基于層次聚類分析的遼西濕地關鍵污染因子空間差異性研究

基于層次聚類分析的遼西濕地關鍵污染因子空間差異性研究

作為“地球腎”，城市濕地在癌癥的轉移和轉化、微環(huán)境的調(diào)節(jié)和水源的保護方面發(fā)揮著重要作用。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展,人口急劇膨脹和生活水平的提高,在自然與人為擾動因子雙重作用下,城市濕地水質量惡化日趨嚴重,成為城市化過程中急需解決的關鍵問題之一。由于人類活動及自然影響因素存在時間和空間差異性,因此城市濕地水質通常表現(xiàn)出明顯的時空變異特征,如何有效識別濕地水質時空變化特征成為控制濕地水環(huán)境污染的關鍵所在。因子分析(FA)、聚類分析(CA)等多元統(tǒng)計技術能充分利用大量監(jiān)測數(shù)據(jù)定性地識別監(jiān)測斷面水質的時空分布特征,成為國內(nèi)外水質時空變化特征分析的主流技術,并廣泛應用于城市工業(yè)區(qū)、流域等地表水質時空變化及潛在影響因子分析。作為國家級濕地公園的杭州西溪,李玉鳳等利用2009年春夏兩季西溪濕地水質的月監(jiān)測數(shù)據(jù),評價了水質富營養(yǎng)化程度;李靜等運用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術以及土地利用空間變化模型,分析了城市擴展等人類活動對西溪濕地面積變化和空間位移的影響等。但未見基于多元統(tǒng)計技術的西溪濕地水質時空變化及影響因子分析的文獻報道。鑒于此,本研究基于因子分析技術定性地識別西溪濕地春夏秋冬關鍵污染因子及主要潛在污染源、基于聚類分析技術明晰西溪濕地春夏秋冬水質污染空間變異特征,為西溪濕地污染控制和監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化選取提供科學依據(jù)。1模型和方法1.1集城市濕地公園概況西溪濕地公園占地面積達數(shù)十平方公里,濕地公園內(nèi)生態(tài)資源豐富、自然景觀質樸、文化積淀深厚,是目前國內(nèi)唯一的集城市濕地、農(nóng)耕濕地、文化濕地于一體的國家濕地公園。該濕地公園地處亞熱帶季風氣候區(qū)北緣,四季分明,光照充足,雨量充沛,兼具涵養(yǎng)水源、凈化水質、調(diào)蓄洪水、美化環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)功能。然而,隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展,人類在濕地內(nèi)的活動更加頻繁,使其面臨面積逐漸減少、生態(tài)環(huán)境破壞等問題,影響其可持續(xù)發(fā)展。1.2樣品采集和測定指標本研究選擇沿山河、蔣村港、深潭口、秋雪庵、百家樓和蔣村集市6個點位為研究對象(見圖1),于2007—2011年分別在春、夏、秋、冬四季采集樣品,監(jiān)測指標包括pH、BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、COD、總磷、總氮、石油類、葉綠素a、氨氮、溶解氧、透明度、水溫、藍藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、甲藻門、裸藻門、金藻門、浮游植物總量,共20個指標。其中,pH和溶解氧分別采用pH計和便攜式溶解儀現(xiàn)場測定,其他水質指標在實驗室條件下測定。水樣的采集、保存、運輸和分析方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)。1.3數(shù)據(jù)分析和處理1.3.1數(shù)據(jù)處理方法主成分分析技術能夠在盡可能不損失信息或者少損失信息的情況下,將多個變量減少為少數(shù)幾個能概括大量數(shù)據(jù)信息因子的方法,被用來提取最重要的水質參數(shù)。因子分析(FA)以主成分分析為基礎,通過不同旋轉法對主成分分析提取的主要影響因子進行旋轉,得到主因子(VFs)?