河南省尖岗水库水质指标关联性分析

河南省尖岗水库水质指标关联性分析

作者：韩枫 王威 魏磊 张佩 韩芳 来源：《科学与财富》2015年第22期

摘 要：尖岗水库是郑州市重要供水水源地，对其加强监管和实施水质自动监测是水源地管理部门的重要工作。对水源地水质指标之间的关联性进行分析，可以使水质自动监测设施在指标有限的情况下反映更多的水质信息，从而提高水质自动监测分析和预警的及时性和有效性。尖岗水库水质指标之间相关系数的分析结果表明，在一定的显著性水平下，硫酸盐、硝酸盐、氯化物和氟化物四个无机盐指标高度正相关，高锰酸盐指数和五日生化需氧量均与溶解氧负相关；氨氮和pH值负相关；三氮之间的相关关系不明显。 关键词：水源地；水质预警；水质指标；关联性分析；相关系数

随着工农业的发展，近年来我国大部分供水水源地的水质状况不容乐观，突发性水污染事件也日益威胁城市供水安全，特别是近年来我国重大突发性水污染灾害事件时有发生。为加强对饮用水源地安全监控，及时应对水源水质变化，切实保障人民群众饮水安全，建设水质自动监测站成为必然。 2011年水利部印发了《全国重要饮用水水源地安全保障达标建设目标要求（试行）》要求水源地管理部门建立自动在线监控设施，对饮用水水源地取水口及重要供水工程设施实现24小时自动视频监控。水质自动监测站可及时快速反映水质变化，但也有其缺陷，那就是可监测的指标有限。而水质监测的各项之别之间也不是相互孤立的，个个指标之间往往具有“协同”或 “拮抗”效应。对各个水质指标之间的关联性进行分析，让有限的监测指标反映出更多的信息，从而及时应对水质变化，对水厂及时调整水处理工艺，行政部门及时作出决策具有重要意义。

1.尖岗水库概况及其水质状况

尖岗水库位于淮河流域贾鲁河干流上游的郑州市二七区侯寨乡尖岗村，属中型水库。总库容为6820万立方米， 2000年，尖岗水库被确定为郑州市一级饮用水备用水源。作为南水北调中线工程的受水水库和未来郑州的重要饮用水源，加强对尖岗水库的监控和管理十分迫切。近期水质监测结果表明，尖岗水库水质总体状况较好，水质类别稳定在地表水质量Ⅲ类标准，2013年水质监测数据见表1。 2.水质指标间相关系数计算

采用R型聚类分析法中两两变量间相关系数的计算方法进行各指标间相关系数的计算，用相关系数表征各指标间的亲疏关系。为了消除数据随机波动以及数据之间单位不同对分析结果造成的影响，按照公式（1）对数据进行标准化转化。由于pH值为氢离子活度的负对数，现将其转化为浓度，然后进行标准化。

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（2） 式（2）中

|Rα|越接近于1，表明两个指标之间关系越密切。利用尖岗水库2013年监测数据，通过软件计算得到各个指标的相关系数矩阵见表2。 3.相关系数显著性检验

求得相关系数后，必须对相关系数进行显著性检验。在样本数一定的情况下，是否显著相关与显著性水平α的大小有关。α值越大，显著相关指标个数会越多。求得相关系数R后，按如下方法判断显著性：如果|Rα| > Rα则表明指标之间相关， 否则， 指标之间没有关联。 ，其中， tα为利用自由度n - 2的t分布求得的（双尾） ； n为样本数。本文中共采用12个月的监测数据，n为12。不同α值下Rα的计算结果见表3。 4.结果讨论及展望

在一般的统计检验中，显著性水平的取值即为0.01或者0.05。根据图1和表3可见，α=0.01时，要求|Rα|>0.708，此时，硫酸盐、硝酸盐、氯化物和氟化物之间可认为显著相关，可以认为，尖岗水库水质数据中，这几种阴离子盐类关系极为紧密，阴离子组成比例基本稳定，这与水库污染源多为生活污水有关。

升高显著性水平α=0.05时， |Rα| >0.576即可以判定两个指标见显著相关。此时可以看到，氨氮和pH值呈现正相关，这符合氨氮的酸碱属性；3个耗氧指标中，高锰酸盐指数和化学需氧量相关系数达到0.69，呈现正相关，这与高锰酸盐指数只能反映水中70%左右的还原性物质是符合的，而五日生化需氧量和二者相关系数都较小，可见水库水的可生化性较差，水体自净能力一般；五日生化需氧量和溶解氧相关系数为-0.59，高锰酸盐指数和溶解氧相关系数为-0.54，呈现负相关，这与微生物氧化有机物耗氧的自净原理相符合；氨氮、硝酸盐氮和总氮这三氮之间的相关系数均很小，这可能是水体中氮源以有机形态居多造成的，氨氮多为微生物降解产物。

在水质自动检测数据分析中取多大的α值是合适的，笔者认为应该根据水质自动监测分析和预警的精度要求而定，在决策正确性和信息完整性之间寻找平衡点。

分析水源地水质指标的关联性，为水源地自动站检测参数的科学选取奠定了基础，为利用有限的数据，及时预警水源污染程度，为后续水厂及时调整处理工艺，行政管理部门及时作出决策提供了有力保障。后续研究可以关联性分析为基础，建立水质指标之间的关联模型，用于量化预测目前无法直接监测的指标。本文的分析是建立在无突发性污染事故排放的基础上的，对于排污口突发性排放，由于污水组成复杂，精度将受到影响。可在下一步的工作中，结合排污口调查，对各个排污口可能的事故排放污水进行成分分析，对关联模型进行修正，从而实现精度较高的定量分析。

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参考文献

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[4] 春乃芽. 利用Excel实现R型聚类分析[J]. 物探与化探， 2007， 31 （4） ： 374～376. 作者简介：

韩芳；性别：女；出生年：1986.12；籍贯：宁夏银川；学历：硕士；职务：助教；研究方向：社会医学。

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