洪澤湖水質(zhì)狀況的主成分分析和聚類分析

吳延?xùn)|，劉緒慶，陳飛龍

(淮陰工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

洪澤湖是我國五大淡水湖之一，根據(jù)江蘇省淮安市水功能區(qū)劃分，洪澤湖為淮安調(diào)水保護(hù)區(qū)，是淮安市城區(qū)、漣水、洪澤等地區(qū)供水水源地，同時供給洪澤湖周邊包括盱眙、洪澤、淮陰區(qū)及泗洪在內(nèi)的8個中小型灌區(qū)共計110.9萬畝耕地的灌溉用水;另外，通過二河實施“送清水工程”向連云港送水。所以，洪澤湖水質(zhì)的好壞直接影響淮安、連云港兩市人民的用水質(zhì)量與安全。而隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、人口的增加，區(qū)域內(nèi)部分縣區(qū)工業(yè)廢水和生活污水排入洪澤湖，農(nóng)、牧、漁業(yè)使用的化肥、農(nóng)藥、餌料等，在降雨徑流的作用下匯入洪澤湖，影響了洪澤湖水質(zhì)，濕地生態(tài)環(huán)境受到破壞，沿湖居民的生活和生產(chǎn)受到極大影響，特別是營養(yǎng)鹽已達(dá)富營養(yǎng)化程度，如不加強(qiáng)防治，將直接影響到其開發(fā)利用及下游居民的生活質(zhì)量。

從淮安市環(huán)保局網(wǎng)站獲悉:洪澤湖目標(biāo)斷面包括蔣壩鎮(zhèn)、成河鄉(xiāng)、臨淮鄉(xiāng)、老山鄉(xiāng)、高澗鎮(zhèn)、龍集鄉(xiāng)，水質(zhì)評價執(zhí)行地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838—2002，監(jiān)測項目主要包括pH值、溶解氧(Dissolved oxygen;DO)、高錳酸鹽指數(shù)(Permanganate index;PI)、生化需氧量(Biochemical oxygen demand;BOD)、氨氮(ammonia nitrogen;NH－N)、石油類、揮發(fā)酚、汞、總磷(TP)、總氮(TN)共10項。各目標(biāo)斷面內(nèi)總磷、總氮均超標(biāo)，洪澤湖水質(zhì)較差，大部分水域超五類，水體受污染嚴(yán)重。此時，從總體上把握各斷面造成湖水污染嚴(yán)重的主要因素以便針對性地對污染嚴(yán)重斷面加強(qiáng)管理措施、提高整體湖泊環(huán)境質(zhì)量具有積極地意義。

本文亦即從此角度出發(fā)選取2006年至2008年(少數(shù)月份缺失)蔣壩鎮(zhèn)、成河鄉(xiāng)、臨淮鄉(xiāng)、老山鄉(xiāng)、高澗鎮(zhèn)、龍集鄉(xiāng)，其編號分別為1，2，3，4，5，6。這6個監(jiān)測斷面每月上述10項監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)作為水質(zhì)樣本(數(shù)據(jù)來源:淮安市環(huán)保局監(jiān)測中心，表1是洪澤湖蔣壩鎮(zhèn)斷面取水口監(jiān)測結(jié)果的數(shù)據(jù))，利用多元統(tǒng)計方法中的“主成分分析”并借助Maltab軟件對淮河流域淮安段河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)各斷面進(jìn)行考查，利用“聚類分析”方法分析各取水口之間水質(zhì)變化關(guān)系，對這6個監(jiān)測斷面水質(zhì)進(jìn)行評價，以期為淮安市水利局與環(huán)保局對未來水質(zhì)狀況宏觀掌握，積極采取有效措施治理好洪澤湖提供依據(jù)。

表1 洪澤湖蔣壩鎮(zhèn)斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

1 水質(zhì)狀況的主成分分析

主成分分析的主要目的就是對原變量加以“改造”，在不致?lián)p失變量太多信息的前提下盡可能地降低原變量的維數(shù)，即用維數(shù)較少的“新變量”代替原來的各變量。為使主成分所含信息互不重疊，應(yīng)要求它們之間互不相關(guān)。設(shè)原始指標(biāo)矩陣X=(X1，X2，…，Xp)T為 p維樣本數(shù)據(jù)，則主成分分析步驟如下:

