工業(yè)用地急劇增多,污染治理工作嚴(yán)重滯后,使洋河水質(zhì)惡化,處于嚴(yán)重污染狀態(tài).1997年官廳水庫因上游給水河道洋河和桑干河污染,退出北京市飲用水源供給后,北京市和河北張家口市相繼采取了一系列調(diào)控和整治措施,使得洋河水質(zhì)開始趨于好轉(zhuǎn).2.3.3水體綜合污染指數(shù)以八號橋?yàn)榇淼难蠛酉掠蔚貐^(qū),遠(yuǎn)離排污口,位于官廳水庫的上游.而官廳水庫承擔(dān)著北京市1/4人口的生活飲用水、京西地區(qū)13個大中型企業(yè)生產(chǎn)用水及城近郊區(qū)23個湖泊公園景觀用水的供給任務(wù),所以該河段的水環(huán)境保護(hù)是該區(qū)域環(huán)境保護(hù)的重中之重.由圖3可以看出,八號橋的重要污染因子是氨氮和BOD5.綜合污染指數(shù)一直比較平穩(wěn)(見圖2),維持在1.0左右,只有1994年的綜合污染指數(shù)為2.3,屬于中度污染,1996~2000年逐漸降低,并都小于1.0,直到2001年超過1.0,并在2003年達(dá)到1.3,此后又逐年降低至1.0左右.該河段污染型工業(yè)企業(yè)較少,用地類型多為耕地和林地,水質(zhì)相對較好.3污染源主要來源(1)洋河流域張家口段水體1992~2009年間,經(jīng)歷了污染嚴(yán)重到輕微污染的演化過