维普资讯 http://www.cqvip.com
ｊｃｅ Ｓｃｉ．（湖泊科学），２００６，１８（５）：５４５—５４９ ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｌａｋｅｓ．ｏｒｇ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｌａｋｅｓ＠ｎｉｇｌａｓ．ａｃ．ｃｎ ⑥２００６ ｂｙ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｋｅ Ｓｃ／ｅｎｃｅｓ 鄱阳湖乐安河流域水质监测优化布点 弓晓峰 ，陈春丽 ，赵晋 ，刘春英 （１：南昌大学教育部鄱阳湖湖泊生态与生物资源利用实验室，南昌３３００４７） （２：南昌大学环境科学与工程学院，南昌３３００２９） （３：南昌有色冶金设计研究院，南昌３３０００２） （４：江西财经大学环境与资源学院，南昌３３００１３） 摘要：采用鄱阳湖乐安河流域１３个监测断面１９９５—２００２年８年的污染指标的监测平均值作为原始数据，应用物元分析 法对各监测断面进行优化．在确定最佳和最次理想点的基础上，建立标准物元矩阵和节域物元矩阵，并结合综合关联函 数，选出优化点位．同时应用相关分析中的距离分析和Ｋ一均值聚类法确定各监测点所属类别．综合这三种优化结果，最 终确定乐安河流域可以由传统的１３个监测点位优化为９个监测点位． 关键词：乐安河；优化布点；物元分析；相关分析；聚类法 Ｑｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐｏｉｎｔｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｅ’ａｎ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ ｏｆ Ｌａｋｅ Ｐｏｙａｎｇ ＧＯＮＧ Ｘｉａｏｆｅｎｇ。 ＣＨＥＮ Ｃｈｕｎｌｉ ．ＺＨＡＯ Ｊｉｎ ＆ＬＩＵ Ｃｈｕｎｙｉｎｇａ ．（１：Ｋｅｙ ａｂＬｏｒａｔｏｒｙ ｆ ｏａｋＬｅ Ｐｏｙａｎｇ Ｅｃｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＢＩＯ—ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｆ ｏＭＯＥ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４７．Ｐ Ｒ．Ｃｈｉａ） ｎ（２：Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆＮａｎｏｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００２９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉａ）ｎ （３：Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｅｎｇｉｅｅｒｎｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅｒｃｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆ ｏＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３０００２，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉａ）ｎ （４：Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｆＪｉｏａｎｇｘｉ Ｆｉａｎｎｃｉａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉａ）ｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｔｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｐｏｉｎｔｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｅｈｎ Ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｏｆ Ｌａｋｅ Ｐｏｙａｎｇ，ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｉｎ ８ ｙｅａｒｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｒｏｍ １９９５ ｔｏ ２００２ ａｓ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａ１ ｄａｔａ．Ｍａｔｔｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ ｐａｒｔｉａｌ ｕｎｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｍｕｍ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｍｕｍ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｃｈｏｓｅｎ．ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐｏｉｎｔｓ ａｌｅ ｃｈｏｓｅｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｅｌｏｎｇｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ Ｋ—Ｍｅａｎｓ Ｃｌｕｓｔｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｌｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｂｏｖｅ，ｔｈｅ １３ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｅ’ａｎ Ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｏｆ Ｌａｋｅ Ｐｏｙａｎｇ ｃａｎ ｂｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｏ ９ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｉｔｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｅ’ａｎ Ｒｉｖｅｒ；ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｐｏｉｎｔｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｍａｔｔｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；Ｋ－Ｍｅａｎｓ Ｃｌｕｓｔｅｒ 对于水环境监测中的优化布点问题，国内外不同学者采取了物元分析法¨－５］、最优分割法 等最优化 布点方法．物元分析法 是处理不相容问题的一种有效方法，将其运用在对大气、噪声以及水质监测布点 的优化上，可取得令人满意的结果．本文采用物元分析法对乐安河流域监测断面进行优化，同时应用相关分 析和Ｋ一均值聚类法确定各监测点所属类别，得到最优化水质监测断面，目前尚未见相关文献报道． １乐安河监测点位状况 乐安河源于江西与浙江省交界处，流经婺源、德兴、乐平、万年、鄱阳等县（市），在鄱阳以南约１０ ｋｍ处 。教育部科学技术研究重点项目（２０４０７６）和江西省教育厅科学技术项目联合资助．２００５—１０—１９收稿；２００５—１２ １９收修改稿．弓晓峰，女，１９６２年生，博士，教授；Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｆｇｏｎｇ＠ｎｅｌ１．ｅｄｕ．ｃａ． 维普资讯 http://www.cqvip.com
ｋ Ｓｃｉ．（湖泊科学），２００６，１８（５） 的姚公渡与昌江汇成饶河后进入鄱阳湖，全长２７９ ｋｍ．中国最大的露天开采铜矿一德兴铜矿位于乐安河上 游，再加上沿岸工业废水、生活污水等污染，致使乐安河多项污染物指标超标，尤其是Ｃｕ、Ｐｂ、ＣＯＤ 、氨氮等 严重超标，其污染已经波及到鄱阳湖的水质 ”］． 乐安河流域传统监测布点示意图及各监测断面设置状况分别见图１和表１所示． 图１乐安河流域监测布点点位图 Ｆｉｇ．１ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｌｅ’ａｎ Ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｏｆ Ｌａｋｅ Ｐｏｙａｎｇ 表１乐安河流域水质现状调查站位表 Ｔａｂ．１ Ｓｕｒｖｅｙ ｓｉｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｔａｔｕｓ ｉｎ ｑｕｏ ２物元分析与结果 ２．１标准物元矩阵和节域物元矩阵的建立 以乐安河流域各监测断面１９９５—２００２年８年来几项污染指标平均值作原始数据（表２）进行物元分 析．根据物元分析法及水质监测优化布点原理 ’ ，结合表２中ａ、ｂ、ｃ各项污染指标值，分别建立标准物 元矩阵和节域物元矩阵．将每个采样点作为一个事物，其污染指标测定值构成一个待优化的物元矩阵． ２．２关联函数的计算 ２．２．１线性关联函数的计算监测点位的各单项指标对“最佳”、“最次”理想标准的线性关联函数公式为： 维普资讯 http://www.cqvip.com
弓晓峰等：鄱阳湖乐安河流域水质监测优化布点 ５４７ （１） ）＝旨 （２） 式中，Ｘ 为采样点第Ｊ项污染指标监测值， —ｂ 分别为最佳理想点ｎ、最次理想点ｂ及数学期望点ｃ的第ｊ 项污染指标值．将表２数据代入（Ｉ）、（２）式，得各采样点单项指标线性关联函数． ２．２．２综合关联函数的计算４项污染指标的综合关联函数为： （ ）＝∑ＷｊＫａ（Ｘ ） （ ）＝∑ （ ） Ｊ ｌ （３） （４） 式中， 为第Ｊ项污染指标的权值．按以上公式、地面水环境质量标准 和权值计算各监测点的综合关联 函数Ｋ （Ｘ ）及Ｋ６（Ｘ ）值，结果如表３． 表２ １９９５—２００２年枯水期乐安河水质检测平均值统计结果 Ｔａｂ．２ Ｍｅａｎ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｌｅ’ａｎ Ｒｉｖｅｒ ｉｎ ｌｏｗ・ｗａｔｅｒ ｐｅｒｉｏｄ ｆｒｏｍ １９９５ ｔｏ ２００２ ２．３结果分析 根据关联函数含义，并结合各采样点在图２中Ｋａ—Ｋｂ平面上的点聚图分布情况，将１３个监测断面优 维普资讯 http://www.cqvip.com
