專利名稱：無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析方法
無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于水域環(huán)境污染物源分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，地表水氮、磷污染嚴(yán)重，出現(xiàn)了不同程度的富營養(yǎng)化，極大地威脅著人民群眾的身體健康。弄清氮、磷等無機(jī)營養(yǎng)鹽的來源是保護(hù)水源地水質(zhì)的重要前提。
錢曉雍等人(錢曉雍等.基于水環(huán)境功能區(qū)劃的農(nóng)業(yè)面源污染解析及其空間異質(zhì)性.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).第27卷第2期，103-108)提出了一種基于水環(huán)境功能區(qū)劃的農(nóng)業(yè)面源污染解析方法，其通過清單分析方法和等標(biāo)污染負(fù)荷法，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元研究了上海市化肥施用、有機(jī)肥施用、農(nóng)作物秸稈、家禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水等農(nóng)業(yè)面源污染來源化學(xué)需氧量、總氮、總磷等污染物的排放量及其貢獻(xiàn)率，并根據(jù)各區(qū)域水環(huán)境功能區(qū)劃分別在區(qū)縣尺度和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度分析了農(nóng)業(yè)面源污染程度及其區(qū)域分布。
金菊良等人(金菊良等.流域非電源污染源解析的投影尋蹤對應(yīng)分析方法.水利學(xué)報(bào).第38卷第9期.1032-1049)為了分析非點(diǎn)源污染物及其來源的因果關(guān)系，提出了機(jī)遇加速遺傳算法的投影尋蹤對應(yīng)分析方法，并應(yīng)用于流域非點(diǎn)源污染解析研究中。
張愛平等人(張愛平等.寧夏引黃灌區(qū)水體污染現(xiàn)狀及污染源解析.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào).第18卷第6期.1295-1301)分析了 2002-2007年黃和寧夏段監(jiān)測斷面和引黃灌區(qū)典型排水溝的水質(zhì)情況。但是該文獻(xiàn)僅報(bào)道了該地區(qū)的污染結(jié)果，未給出具體的分析監(jiān)測方法。
劉華良等人(劉華良等.蘇南河網(wǎng)地區(qū)小城鎮(zhèn)水環(huán)境污染源分析研究.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).2006，25(4): 1050-1054)采用問卷調(diào)查、模型計(jì)算、類比推算以及取樣監(jiān)測的方法，對江蘇省丹陽市水污染源進(jìn)行了調(diào)查分析，并采用等標(biāo)污染負(fù)荷法對污染源及其排放的污染物進(jìn)行了評價(jià)。但是采用問卷調(diào)查等分析形勢不具備專利法上的實(shí)用性。
聶澤宇的碩士論文(太湖流域苕溪面源污染源解析與過程控制技術(shù)研究，2011年 1月)首先通過野外水質(zhì)監(jiān)測考察了苕溪水質(zhì)氮磷污染現(xiàn)狀，利用氮磷比解析了苕溪及其入湖后的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，并提出了水質(zhì)改善策略；其次通過稻田AWD節(jié)水灌溉與SSNA肥料管理耦合試驗(yàn)初步得知，水肥管理能有效控制暴雨徑流氮磷流失量；最后通過對溝渠水質(zhì)進(jìn)行野外現(xiàn)場取樣及在線監(jiān)測分析，并結(jié)合生態(tài)浮床以體現(xiàn)氮磷流失過程阻控對策。
綜上，上述現(xiàn)有技術(shù)的無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析方法大多對湖泊流域污染源解析大面積普查，然后根據(jù)污染物輸移及降解過程，計(jì)算污染物達(dá)到目標(biāo)水源量，解析目標(biāo)水域污染物源解析，這種方法工作量大，并要預(yù)知污染源位置、強(qiáng)度，根據(jù)不種污染源對目標(biāo)水域影響解析目標(biāo)水域的污染物源。發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析方法，具體技術(shù)方案如下。
一種無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析方法，其特征在于包括以下步驟(1)開展水域環(huán)境問題與特征分析，以聚焦水域?yàn)楹诵?，設(shè)置采樣點(diǎn)；(2)依據(jù)水域環(huán)境問題和特征，確定觀測和水樣分析指標(biāo)集，進(jìn)行觀測和采樣；(3)分析水樣，進(jìn)行指標(biāo)的無量綱處理，開展因子分析，將累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%確定為污染主控因子，獲取指標(biāo)集中指標(biāo)與主控因子關(guān)聯(lián)度大的指標(biāo)；(4)計(jì)算主控因子在各監(jiān)測點(diǎn)的得分，利用線性插值方法進(jìn)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(jù)主控因子關(guān)聯(lián)指標(biāo)間因果關(guān)系、河口位置、主控因子得分梯度和空間大小分布特征，判斷污染物的主要來源。