；赟PSS軟件的因子分析主要步驟見文獻。通過因子分析定性地識別西溪濕地春、夏、秋、冬四季潛在關鍵污染因子及水質變化特征。1.3.2高度相選擇性聚聚類分析是將研究對象按其共性進行分類,其目的在于辨認某些特征上相似的事物,并把事物就這些特征劃分成若干類,使具有高度共質性的聚為同一類,而具有高度相異性的聚為不同類的事物。系統(tǒng)聚類法又稱為層次聚類法、分層聚類法兩種,其中層次聚類分析應用廣泛,其親疏程度的計算包括兩類:第一類是樣本數(shù)據(jù)之間距離,第二類是樣本與小類、小類與小類之間距離。本研究采用Ward法和歐氏平方距離法,若樣本聚為一類,則說明這些樣本具有相同的性質,即污染程度具有一定的相似性,通過上述方法可以有效得出樣本空間污染程度分布樹狀圖,從而歸納西溪濕地春夏秋冬水質污染空間變異特征。2結果與討論2.1類水質標準值根據(jù)春、夏、秋、冬四季西溪濕地水質參數(shù)監(jiān)測結果,對測定的20個水質指標數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,分析各水質參數(shù)平均值、最大值、最小值等,水質參數(shù)統(tǒng)計結果見表1。由表1可知,對平均值而言,BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、溶解氧依次為3.48、4.23、0.99、5.29mg/L,滿足《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)Ⅲ類水質要求;總磷、總氮、石油類、COD依次為0.11、2.87、0.29、24.17mg/L,超過GB3838—2002中的Ⅲ類水質標準值,其中總氮超過Ⅴ類水質標準值。對最大值而言,BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、石油類、氨氮和COD依次為26.40、18.30、0.81、14.90、1.60、13.10、59.60mg/L,均超過Ⅴ類水質標準值,表明在某些時間段,西溪濕地水質不容樂觀。水體浮游植物總量與水體富營養(yǎng)化之間存在一定關聯(lián)性,水質監(jiān)測結果表明,濕地水體浮游植物總量呈現(xiàn)春季>冬季>夏季>秋季的規(guī)律,結合文獻報道的浮游植物總量與水體富營養(yǎng)化之間的關系,認為春、夏、秋、冬季西溪濕地均為富營養(yǎng)化水體。2.2濕地水質污染狀況對春、夏、秋、冬四季原始監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Kaiser法標準化后,用于因子分析的輸入數(shù)據(jù),采用最大方差正交旋轉法進行因子旋轉,得到春、夏、秋、冬四季西溪濕地旋轉因子載荷矩陣(見表2)。春、夏、秋、冬四季分別提取得到2~4個主因子(特征值大于1),與LIU等的研究結果相結合,認為載荷值≥0.75、0.50~0.75以及0.30~0.50分別表示該水質指標與水質“強”、“中”以及“弱”相關。由表2可知,通過主成分分析及方差極大法旋轉,提取得到春季影響西溪濕地水質4個主因子,累積方差貢獻率達到88.29%,即提取的4個主因子可以反映大部分的環(huán)境信息。第一主因子(VF1)的方差貢獻率為56.35%,強正相關的因子變量為BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、pH、葉綠素a、綠藻門、硅藻門、隱藻門、甲藻門、裸藻門和浮游植物總量;第二主因子(VF2)解釋了16.81%的水質變化,其與總磷和藍藻門的濃度呈強正相關;第三主因子(VF3)與總氮呈現(xiàn)明顯強正相關關系,說明該主因子與化學肥料的施用有一定關聯(lián)性;第四主因子(VF4)與透明度具有較好的強正相關,與溶解氧具有中負相關,這與該濕地水體有機物濃度較高,有機物降解過程中消耗大量溶解氧的事實相符。本研究濕地地表水采集點周圍雖無工廠,但存在市政排污口排放現(xiàn)象,因此推斷工業(yè)廢水為潛在污染源。