太湖水质指标相关性与富营养化特征分析_张巍
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悬浮物 透明度 溶解氧
回归系数 4. 080 1. 308
- 0. 723 1. 152
t-统计量 0. 943 3. 755
- 1. 098 0. 684
相伴概率 0. 358 0. 001* 0. 286 0. 502
指标
CO DMn 总氮 总磷 氨氮
回归系数 2. 104 0. 920 0. 865 0. 712
t -统计量 11. 144
4. 476 3. 960 4. 396
相伴概率 0. 000* 0. 000* 0. 001* 0. 000*
* 0. 01显著性水平下否定回归系数为零的原假设
浮物、 CO DMn、总氮、总磷、氨氮 5项指标的回归系数 浮物、透明度、 CO DMn、总氮、总磷、叶绿素 a、氨氮 7
1 数据准备
21个采样点的分布如图 1所示。每个样品分析 了三类指标。第一类是营养盐指标: 总氮 ( TN )、总磷 ( T P) 和氨氮 ( N H2— N ) ; 第二类 是水质理化 指标: pH、悬 浮 物 ( SS)、 透 明 度 ( SD)、 溶 解 氧 ( DO ) 和 CO DM n; 第三类是生物指标中叶绿素 a( Chla )。
关键词 太湖 富营养化 指 标 相关性
Study on characteristics and correlation among parameters of eutrophication in Taihu Lake Zhang W ei , Wang Xuejun , et al. Department of Urban and Environmental Sciences, Pek ing University , Beijing 100871
由相伴概率可见 ,在 0. 01的显著性水平下有悬
第一作者: 张 巍 , 男 , 1977年出生 ,现为北京大学城市与环境学系硕士研究生。 * 国家自然科学基金 ( 949771068)资助项目
· 50·
张 巍等 太湖水质指标相关性与富营养化特征分析
表 1 叶绿素 a与其他指标回归系数及相伴概率
指标 pH
图 1 太湖监测点位示意图
2 分析与讨论
2. 1 叶绿素 a与其它指标的线形回归 鉴于叶绿素 a是反映水体中浮游植物量最重要
的综合指标 ,故选它做指示因子。通过作各项指标与 叶绿素 a的相关散点图 ,表明它们与叶绿素 a 之间 存在一定的线性关系。以叶绿素 a 为因变量 ,其它指 标为自变量做一元线性回归 ,得出回归方程的回归 系数及相应的 t-统计量和相伴概率 ,见表 1。
于藻类生物量的影响。 这种情况在我国泥沙含量高 的大型浅水湖泊中较为普遍。 表 3列出了我国部分 平原浅水湖泊的透明度和悬浮物含量。
表 3 我国部分湖泊透明度和悬浮物含量 ( 1987～ 1988)*
湖泊 面积 /km2 平均水深 / m 透明度 /m 悬浮物 /mg· L- 1
洪湖
402
1. 9
1. 30
相关系数 相伴概率
总氮
相关系数
相伴概率
总磷
相关系数
相伴概率
叶绿素 a 相关系数 相伴概率
氨氮
相关系数
相伴概率
透明度
- 0. 2250 0. 3267 1. 0000
·
CO DMn 0. 6432 0. 0017 - 0. 2081 0. 3654 1. 0000 ·
总氮
0. 6713 0. 0009 - 0. 2949 0. 1944 0. 7680 0. 0000 1. 0000 ·
环境污染与防治 第 24卷 第 1期 2002年 2月
太湖水质指标相关性与富营养化特征分析*
张 巍 王学军
(北京大学城市与环境学系 , 北京
100 87 1)
江耀慈 周修炜
(国家环保局太湖流域环境监测网中心站
,无锡
21 40 23 )
摘要 为研究太湖第一阶段治理水质富营养化的特征 ,根据 1999年 10月采样数据 ,对总磷、总氮等与富营养化相关的水质指 标进行了统计分析。发现透明度与叶绿素 a之间并未表现出显著的相关性 , 而在聚类图中 ,悬浮物与总磷、总氮显示出密切关系。指 出农村面源仍是太湖中营养物质的重要来源。
Abst ract: Ba sed o n field da ta, th e linea r r eg r ession. Pear so n co r rela tio n a nd hier archical clustering a nalysis o f the para meter s o f eutr ophicatio n in Taihu La ke a re pr esented. It is r ev ealed tha t ther e is no sig nificant co rr ela tion betw een Ch la a nd SD in Pearso n cor relatio n coefficient ma trix . SS is clo sely r ela ted to T P and TN in hie rarchical clustering g ra ph. A g ricultura l no npoint so urce pollution is the im po rta nt so urce of nutritio n in Taihu Lake.
