無機營養鹽汙染源解析方法
2023-05-25 08:05:06
專利名稱：無機營養鹽汙染源解析方法
無機營養鹽汙染源解析方法技術領域
本發明屬於水域環境汙染物源分析技術領域，涉及一種無機營養鹽汙染源解析方法。
背景技術：
隨著經濟和社會的發展，地表水氮、磷汙染嚴重，出現了不同程度的富營養化，極大地威脅著人民群眾的身體健康。弄清氮、磷等無機營養鹽的來源是保護水源地水質的重要前提。
錢曉雍等人(錢曉雍等.基於水環境功能區劃的農業面源汙染解析及其空間異質性.農業工程學報.第27卷第2期，103-108)提出了一種基於水環境功能區劃的農業面源汙染解析方法，其通過清單分析方法和等標汙染負荷法，以鄉鎮為單元研究了上海市化肥施用、有機肥施用、農作物秸稈、家禽養殖、水產養殖、農村生活汙水等農業面源汙染來源化學需氧量、總氮、總磷等汙染物的排放量及其貢獻率，並根據各區域水環境功能區劃分別在區縣尺度和鄉鎮尺度分析了農業面源汙染程度及其區域分布。
金菊良等人(金菊良等.流域非電源汙染源解析的投影尋蹤對應分析方法.水利學報.第38卷第9期.1032-1049)為了分析非點源汙染物及其來源的因果關係，提出了機遇加速遺傳算法的投影尋蹤對應分析方法，並應用於流域非點源汙染解析研究中。
張愛平等人(張愛平等.寧夏引黃灌區水體汙染現狀及汙染源解析.中國生態農業學報.第18卷第6期.1295-1301)分析了 2002-2007年黃和寧夏段監測斷面和引黃灌區典型排水溝的水質情況。但是該文獻僅報導了該地區的汙染結果，未給出具體的分析監測方法。
劉華良等人(劉華良等.蘇南河網地區小城鎮水環境汙染源分析研究.農業環境科學學報.2006，25(4): 1050-1054)採用問卷調查、模型計算、類比推算以及取樣監測的方法，對江蘇省丹陽市水汙染源進行了調查分析，並採用等標汙染負荷法對汙染源及其排放的汙染物進行了評價。但是採用問卷調查等分析形勢不具備專利法上的實用性。
聶澤宇的碩士論文(太湖流域苕溪面源汙染源解析與過程控制技術研究，2011年 1月)首先通過野外水質監測考察了苕溪水質氮磷汙染現狀，利用氮磷比解析了苕溪及其入湖後的富營養化風險，並提出了水質改善策略；其次通過稻田AWD節水灌溉與SSNA肥料管理耦合試驗初步得知，水肥管理能有效控制暴雨徑流氮磷流失量；最後通過對溝渠水質進行野外現場取樣及在線監測分析，並結合生態浮床以體現氮磷流失過程阻控對策。
綜上，上述現有技術的無機營養鹽汙染源解析方法大多對湖泊流域汙染源解析大面積普查，然後根據汙染物輸移及降解過程，計算汙染物達到目標水源量，解析目標水域汙染物源解析，這種方法工作量大，並要預知汙染源位置、強度，根據不種汙染源對目標水域影響解析目標水域的汙染物源。發明內容
為了解決上述技術問題，本發明提供一種無機營養鹽汙染源解析方法，具體技術方案如下。
一種無機營養鹽汙染源解析方法，其特徵在於包括以下步驟(1)開展水域環境問題與特徵分析，以聚焦水域為核心，設置採樣點；(2)依據水域環境問題和特徵，確定觀測和水樣分析指標集，進行觀測和採樣；(3)分析水樣，進行指標的無量綱處理，開展因子分析，將累計貢獻率大於80%確定為汙染主控因子，獲取指標集中指標與主控因子關聯度大的指標；(4)計算主控因子在各監測點的得分，利用線性插值方法進行其在研究水域不同位置得分，確定主控因子梯度空間分布和主控因子最大值以及最小值位置；(5)依據主控因子關聯指標間因果關係、河口位置、主控因子得分梯度和空間大小分布特徵，判斷汙染物的主要來源。
無機營養鹽汙染源解析是一種應用因子分析技術對水源地無機營養鹽汙染源成分進行分析並結合樣本的空間分布特徵，得到水體汙染源的權重貢獻率及主要汙染來源的解析方法。
首先根據水源地的地形及面積設置採樣點，要求能基本反應水源地無機營養鹽分布情況；其次根據樣本分析結果運用因子分析得出主因子及汙染貢獻率；最後將各因子貢獻率與樣本空間分布相結合作出汙染分布圖，進一步分析汙染來源。
本方法的主要原理是以多變量之間的相關關係為基礎，在多變量中尋找相互獨立的變量組合，構成最少個數的獨立的公共因子，這些少數因子不僅提供了研究對象總變化的絕大部分信息，而且還能揭示研究對象之間的相互關係，尤其是成因上的聯繫。