此外,BOD5、總磷、總氮等指標在春季平均值達到最大值,由于濕地長期受居民區(qū)生活污水、公園餐飲廢水及樹葉、藻類沉積的影響,有較多的有機污染物在底泥淤積,通過與上層水體的反復交換,不斷向上釋放高濃度污染物,從而導致濕地地表水質出現(xiàn)富營養(yǎng)化。故通過因子載荷矩陣可以得出濕地地表水水質在春季主要受到居民生活污水、農(nóng)業(yè)面源污水等因素影響,可適當采取農(nóng)田回灌、生活污水截污納管等環(huán)保措施,減少對濕地地表水的污染。夏季最大方差旋轉因子矩陣提取出影響西溪濕地水質的3個主要因子,3個因子VF1、VF2、VF3的特征值分別為12.08、3.03和1.43,其貢獻率分別為71.07%、17.82%、8.34%,累計方差貢獻率已經(jīng)達到97.32%,這3個因子基本上包含了幾乎全部指標的所有信息。因此,VF1、VF2、VF3能夠比較好地替代原有的20個變量。其中,VF1與BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、葉綠素a、藍藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、甲藻門、裸藻門和浮游植物總量呈強正相關,可解析為耗氧有機物類及浮游植物類水質污染因子。VF2與營養(yǎng)鹽類污染指標總氮、氨氮強正相關,因此說明夏季受農(nóng)業(yè)面源影響較大;同時VF2與水溫呈強負相關關系,與透明度具有中正相關關系,說明夏季水體總氮、總磷濃度高,浮游植物總量增加,水體透明度降低。VF3與pH和溶解氧強正相關,表明隨著氣溫的升高,水中飽和溶解氧濃度降低,不利于水中微生物和魚類的生存。鑒于此,可以定性地推測夏季西溪濕地水質有機物含量及營養(yǎng)鹽類污染物(總氮、氨氮)較高,應該是夏季降雨量較大,降雨地表徑流面源污染影響造成的,其次受生活污水影響也較大。由秋季方差最大正交旋轉因子載荷矩陣可知,影響西溪濕地水質因子可歸納為2個主因子,VF1、VF2的特征值分別為13.75和1.78,其貢獻率分別為80.82%和10.45%,累計方差貢獻率已經(jīng)達到91.27%。秋季西溪濕地水質與總磷、總氮、葉綠素a、氨氮、硅藻門、隱藻門、裸藻門和浮游植物總量與VF1強正相關,與BOD5、高錳酸鹽指數(shù)和水溫等中正相關,表明秋季影響水質的主要因子為營養(yǎng)鹽類污染;VF2與甲藻門和綠藻門呈強正相關,與pH、溶解氧和藍藻門等中正相關,與透明度強負相關,表明浮游植物數(shù)量增加,降低水體透明度。氮、磷等營養(yǎng)物含量與浮游植物總量呈正相關,秋季水體總氮、總磷濃度相對較低,故其浮游植物總量較低。由此可推測認為,秋季西溪濕地水質受居民生活污水影響有所改善,但仍然是主要污染源。冬季影響西溪濕地水質的指標可以歸類為4個主要因子,4個主因子VF1、VF2、VF3和VF4的特征值分別為6.48、4.79、2.79和1.60,其貢獻率分別為38.09%、28.20%、16.39%和9.43%,累計方差貢獻率達到92.11%。VF1與總氮、總磷、硅藻門呈強正相關,與BOD5、氨氮、水溫、隱藻門呈中負相關;VF2與葉綠素a、浮游植物總量呈強正相關;VF3與BOD5、水溫呈強正相關,與透明度呈強負相關;VF4與藍藻門、綠藻門呈強正相關,與溶解氧呈強負相關。西溪濕地冬季水體總氮、總磷等營養(yǎng)鹽類污染物濃度仍較高,雖然冬季氣溫較低,但藍藻、硅藻等藻類生長仍較迅速,導致水體透明度和溶解氧濃度降低。因此,從上述污染因子分析可推測,冬季污染源主要來自居民生活污水污染。2.3浮游植物總量與監(jiān)測點位聚類分析是根據(jù)一些監(jiān)測點位監(jiān)測指標數(shù)值,按照一定的數(shù)學公式計算這些參數(shù)或指標的相似程度,把相似的指標歸為一類。筆者采用離差平方和法和歐氏平方距離法,對春、夏、秋、冬四季的VF1、VF2進行聚類分析,結果見圖2至圖5。由圖2可知,在(Dlink/Dmax)×100<25(Dlink/Dmax表示個案鏈鎖距離與最大鏈鎖距離之比)處,春季對于VF1(BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、pH、葉綠素a、綠藻門、硅藻門、裸藻門和浮游植物總量)而言,沿山河單獨成為一類,蔣村港、蔣村集市為第二類,深潭口、百家樓、秋雪庵為第三類。