献 ,另一方面是由于氨氮指标的引入。氨氮是以游离 氨或离子氨形态存在于水中的氮 ,湖泊水体中的浮 游植物主要利用氨氮和硝态氮来进行生产 ,而由于 生物化学的原因氨氮更容易被藻类吸收 ,所以氨氮 与叶绿素 a 的关系更为密切。
· 51·
环境污染与防治 第 24卷 第 1期 2002年 2月
标 (相关分析的指标中去掉透明度 ) ,同时为考察现 阶段湖水中溶解氧与藻类现存量的关系 ,又加入溶 解氧指标 ,对这 7项指标进行聚类分析。实现系统聚 类的具体方法有许多种 ,各种方法的区别在于如何 定义和计算两项 (类或变量 )之间的距离或相似性。 对于 R型聚类 ,相似性通常用相关系数来度量。 采 用最大距离法 ,以表 2的 Pearso n相关系数做相似 性度量 ,聚类结果如图 2所示。
14. 36
南四湖 1225
1. 6
0. 52
16. 5
太湖 2338
1. 9
0. 70
19. 9
鄱阳湖 3960
6. 5
0. 65
41. 9
洞庭湖 2740
6. 5
0. 39
79. 58
巢湖
753
2. 4
0. 27
88. 5
* 数据来源: 金相灿等 . 《中国湖泊环境》 (第一、二册 ) ,海洋出版 社 , 1995
Keywords: Taih u Eutr ophicatio n Pa rameter Cor relatio n
1998年底 ,太湖流域开展了排污达标“零点行 动”。 作为全面治理太湖的第一步 ,对江、浙、沪地区 的 1035家重点工业污染源进行限期达标排放。但是 水利部近期组织的对太湖水污染状况调查发现 ,太 湖水质污染程序仍未得到明显缓解。 目前太湖首要 的环境问题是富营养化 , 2000年夏季太湖又一次蓝 藻爆发 ,虽然与气温偏高、太湖水位偏低、湖面风浪 较小等外在因素有关 ,但太湖水体大范围营养盐过 剩 ,磷指标严重超标仍是主要原因。 因此 ,研究第一 阶段治理行动后太湖水质特别是富营养化呈现的特 征 ,对下一步的治理工作具有现实意义。本文根据达 标排放一年后 ,太湖环境监测中心站 1999年 10月 的采样数据 ,应用多元统计方法 ,通过分析太湖中叶 绿素 a 与磷、氮等营养物和其它水质指标的相互关 系 ,阐述太湖水质的富营养化特征 ,为进一步治理污 染的决策和实施提供理论分析和建议。
2. 3 相关指标聚类 聚类分析可以确定样本或指标间的亲疏关系 ,
按其亲疏差异程度形成不同的群组 ,并反映其间的 组合关系。 通过回归相关分析筛选后提供的指标进
行聚类分析 ,可以对被选出指标的内在联系提供必 要的信息。聚类分析的方法有多种 ,最常用的是系统 聚类分析 ,该方法可用于样本聚类 ( Q型 ) ,也可用于 变量聚类 ( R型 )。 根据相关分析的结果选择 6项指
图 2 指标聚类结果
聚类结果反映出太湖水质环境的重要特征: ( 1) 7 项 指 标 总 体 可 分 为 三 类: 叶 绿 素 a、 CO DM n和氨氮 ; 总氮、总磷和悬浮物 ; 溶解氧。各指标 之间的相关系数均为正 ,表明它们的正相关关系。 ( 2) 在聚类过程中叶绿素 a 和 CO DMn的相关系 数最大 ,最先聚为一类。CO DMn主要是指水体中能被 K MnO4氧化的有机物含量。 通常营养物浓度与有 机污染物的含量变化有同步特点 ,在浮游植物生物 量高的水体中 ,可以被氧化的有机物量也高。因此叶 绿素 a 和 CO DM n之间显著的相关关系仅能表明数 量上的协同趋势 ,并不能说明太湖有机物直接成为 藻类生长的制约因素。 ( 3) 总氮、总磷和悬浮物聚为一类 ,表明磷类和 氮类营养盐与悬浮物有着显著的相关关系。 地表特 别 是农 田地区 受暴 雨径 流、 灌溉 、河流 冲刷 的作 用会 产生土壤流失 ,进入湖体而成为湖中悬浮物的重要 来源。由于农药化肥的施用及牲畜饲养、谷堆和作坊 污水的作用 ,农田流失的土壤携带有大量磷、氮化合 物 ,成为湖水磷、氮营养盐类污染的重要来源 ,即通 常所称非点源污染。聚类结果表明 ,磷类和氮类营养 盐与悬浮物有显著的正相关关系 ,反映出太湖营养 盐类的污染受农田非点源的影响较大 ,为太湖污染 的一个重要特征。 ( 4) 氮磷营养盐类是湖泊浮游植物生长的必需 因子 ,但在聚类结果中总氮和总磷却未与叶绿素 a 聚为一类。 这一方面反映了太湖氮磷营养盐与悬浮 物的密切关系 ,即非点源污染对营养盐类污染的贡 · 52·
