专利名称：无机营养盐污染源解析方法
无机营养盐污染源解析方法技术领域
本发明属于水域环境污染物源分析技术领域，涉及一种无机营养盐污染源解析方法。
背景技术：
随着经济和社会的发展，地表水氮、磷污染严重，出现了不同程度的富营养化，极大地威胁着人民群众的身体健康。弄清氮、磷等无机营养盐的来源是保护水源地水质的重要前提。
钱晓雍等人(钱晓雍等.基于水环境功能区划的农业面源污染解析及其空间异质性.农业工程学报.第27卷第2期，103-108)提出了一种基于水环境功能区划的农业面源污染解析方法，其通过清单分析方法和等标污染负荷法，以乡镇为单元研究了上海市化肥施用、有机肥施用、农作物秸秆、家禽养殖、水产养殖、农村生活污水等农业面源污染来源化学需氧量、总氮、总磷等污染物的排放量及其贡献率，并根据各区域水环境功能区划分别在区县尺度和乡镇尺度分析了农业面源污染程度及其区域分布。
金菊良等人(金菊良等.流域非电源污染源解析的投影寻踪对应分析方法.水利学报.第38卷第9期.1032-1049)为了分析非点源污染物及其来源的因果关系，提出了机遇加速遗传算法的投影寻踪对应分析方法，并应用于流域非点源污染解析研究中。
张爱平等人(张爱平等.宁夏引黄灌区水体污染现状及污染源解析.中国生态农业学报.第18卷第6期.1295-1301)分析了 2002-2007年黄和宁夏段监测断面和引黄灌区典型排水沟的水质情况。但是该文献仅报道了该地区的污染结果，未给出具体的分析监测方法。
刘华良等人(刘华良等.苏南河网地区小城镇水环境污染源分析研究.农业环境科学学报.2006，25(4): 1050-1054)采用问卷调查、模型计算、类比推算以及取样监测的方法，对江苏省丹阳市水污染源进行了调查分析，并采用等标污染负荷法对污染源及其排放的污染物进行了评价。但是采用问卷调查等分析形势不具备专利法上的实用性。
聂泽宇的硕士论文(太湖流域苕溪面源污染源解析与过程控制技术研究，2011年 1月)首先通过野外水质监测考察了苕溪水质氮磷污染现状，利用氮磷比解析了苕溪及其入湖后的富营养化风险，并提出了水质改善策略；其次通过稻田AWD节水灌溉与SSNA肥料管理耦合试验初步得知，水肥管理能有效控制暴雨径流氮磷流失量；最后通过对沟渠水质进行野外现场取样及在线监测分析，并结合生态浮床以体现氮磷流失过程阻控对策。
综上，上述现有技术的无机营养盐污染源解析方法大多对湖泊流域污染源解析大面积普查，然后根据污染物输移及降解过程，计算污染物达到目标水源量，解析目标水域污染物源解析，这种方法工作量大，并要预知污染源位置、强度，根据不种污染源对目标水域影响解析目标水域的污染物源。发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种无机营养盐污染源解析方法，具体技术方案如下。
一种无机营养盐污染源解析方法，其特征在于包括以下步骤(1)开展水域环境问题与特征分析，以聚焦水域为核心，设置采样点；(2)依据水域环境问题和特征，确定观测和水样分析指标集，进行观测和采样；(3)分析水样，进行指标的无量纲处理，开展因子分析，将累计贡献率大于80%确定为污染主控因子，获取指标集中指标与主控因子关联度大的指标；(4)计算主控因子在各监测点的得分，利用线性插值方法进行其在研究水域不同位置得分，确定主控因子梯度空间分布和主控因子最大值以及最小值位置；(5)依据主控因子关联指标间因果关系、河口位置、主控因子得分梯度和空间大小分布特征，判断污染物的主要来源。
无机营养盐污染源解析是一种应用因子分析技术对水源地无机营养盐污染源成分进行分析并结合样本的空间分布特征，得到水体污染源的权重贡献率及主要污染来源的解析方法。
首先根据水源地的地形及面积设置采样点，要求能基本反应水源地无机营养盐分布情况；其次根据样本分析结果运用因子分析得出主因子及污染贡献率；最后将各因子贡献率与样本空间分布相结合作出污染分布图，进一步分析污染来源。
本方法的主要原理是以多变量之间的相关关系为基础，在多变量中寻找相互独立的变量组合，构成最少个数的独立的公共因子，这些少数因子不仅提供了研究对象总变化的绝大部分信息，而且还能揭示研究对象之间的相互关系，尤其是成因上的联系。