沿山河BOD5、高錳酸鹽指數(shù)分別為7.51、5.10mg/L,蔣村港BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、總磷質量濃度分別為4.43、4.73、0.12mg/L,蔣村集市BOD5、高錳酸鹽指數(shù)分別為3.31、3.93mg/L,其他3個監(jiān)測點位BOD5、高錳酸鹽指數(shù)分別低于3.00、4.00mg/L;與GB3838—2002進行對比分析,認為沿山河水質劣于Ⅴ類,蔣村港、蔣村集市水質介于Ⅱ類和Ⅲ類之間,深潭口、百家樓、秋雪庵水質達到Ⅱ類水環(huán)境功能。秋雪庵、深潭口、百家樓葉綠素a平均值分別為6.08、7.79、9.48mg/L,沿山河、蔣村集市、蔣村港葉綠素a平均值分別11.33、14.87、30.72mg/L;對浮游植物總量而言,秋雪庵、深潭口、百家樓平均值分別為171.04萬、194.33萬、260.54萬個/L,沿山河、蔣村集市、蔣村港平均值分別246.30萬、238.54萬、709.10萬個/L,因此認為沿山河、蔣村港、蔣村集市3個監(jiān)測點富營養(yǎng)化程度高于深潭口、百家樓、秋雪庵。VF2(總磷和藍藻門)中秋雪庵、百家樓、深潭口為一類,沿山河、蔣村港、蔣村集市為另一類;沿山河、蔣村港、蔣村集市3個監(jiān)測點位總磷平均值分別為0.38、0.12、0.09mg/L,而深潭口、秋雪庵、百家樓3個監(jiān)測點總磷平均值分別為0.05、0.05、0.08mg/L,與GB3838—2002進行對比,認為沿山河、蔣村港、蔣村集市監(jiān)測點水質為劣Ⅴ類,深潭口、秋雪庵、百家樓監(jiān)測點水質介于Ⅱ類和Ⅲ類之間。在夏季,VF1(BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、葉綠素a、藍藻門、綠藻門、硅藻門、隱藻門、甲藻門、裸藻門和浮游植物總量)中沿山河和蔣村港分別單獨成為一類,深潭口、秋雪庵、百家樓、蔣村集市聚為另一類。沿山河監(jiān)測點位各指標數(shù)據(jù)明顯高于其他監(jiān)測點位,其中,對于BOD5而言,沿山河平均值為7.99mg/L,蔣村港平均值為6.08mg/L,均大于6.0mg/L;蔣村集市、深潭口、秋雪庵、百家樓4個監(jiān)測點位平均值均小于3.00mg/L。對于高錳酸鹽指數(shù)而言,沿山河平均值為6.74mg/L,蔣村港平均值為7.08mg/L,均大于6.00mg/L;蔣村集市、百家樓、秋雪庵、深潭口高錳酸鹽指數(shù)平均值分別為3.97、3.76、3.52、3.38mg/L。對于總磷而言,沿山河平均值為0.29mg/L,蔣村港平均值為0.18mg/L,均大于0.10mg/L;蔣村集市、深潭口、秋雪庵、百家樓4個監(jiān)測點位平均值均小于0.10mg/L。與GB3838—2002進行對比分析,綜合各主因子認為蔣村集市、百家樓、秋雪庵、深潭口4個監(jiān)測點水質達到Ⅱ類,而沿山河和蔣村港2個監(jiān)測點水質劣于Ⅳ類。BOD5是水體中的好氧微生物在一定溫度下將水中有機物分解成無機質中所需要的溶解氧量,而沿山河、蔣村港監(jiān)測位點濃度較高,說明該點有機物濃度較高,由于沿山河、蔣村港兩監(jiān)測點離周邊居民住宅和飲食商鋪較近,推測水體污染主要是生活用水,建議周圍居民生活污水排污納管,減少對濕地地表水的排放污染。VF2(總氮、氨氮、透明度、水溫)中,沿山河、蔣村港兩監(jiān)測點聚為一類,深潭口、秋雪庵、百家樓、蔣村集市為一類;總氮沿山河和蔣村港兩監(jiān)測點位平均值分別為4.76、3.42mg/L,深潭口、秋雪庵、百家樓、蔣村集市各點平均值分別為0.89、1.73、1.08、1.17mg/L;氨氮沿山河和蔣村港兩監(jiān)測點位平均值分別為1.76、2.18mg/L,深潭口、秋雪庵、百家樓、蔣村集市各點平均值小于0.50mg/L,與GB3838—2002進行對比分析,綜合考慮總氮、氨氮等指標,認為沿山河和蔣村港水質為劣Ⅴ類,而深潭口、秋雪庵、百家樓、蔣村集市4個監(jiān)測點水質介于Ⅲ類和Ⅴ類之間。