基于三维荧光-平行因子分析和自组织神经网络分析汛期上游来水对新汴河上覆水影响

余浩, 杨凯, 王晓, 夏瑞, 李致春, 邱慧丽, 后希康. 基于三维荧光-平行因子分析和自组织神经网络分析汛期上游来水对新汴河上覆水影响[J]. 环境化学, 2023, 42(12): 4384-4391. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022100902
引用本文: 余浩, 杨凯, 王晓, 夏瑞, 李致春, 邱慧丽, 后希康. 基于三维荧光-平行因子分析和自组织神经网络分析汛期上游来水对新汴河上覆水影响[J]. 环境化学, 2023, 42(12): 4384-4391. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022100902
YU Hao, YANG Kai, WANG Xiao, XIA Rui, LI Zhichun, QIU Huili, HOU Xikang. Evaluating the influence of upstream inflow in flood season on the overlying water of the Xinbian River based on EEM-PARAFAC and SOM[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(12): 4384-4391. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022100902
Citation: YU Hao, YANG Kai, WANG Xiao, XIA Rui, LI Zhichun, QIU Huili, HOU Xikang. Evaluating the influence of upstream inflow in flood season on the overlying water of the Xinbian River based on EEM-PARAFAC and SOM[J]. Environmental Chemistry, 2023, 42(12): 4384-4391. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2022100902

基于三维荧光-平行因子分析和自组织神经网络分析汛期上游来水对新汴河上覆水影响

    通讯作者: E-mail:houxk@pku.edu.cn
  • 基金项目:
    中央财政科技计划结余经费(2021-JY-25、2021YSKY-05),安徽省煤矿勘探工程技术研究中心科研平台开放课题(2022YKF11),国家重点研发计划(2021YFC3201502),国家自然科学基金(42107280),宿州学院博士科研启动基金(2019jb26)和安徽省自然科学基金(2008085QD192)资助

Evaluating the influence of upstream inflow in flood season on the overlying water of the Xinbian River based on EEM-PARAFAC and SOM

    Corresponding author: HOU Xikang, houxk@pku.edu.cn
  • Fund Project: the Surplus Funds of the Science and Technology Plan of the central Finance (2021-JY-25,2021YSKY-05), the Open Research Platform Project of Anhui Coal Mine Exploration Engineering and Technology Research Center (2022YKF11) ,National Key Research and Development Program of China (2021YFC3201502), National Natural Science Foundation of China (42107280), Doctoral Scientific Resrarch Foundation of Suzhou University (2019jb26) and Natural Science Foundation of Anhui Province (2008085QD192).
  • 摘要: 为探究汛期上游来水对新汴河上覆水水质影响,利用三维荧光-平行因子分析(EEM-PARAFAC)及自组织神经网络(SOM)分析上游来水前后新汴河上覆水水质参数、溶解性有机质(DOM)的变化. 结果表明:(1)汛期上游来水后CODCr和CODMn显著升高(P<0.01),而总氮(TN)的含量却显著降低(P<0.05),表明新汴河汛期上游来水中含有大量有机物;(2)基于EEM-PARAFAC解析出3种荧光组分,C1和C2为类腐殖质组分、C3为类蛋白质组分,上游来水后类蛋白质组分(C3)的含量显著提升(P<0.05),表明汛期上游来水中C3的含量相对较高;(3)SOM分析结果表明:新汴河汛期水质可能与城镇生活污水排放及城市地表径流有关;(4)新汴河上覆水中DOM受控于内源及陆源的共同作用,但汛期上游来水后新汴河上覆水DOM陆源性特征更加明显. 本研究探究了典型平原地区河流(新汴河)受汛期来水影响下水质及DOM的变化,以期为新汴河水环境管理方案的制订提供科学依据.
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  • 图 1  采样点及研究区土地利用类型图

    Figure 1.  Sampling sites and land-use figure

    图 2  上游来水前后水质参数箱体图

    Figure 2.  Box diagram of water quality parameters before and after upstream inflow

    图 3  新汴河上游来水前后上覆水中DOM荧光组分及激发发射载荷图

    Figure 3.  The Ex/Em loadings of the fluorescent components and split-half validated by PARAFAC model

