水环境因子时空分布特征研究进展

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-02-26 10:37 热度：

摘 要：摘 要：介绍和分析了水资源状况和水环境质量现状，阐释了国内外水质时空分布特征研究现状及其研究意义。 系统列举和详细阐述了主成分分析法，聚类分析法，判别分析法和多维尺度分析法

　　摘 要：介绍和分析了水资源状况和水环境质量现状，阐释了国内外水质时空分布特征研究现状及其研究意义。 系统列举和详细阐述了主成分分析法，聚类分析法，判别分析法和多维尺度分析法等水质时空分布特征研究方法，并对未来研究方向进行了展望。

　　关键词：水环境;时空分布;多元统计法

　　1 概述

　　1.1 水资源现状。 全球水资源13.8×108 km3 ， 海水占97.5%， 淡水占 2.5%，而其中很大一部分在南北两极以冰雪形式存在，人类能直接使用只有0.01%。自20世纪以来，全球用水人口增加了4亿人左右。诸多国家遭遇严重缺水问题，全球将近10亿人缺少用水卫生设备，每年约有 400万人死于因水引发的疾病[1] 。 联合国发布的《 2014年联合国世界水资源开发报告》预测全球人口数量可能在2025年增加到83亿，面临用水困难和紧张国家的人口将增至30亿。 我们需要更有效地利用淡水，减少地表水污染，更有效地重复利用水，否则全球将有一半人口遭受高度缺水压力，这对于全球是一个巨大挑战。2014，我国拥有的水资源约为27267.0亿m3 ，相比往年值减少1.6%，地表以下水资源为1003.0亿 m3 。 从水资源南北分区来看，我国南方水资源约22608.4亿m3 ，和往年相比增加0.7%，占全国水资源总量82.9%;北方水资源约4658.5亿m3 ，和往年相比减少11.6%，占全国水资源总量17.1%。 我国水资源总量占降水总量45.2%[2] ， 可直接使用的水资源量占水资源总量比重很小，水资源利用不够充分，水浪费现象严重，尤其是北方严重缺水，水污染严重[3] 。 水资源缺乏和水污染是影响我国经济发展重要因素，我国是全球 13个水资源贫乏的国家之一，21世纪以来，我国经济和社会飞速发展，加上人口大量增长，我国用水高峰预测将在2030年发生。 如果听任现状持续恶化而不采取有效措施，我国未来将会出现更严重的水资源危机，水资源危机已成为制约中国可持续发展的重要因素。

　　1.2 水环境现状。 水环境问题是因为自然和人类活动，导致环境特征与水环境向不利于人类开发利用方向发展而形成的。我国水环境问题主要有洪涝灾害、河流枯萎、干旱缺水、水体污染、河口淤积、水土流失等，水环境污染是我国目前河流面临最严重的问题。2014，我国水利部对全国21.6万公里河段水质进行了综合评价，11.7%河段为劣Ⅴ类水， 4.7%河段为Ⅴ类，10.8%河段为Ⅳ类水，23.4%河段为Ⅲ类水，43.5%河段为Ⅱ类水，5.9%河段为Ⅰ类水，整体水质状况居中。 对全国121个主要湖泊水域面积共2.9万km2 水体水质进行了综合评价，其中25个湖泊为劣Ⅴ类湖泊，占20.7%;57个湖泊为Ⅳ～Ⅴ类，占47.1%;39个湖泊为Ⅰ ～Ⅲ类，占32.2%。 对5551个水功能区进行了评价，2873个满足水域功能目标，占51.8%。 对北方2071眼水质监测井评价，结果显示地下水水质整体较差，35.9%水质极差、48.9%较差、14.7%水质良好、0.5%水质优良[4] 。 总体来说，我国水环境污染是一个严峻的现实问题。