显著非零 ,表明它们对叶绿素 a 有明显的趋势性影 个指标 ,进行多元相关分析。为消除量纲的影响对数
响。 回归系数为正 ,表明随着它们的改变 ,叶绿素 a 据进行了标准化 ,然后采用 Pearso n相关分析法 ,得
会发生同向趋势性变化。
到相关系数矩阵 ,见表 2。
2. 2 指标间的相关分析
由表 2可见 ,叶绿素 a 与 CO DMn、总氮、总磷、氨
总磷
0. 6626 0. 0011 - 0. 5664 0. 0074 0. 7253 0. 0002 0. 7995 0. 0000 1. 0000 ·
叶绿素 a 0. 6527 0. 0013
- 0. 2443 0. 2858 0. 9313 0. 0000 0. 7164 0. 0003 0. 6724 0. 0008 1. 0000
·
氨氮富营养化
0. 4119 0. 0635 - 0. 2847 0. 2110 0. 7217 0. 0002 0. 6867 0. 0006 0. 5079 0. 0187 0. 7101 0. 0003 1. 0000 ·
对透明度而言 ,一般湖泊中浮游植物增殖 ,叶绿 素 a 增加 ,会直接影响湖泊的透明度 ,两者之间应该 有明显的负相关关系 ,但上面回归分析和相关分析 均表明太湖叶绿素 a与透明度之间相关性不显著。 分别对湖心区和湖岸区点位的透明度和叶绿素 a进 行相关分析 ,相关系数湖心区为 - 0. 611,相伴概率 0. 035, 湖 岸 区 相 关 系 数 为 - 0. 037, 相 伴 概 率 0. 925,在 0. 05显著性水平下认为湖心区透明度和 叶绿素 a的负相关关系显著 ,湖岸区不显著。因此推 测太湖流域水土流失 ,湖周围泥沙进入湖体 ,是干扰 湖水透明度与叶绿素 a关系的可能因素。对此 ,鄱阳 湖和巢湖也有类似现象。金相灿等人的研究表明 ,鄱 阳湖透明度受悬浮物含沙量控制 ,随汛期变化 ; 巢湖 透明度受水中非生物物质对光吸收和散射的影响大
鉴于太湖污染组成的复杂性 ,为了突出对富营 氮之间均存在着显著的正相关关系。除透明度外 ,其
养化有指示作用的因素 ,根据回归分析结果选出悬 他各项指标之间均显著正相相源自文库。
表 2 Pearson 相关系数矩阵
相关分析项目
悬浮物
悬浮物
相关系数
1. 0000
相伴概率 ·
透明度 相关系数
相伴概率
CO DM n
回归系数 4. 080 1. 308
- 0. 723 1. 152
t-统计量 0. 943 3. 755
- 1. 098 0. 684
相伴概率 0. 358 0. 001* 0. 286 0. 502
指标
CO DMn 总氮 总磷 氨氮
回归系数 2. 104 0. 920 0. 865 0. 712
t -统计量 11. 144
4. 476 3. 960 4. 396
相伴概率 0. 000* 0. 000* 0. 001* 0. 000*
* 0. 01显著性水平下否定回归系数为零的原假设
浮物、 CO DMn、总氮、总磷、氨氮 5项指标的回归系数 浮物、透明度、 CO DMn、总氮、总磷、叶绿素 a、氨氮 7
1 数据准备
21个采样点的分布如图 1所示。每个样品分析 了三类指标。第一类是营养盐指标: 总氮 ( TN )、总磷 ( T P) 和氨氮 ( N H2— N ) ; 第二类 是水质理化 指标: pH、悬 浮 物 ( SS)、 透 明 度 ( SD)、 溶 解 氧 ( DO ) 和 CO DM n; 第三类是生物指标中叶绿素 a( Chla )。
关键词 太湖 富营养化 指 标 相关性