秋季基于層次聚類分析技術的關鍵污染因子水質空間變異特征與前兩季有相似之處。由圖4可知,對于VF1(總磷、總氮、葉綠素a、氨氮、硅藻門、隱藻門、裸藻門、浮游植物總量)而言,沿山河、蔣村港監(jiān)測點聚為第一類,秋雪庵、百家樓、深潭口、蔣村集市聚為第二類。秋季沿山河總磷、總氮、氨氮分別為0.25、3.19、1.78mg/L,蔣村港總磷、總氮、氨氮分別為0.14、2.46、1.87mg/L,其他4個監(jiān)測點位總磷、總氮、氨氮平均值分別小于0.07、1.00、0.50mg/L。綜合分析認為,沿山河、蔣村港水質為劣Ⅴ類,秋雪庵、百家樓、深潭口、蔣村集市水質介于Ⅱ類和Ⅲ類之間。對于VF2(綠藻門、甲藻門、透明度)而言,同樣沿山河和蔣村港兩監(jiān)測點位水質劣于秋雪庵、百家樓、深潭口、蔣村集市4個監(jiān)測點位。在冬季,VF1(總磷、總氮、硅藻門)和VF2(葉綠素a、浮游植物總量)聚類結果與秋季基本一致。對VF1而言,將沿山河、蔣村港監(jiān)測點位聚為第一類,深潭口、秋雪庵、百家樓、蔣村集市聚為第二類,各監(jiān)測點位總磷濃度大小依次為沿山河>蔣村港>蔣村集市>深潭口>百家樓>秋雪庵;各監(jiān)測點位總氮濃度大小依次為沿山河>蔣村港>深潭口>蔣村集市>秋雪庵>百家樓。與GB3838—2002綜合對比分析認為,沿山河、蔣村港水質為劣Ⅴ類,深潭口、秋雪庵、百家樓、蔣村集市水質總體優(yōu)于沿山河和蔣村港,水質介于Ⅳ類和Ⅴ類之間。冬季VF2聚類結果與秋季VF2一致。聚類分析結果表明,西溪濕地四季水質存在空間差異性。沿山河、蔣村港監(jiān)測點位靠近居民住宅區(qū)、商品商業(yè)區(qū),受生活污水、餐飲用水的影響較大,故總磷、總氮、氨氮、BOD5等指標監(jiān)測值較高,春夏秋冬四季均為重度污染;深潭口、秋雪庵、百家樓、蔣村集市4個監(jiān)測點水質優(yōu)于沿山河、蔣村港兩個監(jiān)測點位,其春夏秋冬四季污染程度在中度污染和輕度污染之間更替,大體呈現(xiàn)春秋兩季水質優(yōu)于夏冬兩季。2.4不同水質監(jiān)測因子的水質變化特征因子分析技術的優(yōu)點表現(xiàn)在它不是對原有變量的取舍,而是根據(jù)原始變量的信息進行重新組合,找出影響變量的共同因子,化簡數(shù)據(jù);同時,它通過旋轉使得因子變量更具有可解釋性,命名清晰性高。本研究以2007—2011年春、夏、秋、冬四季各污染因子實測值為基礎進行了因子分析,有效提取了春夏秋冬相互關聯(lián)的若干主要參數(shù)信息,并根據(jù)各主因子的方差貢獻率大致定性地對各主要污染因子進行重新命名并定性地推斷影響四季水質的關鍵污染因子主要潛在來源。春季影響西溪濕地水質關鍵污染因子為耗氧有機污染物和浮游植物,夏季關鍵污染因子為耗氧有機污染物、營養(yǎng)鹽和浮游植物,秋季和冬季關鍵污染因子均為營養(yǎng)鹽類物質。建議西溪濕地管理部門,春季和夏季應加強居民生活污水、降雨地表徑流等農(nóng)業(yè)面源污染削減控制,秋季和冬季主要控制居民生活污水,以此實現(xiàn)進入濕地地表水體污染負荷的削減。聚類分析把不同水質監(jiān)測點位各關鍵水質污染因子視作多維空間中的許多點,根據(jù)關鍵水質污染因子之間的相似性而逐步歸群成類,從而合理地將各監(jiān)測指標分成若干類,能為監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化提供重要參考,即對管理部門而言可以用盡量少的監(jiān)測點位的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)定性地反映整個區(qū)域水體污染程度?；诰垲惙治黾夹g的西溪濕地四季關鍵污染因子水質空間變化特征結果表明,春季沿山河水質較差(劣Ⅴ類),蔣村港、蔣村集市水質介于Ⅱ類和Ⅲ類之間,深潭口、秋雪庵、百家樓水質達到Ⅱ類標準;夏、秋、冬三季的沿山河、蔣村港兩個監(jiān)測點水質均為劣Ⅴ類,秋雪庵、百家樓、深潭口、蔣村集市監(jiān)測點水質優(yōu)于沿山河和蔣村港。因此,對西溪濕地管理部門而言