洪澤湖水質(zhì)狀況的主成分分析和聚類分析

吳延東，劉緒慶，陳飛龍

(淮陰工學院數(shù)理學院，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)鹽已達富營養(yǎng)化程度，如不加強防治，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)量標準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。各目標斷面內(nèi)總磷、總氮均超標，洪澤湖水質(zhì)較差，大部分水域超五類，水體受污染嚴重。此時，從總體上把握各斷面造成湖水污染嚴重的主要因素以便針對性地對污染嚴重斷面加強管理措施、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，并代入樣本標準化數(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項指標監(jiān)測對水質(zhì)污染的貢獻率

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

由表2和表3可知:洪澤湖的水質(zhì)污染主要是由有機污染物以及重金屬污染造成的;水體富營養(yǎng)化和無機污染情況不容忽視;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，然后逐步擴大，使得關(guān)系疏遠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)好但也存在嚴重的污染狀況，部分指標(如TN，TP)嚴重超標。2006年至2008年期間洪澤湖總體水質(zhì)超五類標準，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)超標頻繁，臨淮鄉(xiāng)水質(zhì)較好但其水質(zhì)也沒有達到功能標準。2007年后湖泊水質(zhì)有所改善，但仍超五類標準，部分甚至劣Ⅴ類，超標項目仍為總磷(TP)、總氮(TN)，這說明湖泊營養(yǎng)化情況嚴重。

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?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［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)污染綜合指標評價得分及分類

圖2 洪澤湖部分斷面06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，糞便運往市郊作農(nóng)作物有機肥。

(2)控制船舶航運污染。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)部門促進相關(guān)排放標準的頒布、實施。采取合理的方式控制上下游閘壩運行;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，種植防護林，發(fā)展湖區(qū)水生植物種植，保護魚類、水禽;通過放養(yǎng)鰱魚、青魚等收獲經(jīng)濟底棲動物，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，保護野生動物等。

(6)加強對湖區(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)進行研究，采取對策促進生態(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。

［1］高惠璇.應(yīng)用多元統(tǒng)計分析［M］.北京:北京大學出版社，2006.

［2］梅長林，范金城.數(shù)據(jù)分析方法［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］蔣群，許光泉.主成分和聚類分析應(yīng)用于淮南礦區(qū)地下水水質(zhì)評價［J］.能源環(huán)境保護，2007，(4):51－54.

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［5］周豐，郭懷成.基于多元統(tǒng)計分析和RBFNNs的水質(zhì)評價方法［J］.環(huán)境科學學報，2007，(5):846－853.

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