　　2 国内外研究现状

　　水体水质受诸多因素影响如地形、气候、植被和人类活动因素多层次和多尺度综合影响[5-6]。 地表水水环境因子在时空分布上存在差异性[7] ，很大程度上影响着水环境生态系统[8] ，水质评价信息很大程度来自水质时空特征研究。 近20年来，我国江河流域经济快速发展和人口急剧增长，对其流域资源不断开发，使环境遭到严重破坏，水质状况呈不断下降趋势，严重影响流域生态安全稳定。 水质时空分布特征是监测和管理河流水质有效手段。 对流域水质时空变化特征研究，结合流域环境特征和水质时空综合分析，预测污染物变化趋势，不仅能准确描述流域水质状况， 同时能准确呈现出地域变异性和流域污染情况，为河流水环境质量评价提供准确信息，同时能为流域水质长期保护与管理方案提供参考依据。 2.1 国外研究现状。 20世纪50年代，在国际水文会主持下进行了“ 全球性河流水质研究计划”[9] ， 其范围涉及全球诸多河流， 至今已有70年左右，其成果依旧在全球性地表水水质研究中有着重大影响和积极的指导意义。 此后，地表水水环境研究沿着两个方向发展，一是各国学者对全世界具有代表性河流水环境进行研究[10]，如Gibbs对亚马逊河、Connel 对尼罗河、Eisma对扎伊尔河的水环境进行研究。 Gibbs对全球100条多河流的水质进行研究， 对河流主要离子成分及来源进行了研究分析。这项研究对后来学者对水质研究有着指导意义。 20世纪70年代末，水质研究进入一个黄金期， 很多国际性和国家水质研究项目相继启动，例如SCOPE全球河流水质研究计划等;二是诸多国家启动了河流水质监测计划，同时诸多国家针对跨国河流开展了水环境质量监测计划[11]，如跨国河流莱茵跨河在德国主持下进了多国合作水质监测计划。 2.2 国内研究现状。 国内水环境因子时空变化研究也取得一定成果，特别对大河和湖泊水质变化过程分析比较清晰。 在水质研究中,主要对离子浓度变化进行表征[12][13]。 对于水质时空变化和社会经济发展关系研究也有一定成果。 陈静生等[14]根据长江1940~1970年数据应用多元统计法进行研究，得出结论：长江中上游水质呈现酸化趋势，这是由于严重酸沉降过程和农田氮肥施用过程造成的。 陈静生等[15]根据自 1950以后黄河40多个水质监测点监测的数据进行研究， 对田间灌溉回水，灌溉用水量与水质变化相关性进行分析，指出研究区域水质变化原因。 盖美等[16]就大连市海岸线水质状况及影响因素进行研究，指出社会发展和废水排放量是导致水环境质量状况下降原因。

　　李波[17]等研究了淮河、海河、珠江等各时间段水质变化特征，淮河流域及洪泽湖水质波动性大，时空分异性强。随着城市化节奏加快，上游外源污染和城内源污染增加，超出水体自净能力，使水质日益恶化。董慧峪等[18]根据南苕溪支流锦溪2005~2010年监测数据，对研究区域进行时空变化特征分析，结果显示，导致锦溪水质下降主要因素是农业面源污染。 陈德超等[19]通过对上海市区河流水质研究指出城市化高速发展加重了城市河流污染。水环境时空分布特征研究能够为水质评价提供动态信息，同时也是河流水质监测和管理的手段，研究河流水质参数时空变化特征是获取水环境信息、评价水环境质量、查明污染来源、修复和治理湖泊污染的基础。

　　3 研究方法

　　水质时空分布特征研究常用方法为多元统计分析法， 多元统计分析方法包括主成分分析、聚类分析、判别分析、多维尺度分析等。 多元统计分析法也简称为多元统计，多元统计概念最早在《 多元正态总体样本协方差矩阵的精确分布》提出。 20世纪30年代，在R. A. Fisher, H. Hotelling, S. N. Roy、许宝驭等人努力下促进了多元分析理论上的发展。到了20世纪40年代，多元统计在多个领域得到了很好地应用，例如于教育、生物、生理等领域。 但由于当时计算机技术限制，计算工作量大，其发展受到很大限制。 50年代初期，计算机技术得到飞速的发展，使多元统计也得到了很好的发展。多元统计迅速被应用于社会、教育、医疗等各个领域，经过二十年发展和积累，在实践中不断发展和完善其理论。 理论的完善和新方法相继出现，在很大程度上扩大了多元统计法在实践中应用范围。 20世纪70年代，我国多个领域开始关注多元统计分析方法，特别是在21世纪时，随着计算机技术日益成熟和技术飞速发展，计算机计算速度质的提高、数据处理软件和人工智能技术的发展，这给多元统计注入了新的生命力，使多元统计在众多学科领域得到很好地应用，例如环境、水利、教育、农业、工程技术、社会经济、气象等。 环境科学因多元统计应用其研究领域得到了进一步发展和完善。