(3)求相關(guān)矩陣的特征值與特征向量。用雅可比法求相關(guān)陣特征值 λi，i=1，2，…，p，并記作λ1≥λ≥…λp≥0，同時求得相應(yīng)的特征向量 βi=(βi1，βi2，…，βip)T。

(5)計算主成分得分值Zi。計算方法有回歸法、Bartlette法、Anderson－Rubin法等。將主成分表示為原變量的線性組合，并代入樣本標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)計算出相應(yīng)的主成分得分。Zi= βiYi，j，i=1，2，…，n;j=1，2，…，p為第i個主成分得分值…為

(6)水質(zhì)污染綜合指標(biāo)評價。將各斷面計算得到的各主成分得分Zi以其相對的主成分得分的方差貢獻(xiàn)率Pj為權(quán)重求和，即得各斷面的水質(zhì)綜合評價得分Wi為:

采用主成分分析的方法對表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，分別得到了表2和表3。

表2 洪澤湖蔣壩鎮(zhèn)水質(zhì)10項指標(biāo)監(jiān)測對水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)率

表3 洪澤湖蔣壩鎮(zhèn)水質(zhì)10項指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的主成分分析

由表2和表3可知:洪澤湖的水質(zhì)污染主要是由有機(jī)污染物以及重金屬污染造成的;水體富營養(yǎng)化和無機(jī)污染情況不容忽視;另外，湖水受油類污染。

如果將各斷面計算得到的各主成分得分Zi以其相對的主成分得分的方差貢獻(xiàn)率Pj為權(quán)重求和，即得斷面每月水質(zhì)綜合評價得分各斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況以定量化描述，得分越大，表明污染程度越嚴(yán)重。

2 水質(zhì)狀況的聚類分析

聚類分析的基本思想是在樣品之間定義距離，在變量之間定義相似系數(shù)，距離或相似系數(shù)代表樣品或變量之間的相似程度。按相似程度的大小，將樣品(或變量)逐一歸類，關(guān)系密切的類聚到一個小的分類單位，然后逐步擴(kuò)大，使得關(guān)系疏遠(yuǎn)的聚合到一個大的分類單位，直到所有的樣品(或變量)都聚集完畢，形成一個表示親疏關(guān)系的譜系圖，依次按照某些要求對樣品(或變量)進(jìn)行分類。

文中選用譜系聚類法，為簡單起見，以i，j分別表示樣品 xi，xj，以 dij簡記 i，j之間的距離 d(xi，xj)。Gp，Gq分別表示兩個類，設(shè)它們分別含有np，np個樣品。若類 Gp中有樣品 x1，x2，…，xn，則其均值稱為類Gp的重心。類Gp與Gq之間的距離記為Dpq，有多種多樣定義方式:最短距離:Dpq=最長距離:

對各斷面經(jīng)主成分分析所得每月水質(zhì)綜合評價得分W利用7.0進(jìn)行聚類分析得:

圖1 蔣壩鎮(zhèn)聚類分析結(jié)果

3 洪澤湖整體水質(zhì)評價及治理建議

從表4聚類結(jié)果可見，蔣壩鎮(zhèn)、成河鄉(xiāng)、臨淮鄉(xiāng)水質(zhì)較老山鄉(xiāng)、高澗鎮(zhèn)、龍集鄉(xiāng)好但也存在嚴(yán)重的污染狀況，部分指標(biāo)(如TN，TP)嚴(yán)重超標(biāo)。2006年至2008年期間洪澤湖總體水質(zhì)超五類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較差，不符合功能區(qū)劃的要求，影響水質(zhì)的主要污染物為總磷(TP)、總氮(TN)、石油類、汞、高錳酸鹽指數(shù)(PI)和生化需氧量(BOD)，老山鄉(xiāng)水質(zhì)最差，總磷(TP)、總氮(TN)超標(biāo)頻繁，臨淮鄉(xiāng)水質(zhì)較好但其水質(zhì)也沒有達(dá)到功能標(biāo)準(zhǔn)。2007年后湖泊水質(zhì)有所改善，但仍超五類標(biāo)準(zhǔn)，部分甚至劣Ⅴ類，超標(biāo)項目仍為總磷(TP)、總氮(TN)，這說明湖泊營養(yǎng)化情況嚴(yán)重。