Study on characteristics and correlation among parameters of eutrophication in Taihu Lake Zhang W ei , Wang Xuejun , et al. Department of Urban and Environmental Sciences, Pek ing University , Beijing 100871
由相伴概率可见 ,在 0. 01的显著性水平下有悬
第一作者: 张 巍 , 男 , 1977年出生 ,现为北京大学城市与环境学系硕士研究生。 * 国家自然科学基金 ( 949771068)资助项目
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张 巍等 太湖水质指标相关性与富营养化特征分析
表 1 叶绿素 a与其他指标回归系数及相伴概率
指标 pH
图 1 太湖监测点位示意图
2 分析与讨论
2. 1 叶绿素 a与其它指标的线形回归 鉴于叶绿素 a是反映水体中浮游植物量最重要
的综合指标 ,故选它做指示因子。通过作各项指标与 叶绿素 a的相关散点图 ,表明它们与叶绿素 a 之间 存在一定的线性关系。以叶绿素 a 为因变量 ,其它指 标为自变量做一元线性回归 ,得出回归方程的回归 系数及相应的 t-统计量和相伴概率 ,见表 1。
于藻类生物量的影响。 这种情况在我国泥沙含量高 的大型浅水湖泊中较为普遍。 表 3列出了我国部分 平原浅水湖泊的透明度和悬浮物含量。
表 3 我国部分湖泊透明度和悬浮物含量 ( 1987～ 1988)*
湖泊 面积 /km2 平均水深 / m 透明度 /m 悬浮物 /mg· L- 1
洪湖
402
1. 9
1. 30
相关系数 相伴概率
总氮
相关系数
相伴概率
总磷
相关系数
相伴概率
叶绿素 a 相关系数 相伴概率
氨氮
相关系数
相伴概率
透明度
- 0. 2250 0. 3267 1. 0000
·
CO DMn 0. 6432 0. 0017 - 0. 2081 0. 3654 1. 0000 ·
总氮
0. 6713 0. 0009 - 0. 2949 0. 1944 0. 7680 0. 0000 1. 0000 ·
环境污染与防治 第 24卷 第 1期 2002年 2月
太湖水质指标相关性与富营养化特征分析*
张 巍 王学军
(北京大学城市与环境学系 , 北京
100 87 1)
江耀慈 周修炜
(国家环保局太湖流域环境监测网中心站
,无锡
21 40 23 )
摘要 为研究太湖第一阶段治理水质富营养化的特征 ,根据 1999年 10月采样数据 ,对总磷、总氮等与富营养化相关的水质指 标进行了统计分析。发现透明度与叶绿素 a之间并未表现出显著的相关性 , 而在聚类图中 ,悬浮物与总磷、总氮显示出密切关系。指 出农村面源仍是太湖中营养物质的重要来源。
Abst ract: Ba sed o n field da ta, th e linea r r eg r ession. Pear so n co r rela tio n a nd hier archical clustering a nalysis o f the para meter s o f eutr ophicatio n in Taihu La ke a re pr esented. It is r ev ealed tha t ther e is no sig nificant co rr ela tion betw een Ch la a nd SD in Pearso n cor relatio n coefficient ma trix . SS is clo sely r ela ted to T P and TN in hie rarchical clustering g ra ph. A g ricultura l no npoint so urce pollution is the im po rta nt so urce of nutritio n in Taihu Lake.