無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析是一種應(yīng)用因子分析技術(shù)對水源地?zé)o機(jī)營養(yǎng)鹽污染源成分進(jìn)行分析并結(jié)合樣本的空間分布特征，得到水體污染源的權(quán)重貢獻(xiàn)率及主要污染來源的解析方法。
首先根據(jù)水源地的地形及面積設(shè)置采樣點(diǎn)，要求能基本反應(yīng)水源地?zé)o機(jī)營養(yǎng)鹽分布情況；其次根據(jù)樣本分析結(jié)果運(yùn)用因子分析得出主因子及污染貢獻(xiàn)率；最后將各因子貢獻(xiàn)率與樣本空間分布相結(jié)合作出污染分布圖，進(jìn)一步分析污染來源。
本方法的主要原理是以多變量之間的相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ)，在多變量中尋找相互獨(dú)立的變量組合，構(gòu)成最少個數(shù)的獨(dú)立的公共因子，這些少數(shù)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(guān)系，尤其是成因上的聯(lián)系。
本發(fā)明的有益效果在于該方法能找出湖泊水源地?zé)o機(jī)污染物的主要來源，及時采取措施控制污染來源。在湖泊富營養(yǎng)化治理方面節(jié)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(zhì)保護(hù)方面也能節(jié)約大量成本。現(xiàn)有技術(shù)中的污染源解析方法大多對湖泊流域污染源解析大面積普查，然后根據(jù)污染物輸移及降解過程，計(jì)算污染物達(dá)到目標(biāo)水源量，解析目標(biāo)水域污染物源解析，這種方法工作量大，并要預(yù)知污染源位置、強(qiáng)度， 根據(jù)不種污染源對目標(biāo)水域影響解析目標(biāo)水域的污染物源；本發(fā)明的技術(shù)方案和現(xiàn)有技術(shù)剛好相反，是以目標(biāo)水域問題為導(dǎo)向，從目標(biāo)水域出發(fā)向其來源不斷追索，因此不要對其流域或關(guān)聯(lián)區(qū)所有污染源解析調(diào)查，觀測采樣相對簡單，投資小，更加具備實(shí)用性和可操作性。


圖1淺水湖泊無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源源解析工藝。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，如圖1所示，本發(fā)明的主要技術(shù)工藝為，依據(jù)湖泊自然特性(地形、出入河道分布、風(fēng)速風(fēng)向)和環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)置多個調(diào)查觀測點(diǎn)，確定樣品采集的種類(水樣、沉積物、生物)和數(shù)量，以及各樣品分析的指標(biāo)，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查、樣品采集以及指標(biāo)分析，獲取無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析的基本數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上開展因子分析，提取湖泊無機(jī)營養(yǎng)鹽污染的主控因素，同時進(jìn)行因子間關(guān)聯(lián)性和相互轉(zhuǎn)換位相分析，利用線性插值方法，獲取研究區(qū)域或湖泊主要污染因子空間分布，依據(jù)污染因子空間分布確定因子空間梯度變化，在此基礎(chǔ)上依據(jù)梯度、各指標(biāo)對污染因子貢獻(xiàn)率、湖泊地形與河道分布、營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)換位相關(guān)系，確定污染物來源的河道和位置。
具體實(shí)施步驟1)湖泊形態(tài)與河道分布特征分析查閱歷史資料和相關(guān)遙感衛(wèi)星影像，重點(diǎn)確定湖泊形狀，島嶼數(shù)、湖灣數(shù)、出入湖河道數(shù)以及它們所處的位置，湖泊岸線植被類型，湖泊水深和底質(zhì)。根據(jù)湖泊水文特征指出湖泊無機(jī)營養(yǎng)鹽污染可能輸入?yún)^(qū)域及位置。
2)觀測樣點(diǎn)布設(shè)與樣品類型數(shù)量的確定查閱湖泊相關(guān)歷史資料，分析湖泊存在的主要問題，根據(jù)湖泊河道分布和形狀布設(shè)進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)。