    图 4  新汴河上游来水前后上覆水中DOM荧光组分含量箱体图

    Figure 4.  Box diagram of DOM fluorescence component content in overlying water before and after incoming water from the upper reaches of the Xin Bian River

    图 5  新汴河上游来水前后荧光指数分布

    Figure 5.  Fluorescence index distribution before and after incoming water from the upper reaches of the Xin Bian River

    图 6  新汴河上游来水前后水质参数和荧光组分分面图(a)自组织神经网络K-平均值聚类图(b)

    Figure 6.  Water quality parameters and fluorescence components before and after inflow into the upper reaches of the New Bianhe River (a) Self-organizing map K-mean clustering diagram (b)

    表 1  荧光组分特征与同类组分匹配数目

    Table 1.  Spectral characteristics of Ex/Em of there fluorescent components.

    组分
    Component
    Ex/Em可能来源
    Probable source
    匹配数目
    Number of matches
    C1255/441陆源,类腐殖质,分子量大25
    C2250(285)/378陆源,生物降解过程中产生小分子类腐殖质27
    C3275/330内源,类蛋白质,与人类活动有关12
    组分
    Component
    Ex/Em可能来源
    Probable source
    匹配数目
    Number of matches
    C1255/441陆源,类腐殖质,分子量大25
    C2250(285)/378陆源,生物降解过程中产生小分子类腐殖质27
    C3275/330内源,类蛋白质,与人类活动有关12
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-09
  • 录用日期:  2023-01-02
  • 刊出日期:  2023-12-27

基于三维荧光-平行因子分析和自组织神经网络分析汛期上游来水对新汴河上覆水影响

    通讯作者: E-mail:houxk@pku.edu.cn
  • 1. 中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,北京,100012
  • 2. 安徽省煤矿勘探工程技术研究中心(宿州学院),宿州,234000
基金项目:
中央财政科技计划结余经费(2021-JY-25、2021YSKY-05),安徽省煤矿勘探工程技术研究中心科研平台开放课题(2022YKF11),国家重点研发计划(2021YFC3201502),国家自然科学基金(42107280),宿州学院博士科研启动基金(2019jb26)和安徽省自然科学基金(2008085QD192)资助

摘要: 为探究汛期上游来水对新汴河上覆水水质影响,利用三维荧光-平行因子分析(EEM-PARAFAC)及自组织神经网络(SOM)分析上游来水前后新汴河上覆水水质参数、溶解性有机质(DOM)的变化. 结果表明:(1)汛期上游来水后CODCr和CODMn显著升高(P<0.01),而总氮(TN)的含量却显著降低(P<0.05),表明新汴河汛期上游来水中含有大量有机物;(2)基于EEM-PARAFAC解析出3种荧光组分,C1和C2为类腐殖质组分、C3为类蛋白质组分,上游来水后类蛋白质组分(C3)的含量显著提升(P<0.05),表明汛期上游来水中C3的含量相对较高;(3)SOM分析结果表明:新汴河汛期水质可能与城镇生活污水排放及城市地表径流有关;(4)新汴河上覆水中DOM受控于内源及陆源的共同作用,但汛期上游来水后新汴河上覆水DOM陆源性特征更加明显. 本研究探究了典型平原地区河流(新汴河)受汛期来水影响下水质及DOM的变化,以期为新汴河水环境管理方案的制订提供科学依据.

English Abstract

  • 平原地区大型人工河道水质主要与汛期上游来水有关,而如何快速分析出上游来水对下游河道的影响是亟须解决的科学问题. 传统的水质参数(如:COD、TN、TP等)的测定耗时较长,无法即时分析出水质状况. 而溶解性有机物(DOM)对水质变化较为敏感、测试方便、耗时较小和可实现在线监测等优点,且DOM与水质参数之间也存在紧密联系[1].

    溶解性有机质(DOM)是普遍存在于河流、土壤和沉积物中一类具有复杂结构的混合有机物,并在全球碳循环中具有重要作用[2-7]. 在自然水体中,DOM不仅可为水生生物提供能量,而且可参与水环境中物理、化学和生物反应等过程[8-12]. 同时可通过DOM荧光组分的荧光强度预测水质[13]. 此外DOM被认为是消毒副产物(DBPs)的前体,当饮用含有过量DBPs的饮用水,可能会对人体健康产生影响[14-15].