本发明的有益效果在于该方法能找出湖泊水源地无机污染物的主要来源，及时采取措施控制污染来源。在湖泊富营养化治理方面节约大量的时间以及少走很多弯路，提高工作效率，在水源地水质保护方面也能节约大量成本。现有技术中的污染源解析方法大多对湖泊流域污染源解析大面积普查，然后根据污染物输移及降解过程，计算污染物达到目标水源量，解析目标水域污染物源解析，这种方法工作量大，并要预知污染源位置、强度， 根据不种污染源对目标水域影响解析目标水域的污染物源；本发明的技术方案和现有技术刚好相反，是以目标水域问题为导向，从目标水域出发向其来源不断追索，因此不要对其流域或关联区所有污染源解析调查，观测采样相对简单，投资小，更加具备实用性和可操作性。
图1浅水湖泊无机营养盐污染源源解析工艺。
具体实施方式
实施例1结合
本发明的具体实施方式
，如图1所示，本发明的主要技术工艺为，依据湖泊自然特性(地形、出入河道分布、风速风向)和环境特点，设置多个调查观测点，确定样品采集的种类(水样、沉积物、生物)和数量，以及各样品分析的指标，进行现场调查、样品采集以及指标分析，获取无机营养盐污染源解析的基本数据，在此基础上开展因子分析，提取湖泊无机营养盐污染的主控因素，同时进行因子间关联性和相互转换位相分析，利用线性插值方法，获取研究区域或湖泊主要污染因子空间分布，依据污染因子空间分布确定因子空间梯度变化，在此基础上依据梯度、各指标对污染因子贡献率、湖泊地形与河道分布、营养盐转换位相关系，确定污染物来源的河道和位置。
具体实施步骤1)湖泊形态与河道分布特征分析查阅历史资料和相关遥感卫星影像，重点确定湖泊形状，岛屿数、湖湾数、出入湖河道数以及它们所处的位置，湖泊岸线植被类型，湖泊水深和底质。根据湖泊水文特征指出湖泊无机营养盐污染可能输入区域及位置。
2)观测样点布设与样品类型数量的确定查阅湖泊相关历史资料，分析湖泊存在的主要问题，根据湖泊河道分布和形状布设进行监测点布设。
单进单出小型湖泊，在河道入口及入湖河道段各布设一个测点，湖心及出湖口各布设一个测点，入湖河口、湖心、出湖河口连线两侧各布一个测点。
对于多河道入湖与多河道出湖的大型湖泊，观测和采样点设置根据目标水域所处位置设置。目标水域位于湖泊湖湾，调查和采样点应设置在与该湖湾河相通出入河道河口、 湾口、以及目标水域，其中对于湾口长度较大水域应设置3-4个测点，湾口长度较小设置 1-2测点，目标水域布置3-4个观测样点，其中一点布置于目标水域核心点，其余点布设应以核心点为中心环状布置，设湖心点与入湖河口以及湾口测点的距离长短布置1-2两个观测采样点。就整湖湾而言，若测点空间分布不均，在特别湖湾观测采样点特别稀疏的地方插补观测采样2-3个。目标水域位于湖泊敞水区，在目标水域核心点布置1个观测采样点，在核心点四周环状均勻布置4-8个观测采样点，在湖泊主要入湖河道河口各布置观测采样点 1个，视核心至各出入湖河口观测采样点距离长短等距布设1-3个观测采样点。
观测采样点湖底为硬底或基岩，仅采集水样样品，湖底为软底需要同时采集底泥沉积物，若观测采样点有高等植物分布需采集水生植物样品。样品采集数量由采样点数量、 采集样品种类决定。
3)现场观测与样品采集和分析现场观测应在风浪较小的天气进行，现场观测项目主要为湖流、风向、风速、温度、透明度、PH等，水样采集深度为水面下50cm处，采集的样品用洁净容器密闭尽快送至实验室分析，沉积物样品采集可采样柱状采样器、彼德森采样器采集，水生植物样品采集可利用彼德森采样器采集。水以及沉积物样品分析项目根据解析关注目标污染物确定，对于富营养化湖泊，水样分析项目应包括 C0D_、TN、DTN、TP、DTP、chla, PO广-P、NH4+_N、NO^-N、NOf N、SS 等，沉积物样品分析项目包括无机氮、无机磷的含量和有机氮、有机磷含量。样品分析方法参见富营养化湖泊调查规范。
4)污染主制因子和因子间关联度分析由于反应湖泊无机营养盐污染的指标C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、chla、Ρ0/—-Ρ、NH4+_N、 N02_-N、N03—N、SS等，沉积物样品分析项目包括无机氮、无机磷的含量和有机氮、有机磷含量之间并非完全独立，指标之间存在一定的关联性，各指标所表征的湖泊水体污染程度之间也存在较大差别。