單進(jìn)單出小型湖泊，在河道入口及入湖河道段各布設(shè)一個測點(diǎn)，湖心及出湖口各布設(shè)一個測點(diǎn)，入湖河口、湖心、出湖河口連線兩側(cè)各布一個測點(diǎn)。
對于多河道入湖與多河道出湖的大型湖泊，觀測和采樣點(diǎn)設(shè)置根據(jù)目標(biāo)水域所處位置設(shè)置。目標(biāo)水域位于湖泊湖灣，調(diào)查和采樣點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在與該湖灣河相通出入河道河口、 灣口、以及目標(biāo)水域，其中對于灣口長度較大水域應(yīng)設(shè)置3-4個測點(diǎn)，灣口長度較小設(shè)置 1-2測點(diǎn)，目標(biāo)水域布置3-4個觀測樣點(diǎn)，其中一點(diǎn)布置于目標(biāo)水域核心點(diǎn)，其余點(diǎn)布設(shè)應(yīng)以核心點(diǎn)為中心環(huán)狀布置，設(shè)湖心點(diǎn)與入湖河口以及灣口測點(diǎn)的距離長短布置1-2兩個觀測采樣點(diǎn)。就整湖灣而言，若測點(diǎn)空間分布不均，在特別湖灣觀測采樣點(diǎn)特別稀疏的地方插補(bǔ)觀測采樣2-3個。目標(biāo)水域位于湖泊敞水區(qū)，在目標(biāo)水域核心點(diǎn)布置1個觀測采樣點(diǎn)，在核心點(diǎn)四周環(huán)狀均勻布置4-8個觀測采樣點(diǎn)，在湖泊主要入湖河道河口各布置觀測采樣點(diǎn) 1個，視核心至各出入湖河口觀測采樣點(diǎn)距離長短等距布設(shè)1-3個觀測采樣點(diǎn)。
觀測采樣點(diǎn)湖底為硬底或基巖，僅采集水樣樣品，湖底為軟底需要同時采集底泥沉積物，若觀測采樣點(diǎn)有高等植物分布需采集水生植物樣品。樣品采集數(shù)量由采樣點(diǎn)數(shù)量、 采集樣品種類決定。
3)現(xiàn)場觀測與樣品采集和分析現(xiàn)場觀測應(yīng)在風(fēng)浪較小的天氣進(jìn)行，現(xiàn)場觀測項(xiàng)目主要為湖流、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、透明度、PH等，水樣采集深度為水面下50cm處，采集的樣品用潔凈容器密閉盡快送至實(shí)驗(yàn)室分析，沉積物樣品采集可采樣柱狀采樣器、彼德森采樣器采集，水生植物樣品采集可利用彼德森采樣器采集。水以及沉積物樣品分析項(xiàng)目根據(jù)解析關(guān)注目標(biāo)污染物確定，對于富營養(yǎng)化湖泊，水樣分析項(xiàng)目應(yīng)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(xiàng)目包括無機(jī)氮、無機(jī)磷的含量和有機(jī)氮、有機(jī)磷含量。樣品分析方法參見富營養(yǎng)化湖泊調(diào)查規(guī)范。
4)污染主制因子和因子間關(guān)聯(lián)度分析由于反應(yīng)湖泊無機(jī)營養(yǎng)鹽污染的指標(biāo)C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、chla、Ρ0/—-Ρ、NH4+_N、 N02_-N、N03—N、SS等，沉積物樣品分析項(xiàng)目包括無機(jī)氮、無機(jī)磷的含量和有機(jī)氮、有機(jī)磷含量之間并非完全獨(dú)立，指標(biāo)之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，各指標(biāo)所表征的湖泊水體污染程度之間也存在較大差別。因此需要以反應(yīng)水體污染的C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、P043_-P、NH4+_N、NO2^-N, NOfN、SS等指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過指標(biāo)間的相互關(guān)系分析，構(gòu)建基于C0Dm、TN、DTN、TP、 DTP、ch 1 ^ P043_-P、NH4+-N、N02_-N、N03—N、SS等指標(biāo)線性組合指標(biāo)集Q (獨(dú)立的公共因子)， 集內(nèi)的組合指標(biāo)相互獨(dú)立，同時 C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、chla, PO廣-P、NH4+_N、NO2^-N, NOf N,SS等指標(biāo)可用它們的線性組合表征。將依據(jù)Q集內(nèi)指標(biāo)與CODm、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、 P0/—-P、NH4+-N、NO2--N, N03—N、SS等指標(biāo)關(guān)系，計(jì)算各觀測采樣點(diǎn)Q集內(nèi)指標(biāo)值，同時Q集內(nèi)指標(biāo)值大小確定第一、第二、第三湖泊污染因子，同時依據(jù)C0D_、TN、DTN、TP、DTP、chl^ Ρ0/—-Ρ、NH4+-N、NO2--N, NO3-N, SS等指標(biāo)對Q集內(nèi)指標(biāo)值貢獻(xiàn)大小，確定第一，第二、第三污染因子關(guān)鍵影響指標(biāo)。其中指標(biāo)間的相互關(guān)系分析采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)多元變量相關(guān)關(guān)系分析方法分析。