    新汴河是当代挖掘的一条大型人工河流,流经安徽、江苏两省,最终汇入洪泽湖. 作为一条以引洪为主的人工河道,两岸几乎没有支流汇入,所谓支流皆为上游截引河道,有沱河上段和萧濉新河等,因此其水质多受控于上游来水,汛期时水质较差[16-17]. 新汴河不仅是“淮水北调”的重要通道,而且新汴河宿州市城区段为宿州市重要的备用水源地. 因此研究新汴河上覆水中DOM的三维荧光特征及水质状况将有利于汛期新汴河水环境管理工作的开展.

    • 新汴河是位于安徽省宿州市和江苏省宿迁市境内的一条人工河流,全长127.2 km,设计流量为1460 m3·s−1,历史最大流量801 m3·s−1. 2020年统计资料显示最高水位25.54 m,最低水位20.03 m,平均水位21.24 m. 由宿州市市区西北部途径灵璧县、泗县和泗洪县最终汇入洪泽湖. 流域面积约6562 km2, 主要功能有:解决外洪内涝灾害,兼顾农业灌溉与航运. 本次研究选取新汴河宿州城区段作为研究对象(图1). 该区属于暖温带半湿润季风气候区,四季分明,年平均气温14.5 ℃,夏季雨水较多[18].

    • 根据新汴河上游来水情况,于2022年3月15日(汛期来水前)和2022年7月12日(汛期来水时)对新汴河上覆水(水面下0.5 m)进行取样,将水样置于预先用超纯水清洗烘干后聚乙烯瓶中,置于4 ℃冰箱保存,于24 h内完成样品测试.

    • 总氮(TN)过硫酸钾氧化分光光度法测定,总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法测定,氨氮(NH4+-N) 使用纳氏试剂分光光度法进行测试,化学需氧量(CODCr) 以重铬酸钾作为氧化剂使用滴定法进行测试,化学需氧量(CODMn) 以高锰酸钾作为氧化剂使用滴定法进行测试. 溶解性有机碳(DOC)使用总有机碳分析仪(德国,耶拿)测定,营养指标及DOC测定过程中平行样品之间标准偏差小于5%.

    • 三维荧光光谱采用Hitachi F-7000荧光分光光度计进行测试,测试参数为:激发波长(λEx)范围为200—400,间隔5 nm;激发波长(λEm)范围为250—500 nm,间隔1 nm. 利用超纯水作为空白,扣除拉曼散射的影响. 利用Matlab 2017b 结合drEEM 工具箱完成平行因子分析(PARAFAC),并通过拆半分析和残差分析验证结果的可靠性[2]. 对于DOM的来源,常使用指数fluorescence index (FI)和humification (HIX)进行判别. FI为激发波长为370 nm时,发射波长450 nm处荧光强度与发射波长500 nm处荧光强度比值[19]. HIX为当激发波长为255 nm时,发射波长434—480 nm处荧光强度积分与发射波长434—480 nm和300—344 nm荧光强度和的比值[19]. FI值大于1.9时意味着DOM具有较强的自生源特征,当FI小于1.4时表明DOM主要为陆源. HIX是表征DOM腐殖化程度的重要指标,HIX的变化范围介于0—1之间,值越大表明腐殖化程度就越大[20].

    • 自组织神经网络是由Kohonen于1981年提出的一种无监督学习模型,并与人脑思考模式相似,且不改变数据的拓扑结构[21]. 与相关性分析和主成分分析相比,自组织神经网络不但具有较好的可视化效果,而且非常适合处理较为复杂的数据,并且SOM在处理复杂数据中具有良好的分类及聚集的能力,因此被广泛地应用于探究沉积物中重金属来源、地下水水化学特征和溶解性有机质光学特性等研究中[18, 22-23]. SOM模型构建过程可参考江雅琪等研究[18].

    • 利用Arcgis 10.2 绘制采样点图,统计分析及绘图由 R Studio 1.4 完成. 利用Matlab 2017 完成平行因子分析及自组织神经网络分析.

    • 图2可知,受上游来水影响,新汴河上覆水中CODCr均值从28.63 mg·L−1上升至47 mg·L−1,CODMn均值从8.0 mg·L−1 上升至13.5 mg·L−1, TN均值从2.28 mg·L−1下降至0.99 mg·L−1. NH3-N、TP和DOC汛期前后没有显著性差异(图2). 由此表明汛期新汴河上游来水中含量大量有机物,但TN含量较低.