　　3.1 主成分分析法。 主成分分析法被称为主分量分析法。 1901，美国学者Pearson将主成分分析法引入生物学理论研究。 1933， 国外学者 Hotelling将主成分分析法理论应用心理学领域。 1947，Karhunen应用概率论将主成分分析法进行深入研究，而后Loe've将主成分分析法思想进一步完善[20]。 其原理是通过降低维度思想把先前众多有一定联系水质参数，重组成相互无联系综合指标来代替水质参数，以此来简化计算。 任泽[21]对洱海流域水质时空分布特征研究中，采用主成分分析法，提取了4个主成分，这四个主成分时空上差异明显。在时间维度上， Alk表现为枯水期低于丰水期;Ca2+ 表现为丰水期低于枯水期;TP在时间维度上不表现出显著变化;TN在A1和A3组表现为枯水期低于丰水期。 王菊翠[22]在对陕西段泾河水质时空分布特征研究中，为了解各个时期水质指标之间关系，采用主成分分析法、因子分析法进行分析，得到结论：在枯水期，两断面以自然输入盐化指标为主，景村断面还有包含上游因人类活动流入有机污染;丰水期以因人类活动流入非点源污染指标为主， 硫酸盐是泾河陕西段各个时期最重要的水质指标变量。伊元荣[23]等对伊犁河水质时空分布特征研究中，采用主成分分析法，将研究区划分成不同区域进行系统比较， 研究结果显示，8个断面中， 63%断面河流水质较好，其中轻度污染有4个，中度污染有1个，基本上位于河流上下游地区;其中污染严重断面3个，是因为伊宁市生活污水排放和工业废水处理未达标直接排到流域而形成的污染。 李森等[24]以太湖为样区，选取2003~2010年监测数据，对参数年均值进行主成分分析。 提取了3个主成分，其累计贡献率均大于85%，而且第1主成分所包含的水质指标均相同，故采用第1主成分来代表太湖水质状况。胡香芳等[25]选取三江交汇处3个断面1984~1998年水质数据，采用主成分分析法进行研究。研究表明：其中三个断面受硝酸盐氮影响比较大，悬浮物和化学需氧量在丰水期和平水期对水质影响较大。 在河流汇集前，水污染最轻断面为凉姜沟;水污染居中为江口，水质污染最严重是小南门。 李经伟等[26]对白洋淀进行水质时空分布研究中，采用主成分分析法。 结果表明：主成分分析法从整体上准确反映河流各段水环境质量状况，这有利于相关部门监控水污染问题，相关部门可根据受污染水资源情况采取有效措施。 王琼等[27]以东小清河流域为样区，以2012~ 2013年丰水期和枯水期水质监测为基础， 对小清河流域各种形态氮磷浓度时空分布特征研究，采用主成分分析法和其他多元统计法分析了集水区各种土地利用方式对氮磷输出所造成的影响。

　　3.2 聚类分析。 聚类分析是将研究对象按其共性进行分类，以便系统地加以科学研究的一种有效方法。 其意在于辨认有着相似特征样本，然按其特性把样本分成几类，属同类样本有着高度共质性，而属于异类样本具有高度相异性。在水质评价中常用的聚类分析方法有灰色聚类、系统聚类法、模糊聚类法等。模糊聚类分析是先计算各样本间相关系数、相似系数、距离或者其它特征相似程度的量来建立样本之间的模糊关系，将模糊关系改造为模糊等价关系，然后依据模糊等价关系，取不同Λ截集，将样本分成几类，最后实现模糊聚类分析。 系统聚类分析是先将样本个体各自作一类，然后依据个体之间关联程度，逐步地将关联最紧密两类进行归并，每归并一次就少一类，以此同时计算新类与其他各类之间关联程度，然后依照同样方法进行分类归并，直到整个样本成为一类为止。 灰色聚类是充分利用已知信息，将灰色系统淡化、白化，其中灰色聚类分析法是以灰色关联分析结果R值为基础聚类方法，它是将聚类对象在不同聚类指标下，按灰类进行归纳，达到评价结果。 徐华山等[28]对漳卫南运河水质时空分布特征进行研究，采用聚类分析、季节性Kendall法分析。 空间聚类和采样点因子得分表明在空间上该河流水质可分两类：一是中上游区域，水质优良;二是流域东部平原区，受到污染严重，同时沿流域很多点源直接排入污染物，故水质较差。 李一平等[29]以太湖为研究区域，选取了2001年25个站点监测数据，结合站点地理位置，采用动态聚类分析法对太湖水质时空分布特征进行研究。动态分析结果直观地呈现出水质在时间和空间上空变化特征，太湖水环境在时空表现出一定相关性，月份之间相关性浮动更加明显。 任泽等[30]根据洱海流域62个监测点水质数据，采用聚类分析法，对流域水质时空变化特征进行研究，在空间上将监测点分为4 类，判别分析结果表明聚类准确率达95.2%。