5)線性空間插值和空間分布制圖目標(biāo)研究區(qū)所在湖灣或湖泊，按一定的空間步長(步長大小依據(jù)研究區(qū)域空間尺度定， 一般不超過500m)，進(jìn)行研究區(qū)域的離散，并確定離散點(diǎn)數(shù)量和空間坐標(biāo)。利用觀測采樣點(diǎn)獨(dú)立的公共因子的計(jì)算值，采用線性插值方法，計(jì)算各空間離散點(diǎn)的獨(dú)立的公共因子。線性插值的權(quán)重可以用離散點(diǎn)到觀測采樣點(diǎn)距離確定，距離越近權(quán)重越大，距離越遠(yuǎn)權(quán)重越小。 利用離散點(diǎn)獨(dú)立因子值，利用GIS或相關(guān)計(jì)算機(jī)繪圖軟件(surfer)生成獨(dú)立因子空間分布等值線或位圖。
6)污染物來源判析依據(jù) C0D_、TN、DTN、TP、DTP、chla, PO廣-P、NH4+_N、NO^-N、N03—N、SS 等指標(biāo)相關(guān)關(guān)系以及各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系以及各關(guān)系之間相容性，明確C0D_、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、P043__P、 NH4+-N、NO2--N, NO3-N, SS等指標(biāo)相關(guān)關(guān)系的因果順序，從而確定無機(jī)營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化位相關(guān)系。 根據(jù)獨(dú)立的公共因子最大、最小分布位置以及其主要貢獻(xiàn)指標(biāo)的位相關(guān)系以及河道分布位置，基于除藻類可在風(fēng)場作用下飄移富集外污染物由濃度高向濃度低處擴(kuò)散降低的原理， 確定污染物來源的方向。
實(shí)施例2按照實(shí)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(qū)及東太湖水源地?zé)o機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析，找出水源地污染的主控因子以及污染來源。表1是依據(jù)測試數(shù)據(jù)用因子分析法得出的太湖東半部水源地主要污染因子及貢獻(xiàn)率。
表1太湖東半部水源地主要污染因子分析及貢獻(xiàn)率
權(quán)利要求
1.無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析方法，其特征在于包括以下步驟(1)開展水域環(huán)境問題與特征分析，以聚焦水域?yàn)楹诵?，設(shè)置采樣點(diǎn)；(2)依據(jù)水域環(huán)境問題和特征，確定觀測和水樣分析指標(biāo)集，進(jìn)行觀測和采樣；(3)分析水樣，進(jìn)行指標(biāo)的無量綱處理，開展因子分析，將累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%確定為污染主控因子，獲取指標(biāo)集中指標(biāo)與主控因子關(guān)聯(lián)度大的指標(biāo)；(4)計(jì)算主控因子在各監(jiān)測點(diǎn)的得分，利用線性插值方法進(jìn)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(jù)主控因子關(guān)聯(lián)指標(biāo)間因果關(guān)系、河口位置、主控因子得分梯度和空間大小分布特征，判斷污染物的主要來源。
全文摘要
本發(fā)明屬于水域環(huán)境污染物源分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種無機(jī)營養(yǎng)鹽污染源解析方法。該方法主要包括以下步驟開展水域環(huán)境問題與特征分析，以聚焦水域?yàn)楹诵?，設(shè)置采樣點(diǎn)；依據(jù)水域環(huán)境問題和特征，確定觀測和水樣分析指標(biāo)集，進(jìn)行觀測和采樣；分析水樣，進(jìn)行指標(biāo)的無量綱處理，開展因子分析，將累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%確定為污染主控因子，獲取指標(biāo)集中指標(biāo)與主控因子關(guān)聯(lián)度大的指標(biāo)；計(jì)算主控因子在各監(jiān)測點(diǎn)的得分，利用線性插值方法進(jìn)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(jù)主控因子關(guān)聯(lián)指標(biāo)間因果關(guān)系、河口位置、主控因子得分梯度和空間大小分布特征，判斷污染物的主要來源。
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(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者李欽欽, 胡維平, 鄧建才 申請人:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所