    • 图3所示,对上游来水前后新汴河上覆水中DOM经过PARAFAC分析,共解析出3种组分(C1、C2、C3). 将3个荧光组分同荧光在线光谱库(https://openfluor.lablicate.com/)中前人已发表文章中组分进行对比,组分C1、C2和C3均与已发表文章中组分具有较好的匹配(表1). 组分C1最大荧光峰所对应Em/Ex (441 nm/255 nm), 为典型的类腐殖质组分中的富里酸且与传统A峰所在位置极为相似[24]. 组分C2最大荧光峰所对应Em/Ex (378 nm/250 nm 285 nm),为微生物代谢所产生的类腐殖质[25]. 组分C3最大荧光峰所对应Em/Ex (321 nm/280 nm),为类色氨酸或类色氨酸类物质,且其与传统T峰所在位置接近,该组分常被用于表征人类活动(污水排放等)对水环境质量的影响[15, 26].

      汛期上游来水后新汴河上覆水中各荧光组分(C1、C2和C3)含量均有上升趋势(图4). 但类腐殖质组分(C1和C2)平均含量增加但不显著. 而类蛋白质组分C3含量较上游来水前显著增加(P<0.05). 类腐殖质组分一般与农业面源污染有关,而类蛋白质组分与生活污水及工业废水排放存在联系[27]. 且新汴河上游零星散落村庄较多[17],相对比城区其污水处理效率较低,可能是导致上游来水后新汴河上覆水中类蛋白质组分C3含量显著提升的原因.

    • 图5可知上游来水前后新汴河FI值介于1.4—1.9之间,表明新汴河上覆水中DOM受陆源和内源的共同影响[28]. 但上游来水后水样FI更偏向1.4,表明上游来水中可能含有较多陆源类DOM. 由图5所示,上游来水后新汴河上覆水中DOM的腐殖化程度具有较大差异,而来水前DOM腐殖化程度相对集中.

    • 图6(a)所示,CODCr和CODMn具有相似的颜色变化梯度,表明其两者之间存在显著正相关. 而已有研究表明,城镇生活污水排放及城市地表径流可能是COD等有机污染物主要来源[29]. TN、TP和NH3-N具有相似的颜色变化梯度,表明TN、TP和NH3-N可能具有相同的来源[18]. 新汴河周边堤坡种植情况普遍(图1),TN、TP和NH3-N可能受农业面源污染影响[30]. 荧光组分C1和C2具有相似的颜色变化梯度,且C1和C2为陆源类腐殖质,暗示C1和C2具有显著正相关, 表明组分C1和C2可能具有相同的来源. 并且DOC与C1、C2的颜色变化梯度较为相似,表明C1和C2可能是DOC的主要构成. 值得注意的是荧光组分C3与CODCr、CODMn之间颜色变化趋势也存在相似之处,极值均位于左下角,表明荧光组分C3可能是CODCr和CODMn的间接指示指标[2]. 而TN、TP和NH3-N与荧光组分(C1、C2和C3)之间不存在明显的相关. 如Tang等[2]研究宁波市城市化程度不同的河流荧光组分与水质参数之间关系,发现类腐殖质组分与COD之间存在正相关. 由此表明可能是由于河流环境水文地质条件不同,从而导致荧光组分与水质参数之间的关系存在差异. 结合图6(b) SOM-K平均值聚类可知左下角多为上游来水之后样品,同时也表明上游来水提高了荧光组分C3、CODCr和CODMn的含量. 结合图2图4可知C3、CODCr和CODMn的含量在上游来水后均显著提高且存在显著差异,同时也表明自组织神经网络所能够反映各水质参数之间的相关性与含量变化[18].

    • (1)新汴河上游来水后上覆水中CODCr和CODMn的含量显著提高,表明上游来水中含有大量有机污染物.

      (2)新汴河上游来时前后上覆水中DOM主要包含3种荧光组分:类腐殖质、微生物源类腐殖质和类蛋白质物质,且上游来水后显著提升类蛋白质组分的含量.

      (3)新汴河上游来水前后上覆水中DOM受陆源及内源的共同作用,但上游来时后水体的陆源特征更为明显.

    参考文献 (30)

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