献 ,另一方面是由于氨氮指标的引入。氨氮是以游离 氨或离子氨形态存在于水中的氮 ,湖泊水体中的浮 游植物主要利用氨氮和硝态氮来进行生产 ,而由于 生物化学的原因氨氮更容易被藻类吸收 ,所以氨氮 与叶绿素 a 的关系更为密切。
· 51·
环境污染与防治 第 24卷 第 1期 2002年 2月
标 (相关分析的指标中去掉透明度 ) ,同时为考察现 阶段湖水中溶解氧与藻类现存量的关系 ,又加入溶 解氧指标 ,对这 7项指标进行聚类分析。实现系统聚 类的具体方法有许多种 ,各种方法的区别在于如何 定义和计算两项 (类或变量 )之间的距离或相似性。 对于 R型聚类 ,相似性通常用相关系数来度量。 采 用最大距离法 ,以表 2的 Pearso n相关系数做相似 性度量 ,聚类结果如图 2所示。
14. 36
南四湖 1225
1. 6
0. 52
16. 5
太湖 2338
1. 9
0. 70
19. 9
鄱阳湖 3960
6. 5
0. 65
41. 9
洞庭湖 2740
6. 5
0. 39
79. 58
巢湖
753
2. 4
0. 27
88. 5
* 数据来源: 金相灿等 . 《中国湖泊环境》 (第一、二册 ) ,海洋出版 社 , 1995
Keywords: Taih u Eutr ophicatio n Pa rameter Cor relatio n
1998年底 ,太湖流域开展了排污达标“零点行 动”。 作为全面治理太湖的第一步 ,对江、浙、沪地区 的 1035家重点工业污染源进行限期达标排放。但是 水利部近期组织的对太湖水污染状况调查发现 ,太 湖水质污染程序仍未得到明显缓解。 目前太湖首要 的环境问题是富营养化 , 2000年夏季太湖又一次蓝 藻爆发 ,虽然与气温偏高、太湖水位偏低、湖面风浪 较小等外在因素有关 ,但太湖水体大范围营养盐过 剩 ,磷指标严重超标仍是主要原因。 因此 ,研究第一 阶段治理行动后太湖水质特别是富营养化呈现的特 征 ,对下一步的治理工作具有现实意义。本文根据达 标排放一年后 ,太湖环境监测中心站 1999年 10月 的采样数据 ,应用多元统计方法 ,通过分析太湖中叶 绿素 a 与磷、氮等营养物和其它水质指标的相互关 系 ,阐述太湖水质的富营养化特征 ,为进一步治理污 染的决策和实施提供理论分析和建议。
2. 3 相关指标聚类 聚类分析可以确定样本或指标间的亲疏关系 ,
按其亲疏差异程度形成不同的群组 ,并反映其间的 组合关系。 通过回归相关分析筛选后提供的指标进
行聚类分析 ,可以对被选出指标的内在联系提供必 要的信息。聚类分析的方法有多种 ,最常用的是系统 聚类分析 ,该方法可用于样本聚类 ( Q型 ) ,也可用于 变量聚类 ( R型 )。 根据相关分析的结果选择 6项指
图 2 指标聚类结果
聚类结果反映出太湖水质环境的重要特征: ( 1) 7 项 指 标 总 体 可 分 为 三 类: 叶 绿 素 a、 CO DM n和氨氮 ; 总氮、总磷和悬浮物 ; 溶解氧。各指标 之间的相关系数均为正 ,表明它们的正相关关系。 ( 2) 在聚类过程中叶绿素 a 和 CO DMn的相关系 数最大 ,最先聚为一类。CO DMn主要是指水体中能被 K MnO4氧化的有机物含量。 通常营养物浓度与有 机污染物的含量变化有同步特点 ,在浮游植物生物 量高的水体中 ,可以被氧化的有机物量也高。