因此需要以反应水体污染的C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、P043_-P、NH4+_N、NO2^-N, NOfN、SS等指标为基础，通过指标间的相互关系分析，构建基于C0Dm、TN、DTN、TP、 DTP、ch 1 ^ P043_-P、NH4+-N、N02_-N、N03—N、SS等指标线性组合指标集Q (独立的公共因子)， 集内的组合指标相互独立，同时 C0Dm、TN、DTN、TP、DTP、chla, PO广-P、NH4+_N、NO2^-N, NOf N,SS等指标可用它们的线性组合表征。将依据Q集内指标与CODm、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、 P0/—-P、NH4+-N、NO2--N, N03—N、SS等指标关系，计算各观测采样点Q集内指标值，同时Q集内指标值大小确定第一、第二、第三湖泊污染因子，同时依据C0D_、TN、DTN、TP、DTP、chl^ Ρ0/—-Ρ、NH4+-N、NO2--N, NO3-N, SS等指标对Q集内指标值贡献大小，确定第一，第二、第三污染因子关键影响指标。其中指标间的相互关系分析采用数理统计多元变量相关关系分析方法分析。
5)线性空间插值和空间分布制图目标研究区所在湖湾或湖泊，按一定的空间步长(步长大小依据研究区域空间尺度定， 一般不超过500m)，进行研究区域的离散，并确定离散点数量和空间坐标。利用观测采样点独立的公共因子的计算值，采用线性插值方法，计算各空间离散点的独立的公共因子。线性插值的权重可以用离散点到观测采样点距离确定，距离越近权重越大，距离越远权重越小。 利用离散点独立因子值，利用GIS或相关计算机绘图软件(surfer)生成独立因子空间分布等值线或位图。
6)污染物来源判析依据 C0D_、TN、DTN、TP、DTP、chla, PO广-P、NH4+_N、NO^-N、N03—N、SS 等指标相关关系以及各物质的转化关系以及各关系之间相容性，明确C0D_、TN、DTN、TP、DTP、^Wa、P043__P、 NH4+-N、NO2--N, NO3-N, SS等指标相关关系的因果顺序，从而确定无机营养盐转化位相关系。 根据独立的公共因子最大、最小分布位置以及其主要贡献指标的位相关系以及河道分布位置，基于除藻类可在风场作用下飘移富集外污染物由浓度高向浓度低处扩散降低的原理， 确定污染物来源的方向。
实施例2按照实施例1的方法步骤，选择太湖东半部梅梁湾、贡湖湾、湖东滨岸区及东太湖水源地无机营养盐污染源解析，找出水源地污染的主控因子以及污染来源。表1是依据测试数据用因子分析法得出的太湖东半部水源地主要污染因子及贡献率。
表1太湖东半部水源地主要污染因子分析及贡献率
权利要求
1.无机营养盐污染源解析方法，其特征在于包括以下步骤(1)开展水域环境问题与特征分析，以聚焦水域为核心，设置采样点；(2)依据水域环境问题和特征，确定观测和水样分析指标集，进行观测和采样；(3)分析水样，进行指标的无量纲处理，开展因子分析，将累计贡献率大于80%确定为污染主控因子，获取指标集中指标与主控因子关联度大的指标；(4)计算主控因子在各监测点的得分，利用线性插值方法进行其在研究水域不同位置得分，确定主控因子梯度空间分布和主控因子最大值以及最小值位置；(5)依据主控因子关联指标间因果关系、河口位置、主控因子得分梯度和空间大小分布特征，判断污染物的主要来源。
全文摘要
本发明属于水域环境污染物源分析技术领域，涉及一种无机营养盐污染源解析方法。该方法主要包括以下步骤开展水域环境问题与特征分析，以聚焦水域为核心，设置采样点；依据水域环境问题和特征，确定观测和水样分析指标集，进行观测和采样；分析水样，进行指标的无量纲处理，开展因子分析，将累计贡献率大于80%确定为污染主控因子，获取指标集中指标与主控因子关联度大的指标；计算主控因子在各监测点的得分，利用线性插值方法进行其在研究水域不同位置得分，确定主控因子梯度空间分布和主控因子最大值以及最小值位置；依据主控因子关联指标间因果关系、河口位置、主控因子得分梯度和空间大小分布特征，判断污染物的主要来源。
文档编号G01N33/18GK102507891SQ20111038586
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者李钦钦, 胡维平, 邓建才 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所