　　3.3 判别分析。 判别分析法是用于判别个体所属群体的一种统计方法。 判别分析法将已知样本划成几类，然后取各种类型少许已知样本观测数据训练样本，然后采用一定标准建立判别函数，在对未知类型样本进行判别分类。 对于要进行聚类分析样本而言，一开始并不知道会被划分成什么类型，所以聚类分析作用就是来确定样本类型。 因此把判别分析法经常和聚类分析联合，如判别分析是需要事先了解各类总体情况才可以判断新样本分类。当并不是很了解样本总体分类情况时，可先应用聚类分析对原样本进行分类，再用判别分析法对新样本进行判别，郭蓉[31]依据2008年京杭运河苏州段监测数据，对其流域水质时空分布特征进行研究，采用聚类分析与判别分析进行分析，以辨别水质参数在时空上差异性。 时间聚类分析将京杭运河分为三个时期，而这三个与枯、平、丰水期略有差异。 空间聚类分析将该流域划分为3个区域;空间分析判别函数构建表明：仅pH、氨氮、高锰酸盐指数、 DO、BOD5 5项水质参数就可以反映该流域水质的差异性。

　　3.4 多维尺度分析。 多维尺度分析技术是一种探索性数据分析技术。广泛应用在各研究领域，因为操作过程相对简单，可以直观于研究变量之间非线性关系[32]。 它可将具有很多变量大型数据压缩到一个低维空间，构成一个空间图形，用空间点来表示变量之间某种联系。它可以用于探索变量之间非线性关系， 也能处理称名变量和顺序变量数据，而且不需要数据符合多元正态分布。 当采用最小空间分析、因子分析等对数据进行分析时，析取典型性信息存在一定困难时，这个多维尺度技术可以作为一种比较理想替代性技术。

　　李然然[33]在对查干湖浮游生物与环境因子关系过程中采用了多维尺度分析。 在此研究上，创建了研究区域湿地生态风险评价指标体系，定量评估该区域生态风险，提出相应水环境保护管理对策。这对维持查干湖湿地生态系统稳定和管理该地区水资源有积极的意义。张逸俊[34]对珠江广州城市流域主要水质和微生物参数进行监测和分析，对图谱进行聚类分析和多维尺度分析，结果表明广州河段微生物群落相似度较高。 王刚等[35]对西苕溪水质在时空变化特征进行研究;应用单因素方差分析和多维尺度分析实现时空统一分析。 研究结果表明：同一时间不同河段间存在着明显差异性，全流域在时间维度上平，枯水期和丰水期水质存在明显差异，非一同水期之间差异性最小的是相邻城区下游河段，突出了人类活动干扰的持久性。

　　4 结论

　　介绍了世界和中国水资源状况，分析了国家水环境质量现状，阐述国内外水质时空分布特征研究现状及其研究意义，同时列举水质时空分布特征的研究方法和应用实例。系统阐述了多元统计法中几种常用的方法：主成分分析法，聚类分析法，判别分析法，多维尺度分析法。以往水环境因子分布特征研究基本上是从时间和空间两个维度分别进行，很少将二者统一进行研究，以后研究可采用主成分分析、多维尺度分析等多种多元统计方法，将时间和空间维度统一，在流域水环境因子时空变化特征基础上，深入研究流域水环境因子时空异质性。——论文作者：伍冠星1 杨永宇1 刘 畅2

　　参考文献

　　[1] 张薇，赵亚娟.国际水资源现状与研究热点[J].地质通报，2009( 3)： 28-2.

　　[2] 中国水利部.中国水资源公报[R].中国水利水电出版社，2014.

　　[3] 刘喜峰，徐红松，宋文娟.我国北方地区水资源问题及对策[J].河南水利与南水北调，2007( 13)：21-50.

　　[4] 中国环境保护部.中国环境状态公报[R].中国环境科学出版社， 2014.

　　[5] 刘昌明，王红瑞.浅析水资源与人口经济和社会环境的关系[J].自然资源学报，2003( 5)：635-644.

文章名称：水环境因子时空分布特征研究进展

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