双乳山水库溶解氧的时空分布特征分析

近年来，河流湖泊等水体的污染呈现越来越加重的趋势，对居民生活和工农业生产造成了严重影响。其污染物主要为氮、磷、有机物等，导致水体含氧量（DO）降低，致使水体浮游动植物因缺氧而死亡，从而散发出异味，影响生产和生活用水的质量。因此，DO含量是反映水体水质状况的直接指标［1］。本文以忻州市双乳山水库水体中DO含量的观测数据为基础，对其进行经验正交函数分析（EOF），以探讨水体中的DO时空变化特点和规律，为水环境部门采取针对性的防治措施提供科学依据。1材料与方法1.1研究区简况双乳山水库位于忻州市境内的云中河上，于1962年修建，总库容360万m3，控制面积为305km2，以蓄洪灌溉和提供饮用水为主。流域内的主要作物为玉米、马铃薯及蔬菜等。属典型的温带大陆性季风气候，年均气温4.3-9.2℃，年降水量345-588mm。1.2样品采集点布置与采集双乳山水库有两条河流注入，近似卵形。根据该水库的形状特征，共布置3个取样区域，编号分别为SK1、SK2和SK3。其中，SK1位于水库上游水域，紧邻两条河流汇合处；SK2位于水库中部，距水库两侧距离基本相近；SK3位于水库下游，距坝体和SK2距离基本相近。每个采样区域从水体表面到水下共设3个取样点，其中水面样点为1，2m处为2，4m处为3。如SK1区域的采样点位为SK1-1、SK1-2和SK1-3。2012年7月到2013年6月，对该水库进行了为期一年的定点取样和检测，并现场测量DO含量。取样和监测时间每个月定时，若遇降雨、大风等天气影响向后延长2-3d。1.3研究方法DO含量采用便携式溶解氧仪测量［2］，型号为BDO-820，测定范围0.0-20.0mg/L，测量精度±0.1mg/L，具有温度补偿功能和便捷准确的特点，适合野外现场作业。各监测点的水样采集后，迅速装入塑料采样瓶密封。全部样品采集结束后，就近在无太阳直射处在规定时间内逐一进行DO含量测定。由于水库不同水深处的水温具有差异，采集样品的水温会发生一定变化，并逐渐接近于外界环境温度，但DO含量的差异不大，故忽略不计。为了减少误差，所用数据均为3次重复测定的平均值。DO时空分布特征，采用EOF（经验正交函数分解法）进行分析。这种分析方法是针对一个要素场X进行的，其基本原理是对包含p个空间点（变量）的场根据时间变化进行分解，从变量场的资料集中识别出主要的相互正交的空间分布型和从多变量序列中提取主要的相互独立的新变量序列，用少数几个新变量序列反映原多个变量的变化信息［3］。其数学表达式为：X=VZ（1）设要素场X有m个空间点，样本长度为n，对资助项目：山西省青年科技研究基金项目（2013021031-4）；山西省水利厅科研项目“土地利用类型对氮素载移过程和机理影响的研究”收稿日期：2015-03-22贺军（山西省水利建设开发中心）囗试验研究双乳山水库溶解氧的时空分布特征分析摘要：2012年7月到2013年6月，对忻州市双乳山水库水体中的DO含量进行了为期一年的动态监测，用经验正交函数分解法（EOF）对监测资料进行了时空分解。结果表明：该水库水体中的DO含量呈现表面高于2m水深处和4m水深处，且同一监测区不同水深处差异显著，不同监测区同一水深处没有显著差异。DO含量的空间分布，在三个监测区具有相对一致的变化趋势。时间系数没有较一致的变化规律，存在着不确定性。关键词：DO含量经验正交函数分解法时空分布双乳山水库中图分类号：X131.2；TV213.4文献标识码：A文章编号：1008-0120（2015）02-0012-03第2期2015年6月山西水土保持科技SoilandWaterConservationScienceandTechnologyinShanxiNo.2Jun.2015·12·其作EOF分解。（1）求实对称矩阵A。其计算公式为：A=1nX·XT（2）式中，A为m×m阶实对称方阵，XT为X的转置矩阵。（2）求实对称矩阵A的特征值组成的对角矩阵∧和特征向量V。其中，矩阵∧为对角阵，对角元素即为实对称阵A的特征值λ，λ=λ1，λ2，…，λm。将特征值按大小排序为：λ1>λ2>…>λm≥0。V由对应的特征向量v1，v2，…，vm组成，为列向量矩阵。（3）求时间系数矩阵Z。公式为：Z=VTX（3）式中，VT为V的转置矩阵。（4）计算每个特征向量的方差贡献Rk及前p个特征向量的累积方差贡献G。公式为：Rk=λk/mΣλi，G=pΣλi/λk/mΣλi（4）k=1,2，…,p；i=1,2，…，m（p