本發明的有益效果在於該方法能找出湖泊水源地無機汙染物的主要來源，及時採取措施控制汙染來源。在湖泊富營養化治理方面節約大量的時間以及少走很多彎路，提高工作效率，在水源地水質保護方面也能節約大量成本。現有技術中的汙染源解析方法大多對湖泊流域汙染源解析大面積普查，然後根據汙染物輸移及降解過程，計算汙染物達到目標水源量，解析目標水域汙染物源解析，這種方法工作量大，並要預知汙染源位置、強度， 根據不種汙染源對目標水域影響解析目標水域的汙染物源；本發明的技術方案和現有技術剛好相反，是以目標水域問題為導向，從目標水域出發向其來源不斷追索，因此不要對其流域或關聯區所有汙染源解析調查，觀測採樣相對簡單，投資小，更加具備實用性和可操作性。
圖1淺水湖泊無機營養鹽汙染源源解析工藝。
具體實施方式
實施例1結合
本發明的具體實施方式
，如圖1所示，本發明的主要技術工藝為，依據湖泊自然特性(地形、出入河道分布、風速風向)和環境特點，設置多個調查觀測點，確定樣品採集的種類(水樣、沉積物、生物)和數量，以及各樣品分析的指標，進行現場調查、樣品採集以及指標分析，獲取無機營養鹽汙染源解析的基本數據，在此基礎上開展因子分析，提取湖泊無機營養鹽汙染的主控因素，同時進行因子間關聯性和相互轉換位相分析，利用線性插值方法，獲取研究區域或湖泊主要汙染因子空間分布，依據汙染因子空間分布確定因子空間梯度變化，在此基礎上依據梯度、各指標對汙染因子貢獻率、湖泊地形與河道分布、營養鹽轉換位相關係，確定汙染物來源的河道和位置。
具體實施步驟1)湖泊形態與河道分布特徵分析查閱歷史資料和相關遙感衛星影像，重點確定湖泊形狀，島嶼數、湖灣數、出入湖河道數以及它們所處的位置，湖泊岸線植被類型，湖泊水深和底質。根據湖泊水文特徵指出湖泊無機營養鹽汙染可能輸入區域及位置。
2)觀測樣點布設與樣品類型數量的確定查閱湖泊相關歷史資料，分析湖泊存在的主要問題，根據湖泊河道分布和形狀布設進行監測點布設。
單進單出小型湖泊，在河道入口及入湖河道段各布設一個測點，湖心及出湖口各布設一個測點，入湖河口、湖心、出湖河口連線兩側各布一個測點。
對於多河道入湖與多河道出湖的大型湖泊，觀測和採樣點設置根據目標水域所處位置設置。目標水域位於湖泊湖灣，調查和採樣點應設置在與該湖灣河相通出入河道河口、 灣口、以及目標水域，其中對於灣口長度較大水域應設置3-4個測點，灣口長度較小設置 1-2測點，目標水域布置3-4個觀測樣點，其中一點布置於目標水域核心點，其餘點布設應以核心點為中心環狀布置，設湖心點與入湖河口以及灣口測點的距離長短布置1-2兩個觀測採樣點。就整湖灣而言，若測點空間分布不均，在特別湖灣觀測採樣點特別稀疏的地方插補觀測採樣2-3個。目標水域位於湖泊敞水區，在目標水域核心點布置1個觀測採樣點，在核心點四周環狀均勻布置4-8個觀測採樣點，在湖泊主要入湖河道河口各布置觀測採樣點 1個，視核心至各出入湖河口觀測採樣點距離長短等距布設1-3個觀測採樣點。
觀測採樣點湖底為硬底或基巖，僅採集水樣樣品，湖底為軟底需要同時採集底泥沉積物，若觀測採樣點有高等植物分布需採集水生植物樣品。樣品採集數量由採樣點數量、 採集樣品種類決定。
3)現場觀測與樣品採集和分析現場觀測應在風浪較小的天氣進行，現場觀測項目主要為湖流、風向、風速、溫度、透明度、PH等，水樣採集深度為水面下50cm處，採集的樣品用潔淨容器密閉儘快送至實驗室分析，沉積物樣品採集可採樣柱狀採樣器、彼德森採樣器採集，水生植物樣品採集可利用彼德森採樣器採集。水以及沉積物樣品分析項目根據解析關注目標汙染物確定，對於富營養化湖泊，水樣分析項目應包括 C0D_、TN、DTN、TP、DTP、chla, PO廣-P、NH4+_N、NO^-N、NOf N、SS 等，沉積物樣品分析項目包括無機氮、無機磷的含量和有機氮、有機磷含量。樣品分析方法參見富營養化湖泊調查規範。
4)汙染主制因子和因子間關聯度分析由於反應湖泊無機營養鹽汙染的指標C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、chla、Ρ0/—-Ρ、NH4+_N、 N02_-N、N03—N、SS等，沉積物樣品分析項目包括無機氮、無機磷的含量和有機氮、有機磷含量之間並非完全獨立，指標之間存在一定的關聯性，各指標所表徵的湖泊水體汙染程度之間也存在較大差別。