５４８ Ｊ．Ｌａｋｅ Ｓｅｉ．（湖泊科学），２００６，１８（５） ●２ １．５ １．０ 一 啦 。１１ ０．５ ＿ ｌ ＩＩ ｌ●１２ ．０．４ ．０，３ ．０．２ ．Ｏ．１ ，’ ０１ ．０．２ ●１ ７ ０．３ ０．４ Ｋａ ●１０ ． －０．５ 一 ●１， ．１．０ 图２ Ｋ 和 图 Ｆｉｇ．２ Ｋ ａｎｄ Ｋ６ 化为１Ｏ个监测断面．Ａ２为一类；Ａ６、Ａ９可优化为同一类；Ａ１１号为一类；Ａ１２为一类；Ａ５为一类；Ａ７、Ａ８为 一类；Ａ１０为一类；Ａ１为一类，Ａ１３为一类；Ａ３、Ａ４为另外一类．分布在第Ⅱ象限的监测断面符合“最佳理想 标准”点位条件，而Ａ２、Ａ６、Ａ１１、Ａ１２符合程度最好，故Ａ２、Ａ６、Ａ１１、Ａ１２为最优选监测断面；分布在第Ⅳ象 限内的监测断面符合“最次理想标准”点位条件，Ａ１、Ａ５、Ａ８、Ａ１０、Ａ１３监测断面符合程度最好，故Ａ１、Ａ５、 Ａ８、Ａ１０、Ａ１３监测断面为另一类优选断面．Ａ３、Ａ４分布在Ⅲ象限，不符合“最佳理想标准”和“最次理想标 准”条件，但考虑其位于乐安河上游，且香屯设有水文站，故把Ａ３和Ａ４优化为一个监测断面，作为乐安河 的上游监控断面，因Ａ４比Ａ３符合程度稍好，故选择Ａ４． 由上所述，用物元分析法可把乐安河流域优化为以下１０个监测断面：Ａ１、Ａ２、Ａ４、Ａ５、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１１、 Ａ１２、Ａ１３，即海口、沽口、香屯、戴村、虎山、韩家渡、石镇、蔡家湾、双巷和龙口． ３相关性分析¨ 相关分析中的距离分析就是通过距离长短来判别变量之间的相似性，把彼此距离较近的归为一类，通 常用于变量的分类、利用ＳＰＳＳ软件中的距离分析对上述１３个监测点位进行分析，以两变量差值平方和的 平方根为各点位间的距离，从距离上看，Ａ３和Ａ４间距离约为１，故把Ａ３和Ａ４归为一类；Ａ５和Ａ１２间距离 小于１，归为一类；Ａ６，Ａ７，Ａ１１相互间距离小于１，归为一类；Ａ８，Ａ９，Ａ１０相互间距离小于ｌ，归为一类； Ａ１，Ａ２，Ａ１３各自一类． 故由两变量差值平方和的平方根距离，把１３个监测点分为以下７类：Ａ１为一类，Ａ２为一类，Ａ３、Ａ４为 一类，Ａ５、Ａ１２为一类，Ａ６、Ａ７、Ａ１１为一类，Ａ８、Ａ９、Ａ１０为一类，Ａ１３为一类． ４ Ｋ一均值聚类法结果与分析 Ｋ一均值聚类分析可以确定各样点属性，采用ＳＰＳＳ软件中的Ｋ一均值聚类法过程对表２数据进行处 理，得到快速聚类分析观测量所属类表，它把所有监测点位分为四大类．Ａ１号和Ａ１３号属于同一类；Ａ３号 和Ａ４号为一类；Ａ２号独自一类；而其余各监测点为另一类．结合其得到的快速聚类分析最终类中心间距离 表来看。说明第一和第二类、第一和第四类、第二和第三类距离较远，其余各类之间距离相对小一些、同时， 第三类同类之间距离也存在一定差异，故第三类还需细分．在考虑优化必须设有主要监测断面、控制断面和 对照断面的原则上，把Ａ１号和Ａ１３号划为两类． ５结论 二三种方法优化结果比较见表４ 维普资讯 http://www.cqvip.com
弓晓峰等：鄱阳湖乐安河流域水质监测优化布点 ５４９ 表４几种方法优化结果比较 Ｔａｂ．４ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄ 从以上分析可知： （１）运用物元分析法进行监测断面得优化布点过程中，其物元理论通俗易懂，计算简便，也容易进行计 算机编程，并且物元分析结果显而易见． （２）用Ｋ一均值聚类法并借助ＳＰＳＳ软件可以很容易得到各监测点位所属类别，但其类别太过于笼统， 需要进一步细分；再结合相关分析，综合这三种方法来对监测点位进行优化布点，结果更理想，更切合实际， 弥补了单一方法所存在的客观缺陷． 综合三种方法的优化结果，并结合乐安河目前的传统采样点布设情况，可以把乐安河各监测点位优化 为Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１１，Ａ１３，即海口、沽口、香屯、戴村、虎山、韩家渡、石镇、蔡家湾和龙口，共９ 个断面．可以准确代表测区的实际情况；同时也提高了监测数据的有效性和代表性，并避免了重复设置带来 的经济投入过大，减少了一定的丁作量和经费． ６参考文献 ［１］ 国家环境保护局．环境监测技术规范（第一册）．北京：中国环境科学出版社，１９８６：２—１０． ［２］ 高．用物元分析进行水质环境监测优化布点的研究．环境科学进展，１９９７，５（３）：７７—８１． ［３］ 高．物元分析在水质富营养化评价中的应用．环境科学进展，１９９５，３（５）：４３—４９． ［４］ 高．物元分析在大气环境质量综合评价中的应用．环境监测技术与管理，１９９６，８（３）：２２—２４． ［５］ 张—勇，黄醒群，易志伟等．灰色局势物元分析进行河流优化布点．中国环境监测，１９９９，１５（３）：２４ ２６． ［６］ 张青新．最优分割法在河流断面优化中的应用．环境科技，１９９１，１１（６）：２８—３１． ［７］ 蔡文．物元分析．广州：广东高等教育出版社，１９８７． ［８］ 简敏菲，弓晓峰，游［９］ 简敏菲，弓晓峰，游［１０］简敏菲，弓晓峰，游海等．鄱阳湖水土环境及其水生维管束植物重金属污染．长江流域资源与环境， 海等．水生植物对铜、铅、锌等重金属元素富集作用的评价研究．南昌大学学报， 海．鄱阳湖流域重金属污染对湖区湿地生态功能的影响及防治对策．江西科学， ２００４，１３（６）：５８９—５９３． ２００４，２６（１）：８５—８８． ２００３，２１（３）：２３０—２３４． ［１１］吕兰军．鄱阳湖水及其沉积物中的重金属调查．上海环境科学，１９９４，１３（５）：１７—２１． ［１２］许木启．利用浮游动物群落结构与功能特征监测乐安江一鄱阳湖口重金属污染．应用与环境生物学 报，１９９６，２（２）：１６９—１７４． ［１３］王嵘，万金保．乐安河水环境现状调查与保护对策．江西化工，２００４，３：１３２—１３５． ［１４］国家环境保护局．地面水环境质量标准．北京：中国标准出版社，１９８８：１—２． ［１５］杨端和．语言研究应用ＳＰＳＳ软件实例大全．北京：中国社会科学出版社，２００４：１９６—２４２．