因此叶 绿素 a 和 CO DM n之间显著的相关关系仅能表明数 量上的协同趋势 ,并不能说明太湖有机物直接成为 藻类生长的制约因素。 ( 3) 总氮、总磷和悬浮物聚为一类 ,表明磷类和 氮类营养盐与悬浮物有着显著的相关关系。 地表特 别 是农 田地区 受暴 雨径 流、 灌溉 、河流 冲刷 的作 用会 产生土壤流失 ,进入湖体而成为湖中悬浮物的重要 来源。由于农药化肥的施用及牲畜饲养、谷堆和作坊 污水的作用 ,农田流失的土壤携带有大量磷、氮化合 物 ,成为湖水磷、氮营养盐类污染的重要来源 ,即通 常所称非点源污染。聚类结果表明 ,磷类和氮类营养 盐与悬浮物有显著的正相关关系 ,反映出太湖营养 盐类的污染受农田非点源的影响较大 ,为太湖污染 的一个重要特征。 ( 4) 氮磷营养盐类是湖泊浮游植物生长的必需 因子 ,但在聚类结果中总氮和总磷却未与叶绿素 a 聚为一类。 这一方面反映了太湖氮磷营养盐与悬浮 物的密切关系 ,即非点源污染对营养盐类污染的贡 · 52·
显著非零 ,表明它们对叶绿素 a 有明显的趋势性影 个指标 ,进行多元相关分析。为消除量纲的影响对数
响。 回归系数为正 ,表明随着它们的改变 ,叶绿素 a 据进行了标准化 ,然后采用 Pearso n相关分析法 ,得
会发生同向趋势性变化。
到相关系数矩阵 ,见表 2。
2. 2 指标间的相关分析
由表 2可见 ,叶绿素 a 与 CO DMn、总氮、总磷、氨
总磷
0. 6626 0. 0011 - 0. 5664 0. 0074 0. 7253 0. 0002 0. 7995 0. 0000 1. 0000 ·
叶绿素 a 0. 6527 0. 0013
- 0. 2443 0. 2858 0. 9313 0. 0000 0. 7164 0. 0003 0. 6724 0. 0008 1. 0000
·
氨氮富营养化
0. 4119 0. 0635 - 0. 2847 0. 2110 0. 7217 0. 0002 0. 6867 0. 0006 0. 5079 0. 0187 0. 7101 0. 0003 1. 0000 ·
对透明度而言 ,一般湖泊中浮游植物增殖 ,叶绿 素 a 增加 ,会直接影响湖泊的透明度 ,两者之间应该 有明显的负相关关系 ,但上面回归分析和相关分析 均表明太湖叶绿素 a与透明度之间相关性不显著。 分别对湖心区和湖岸区点位的透明度和叶绿素 a进 行相关分析 ,相关系数湖心区为 - 0. 611,相伴概率 0. 035, 湖 岸 区 相 关 系 数 为 - 0. 037, 相 伴 概 率 0. 925,在 0. 05显著性水平下认为湖心区透明度和 叶绿素 a的负相关关系显著 ,湖岸区不显著。因此推 测太湖流域水土流失 ,湖周围泥沙进入湖体 ,是干扰 湖水透明度与叶绿素 a关系的可能因素。对此 ,鄱阳 湖和巢湖也有类似现象。金相灿等人的研究表明 ,鄱 阳湖透明度受悬浮物含沙量控制 ,随汛期变化 ; 巢湖 透明度受水中非生物物质对光吸收和散射的影响大
鉴于太湖污染组成的复杂性 ,为了突出对富营 氮之间均存在着显著的正相关关系。除透明度外 ,其
养化有指示作用的因素 ,根据回归分析结果选出悬 他各项指标之间均显著正相相源自文库。
表 2 Pearson 相关系数矩阵
相关分析项目
悬浮物
悬浮物
相关系数
1. 0000
相伴概率 ·
透明度 相关系数
相伴概率
CO DM n