因此需要以反應水體汙染的C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、P043_-P、NH4+_N、NO2^-N, NOfN、SS等指標為基礎，通過指標間的相互關係分析，構建基於C0Dm、TN、DTN、TP、 DTP、ch 1 ^ P043_-P、NH4+-N、N02_-N、N03—N、SS等指標線性組合指標集Q (獨立的公共因子)， 集內的組合指標相互獨立，同時 C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、chla, PO廣-P、NH4+_N、NO2^-N, NOf N,SS等指標可用它們的線性組合表徵。將依據Q集內指標與CODm、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、 P0/—-P、NH4+-N、NO2--N, N03—N、SS等指標關係，計算各觀測採樣點Q集內指標值，同時Q集內指標值大小確定第一、第二、第三湖泊汙染因子，同時依據C0D_、TN、DTN、TP、DTP、chl^ Ρ0/—-Ρ、NH4+-N、NO2--N, NO3-N, SS等指標對Q集內指標值貢獻大小，確定第一，第二、第三汙染因子關鍵影響指標。其中指標間的相互關係分析採用數理統計多元變量相關關係分析方法分析。
5)線性空間插值和空間分布製圖目標研究區所在湖灣或湖泊，按一定的空間步長(步長大小依據研究區域空間尺度定， 一般不超過500m)，進行研究區域的離散，並確定離散點數量和空間坐標。利用觀測採樣點獨立的公共因子的計算值，採用線性插值方法，計算各空間離散點的獨立的公共因子。線性插值的權重可以用離散點到觀測採樣點距離確定，距離越近權重越大，距離越遠權重越小。 利用離散點獨立因子值，利用GIS或相關計算機繪圖軟體(surfer)生成獨立因子空間分布等值線或位圖。
6)汙染物來源判析依據 C0D_、TN、DTN、TP、DTP、chla, PO廣-P、NH4+_N、NO^-N、N03—N、SS 等指標相關關係以及各物質的轉化關係以及各關係之間相容性，明確C0D_、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、P043__P、 NH4+-N、NO2--N, NO3-N, SS等指標相關關係的因果順序，從而確定無機營養鹽轉化位相關係。 根據獨立的公共因子最大、最小分布位置以及其主要貢獻指標的位相關係以及河道分布位置，基於除藻類可在風場作用下飄移富集外汙染物由濃度高向濃度低處擴散降低的原理， 確定汙染物來源的方向。
實施例2按照實施例1的方法步驟，選擇太湖東半部梅梁灣、貢湖灣、湖東濱岸區及東太湖水源地無機營養鹽汙染源解析，找出水源地汙染的主控因子以及汙染來源。表1是依據測試數據用因子分析法得出的太湖東半部水源地主要汙染因子及貢獻率。
表1太湖東半部水源地主要汙染因子分析及貢獻率
權利要求
1.無機營養鹽汙染源解析方法，其特徵在於包括以下步驟(1)開展水域環境問題與特徵分析，以聚焦水域為核心，設置採樣點；(2)依據水域環境問題和特徵，確定觀測和水樣分析指標集，進行觀測和採樣；(3)分析水樣，進行指標的無量綱處理，開展因子分析，將累計貢獻率大於80%確定為汙染主控因子，獲取指標集中指標與主控因子關聯度大的指標；(4)計算主控因子在各監測點的得分，利用線性插值方法進行其在研究水域不同位置得分，確定主控因子梯度空間分布和主控因子最大值以及最小值位置；(5)依據主控因子關聯指標間因果關係、河口位置、主控因子得分梯度和空間大小分布特徵，判斷汙染物的主要來源。
全文摘要
本發明屬於水域環境汙染物源分析技術領域，涉及一種無機營養鹽汙染源解析方法。該方法主要包括以下步驟開展水域環境問題與特徵分析，以聚焦水域為核心，設置採樣點；依據水域環境問題和特徵，確定觀測和水樣分析指標集，進行觀測和採樣；分析水樣，進行指標的無量綱處理，開展因子分析，將累計貢獻率大於80%確定為汙染主控因子，獲取指標集中指標與主控因子關聯度大的指標；計算主控因子在各監測點的得分，利用線性插值方法進行其在研究水域不同位置得分，確定主控因子梯度空間分布和主控因子最大值以及最小值位置；依據主控因子關聯指標間因果關係、河口位置、主控因子得分梯度和空間大小分布特徵，判斷汙染物的主要來源。
文檔編號G01N33/18GK102507891SQ20111038586
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者李欽欽, 胡維平, 鄧建才 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所