該研究評價結(jié)果與淮安市環(huán)保局網(wǎng)站公布中的結(jié)果基本一致。從實際情況來看，蔣壩鎮(zhèn)、成河鄉(xiāng)監(jiān)測斷面位于洪澤湖上游，洪澤湖上游受蚌埠閘等控制，下游受到二河閘、三河閘等控制，保證了洪澤湖持有較高的水位，使淮河下泄的污水由三河閘導(dǎo)向下游，減輕了對洪澤湖的污染。蚌埠閘開閘放水時盡量以小流量的方式進(jìn)行，污水在由淮河主干道流向洪澤湖的過程中，充分利用河流的自凈能力，減少對洪澤湖的污染負(fù)荷。

由于水體中總氮(TP)，總磷(TN)等營養(yǎng)元素含量過高，超過湖泊本身自凈能力，大量水藻繁殖，湖泊原有生態(tài)遭破壞，湖泊水體富營養(yǎng)化，其不僅給湖泊所在地基于湖泊的產(chǎn)業(yè)如旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)生影響，而且也給當(dāng)?shù)鼐用裆罱】?、飲水安全等產(chǎn)生影響。針對洪澤湖水體富營養(yǎng)污染及有機(jī)污染，結(jié)合洪澤湖自身地理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，在文獻(xiàn)［9］的基礎(chǔ)上總結(jié)出改善洪澤湖水質(zhì)的如下措施:

表4 洪澤湖各斷面水質(zhì)污染綜合指標(biāo)評價得分及分類

圖2 洪澤湖部分?jǐn)嗝?6年至08年每月水質(zhì)聚類結(jié)果

(1)控制城鄉(xiāng)生活污水的排入以防止湖泊繼續(xù)富營養(yǎng)化。城鎮(zhèn)的污水、工業(yè)廢水和廢物須集中處理，在城鎮(zhèn)建立污水處理廠和垃圾處理廠，糞便運(yùn)往市郊作農(nóng)作物有機(jī)肥。

(2)控制船舶航運(yùn)污染。主要是控制船民生活污水排放入湖，以及入湖船只的滲、漏、溢，以確保航道的優(yōu)良水質(zhì)。

(3)與淮河治理相結(jié)合，對整個流域采取水污染總量控制方法，并要求相關(guān)部門促進(jìn)相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布、實施。采取合理的方式控制上下游閘壩運(yùn)行;同時與南水北調(diào)工程相結(jié)合。洪澤湖是南水北調(diào)東線工程的重要節(jié)點，國家對沿途各地的治理有利于推動污染治理工作，有利于提高洪澤湖的自凈能力。

(4)采取政策制止植被破壞，種植防護(hù)林，發(fā)展湖區(qū)水生植物種植，保護(hù)魚類、水禽;通過放養(yǎng)鰱魚、青魚等收獲經(jīng)濟(jì)底棲動物，使氮磷等營養(yǎng)鹽通過食物鏈的轉(zhuǎn)化而最終輸出，防止湖泊富營養(yǎng)化。

(5)通過濕地功能實現(xiàn)對污染的治理、控制，保護(hù)野生動物等。

(6)加強(qiáng)對湖區(qū)營養(yǎng)鹽的檢測，及時根據(jù)掌握的湖區(qū)水污染狀況和水文特征，對湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究，采取對策促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)的措施。

(7)通過報紙、新聞網(wǎng)絡(luò)等媒體手段向居民宣傳生態(tài)環(huán)境保護(hù)知識，勸導(dǎo)居民在淮河流域不使用含磷洗滌用品，提高群眾生態(tài)環(huán)保意識。

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