基于主成分分析的博斯騰湖水污染動態(tài)評價

唐 兵，安瓦爾·買買提明，2，玉素甫江·買買提，2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830054;2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆烏魯木齊，830054)

水環(huán)境是一個復(fù)雜的多因子體系，極易受到各種因素影響[1]。新疆地處干旱、半干旱地區(qū)，該地區(qū)特殊的自然條件和社會歷史背景，致使其社會經(jīng)濟的發(fā)展對水的依賴程度很高。同時，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展也造成了水環(huán)境的污染，并由此引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題，從而對人類的生存環(huán)境及區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展造成了極大的威脅[2]。而博斯騰湖地處生態(tài)環(huán)境十分脆弱的新疆焉耆盆地，它是焉耆盆地、孔雀河沿岸及塔里木河下游各族人民賴以生存的基礎(chǔ)，可以說博斯騰湖對新疆尤其是南疆地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定和民族團結(jié)起著無法替代的作用[3-5]。但是，自20世紀(jì)60年代以來，由于博斯騰湖的自然環(huán)境的變遷、大規(guī)模工農(nóng)業(yè)開發(fā)活動以及焉耆盆地人口數(shù)量的急劇增加，使得工業(yè)廢水和生活污水急劇增多，這些污染物大多直接或間接地排入了博斯騰湖，加之對博斯騰湖的不合理開發(fā)利用，導(dǎo)致近年來博斯騰湖水位逐漸下降，礦化度不斷增加，湖水污染問題日益突出[6-7]。

鑒于博斯騰湖的重要地位和面臨的水環(huán)境惡化狀況，許多專家、學(xué)者已對博斯騰湖開展了大量的研究工作，包括博斯騰湖濕地調(diào)查研究[8-9]、博斯騰湖環(huán)境調(diào)查與污染防治研究[5，10]、焉耆盆地水鹽變化監(jiān)測[11-12]等，積累了較為豐富的研究資料。筆者在總結(jié)國內(nèi)外湖泊污染評價經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合博斯騰湖流域具體情況，運用主成分分析法和系統(tǒng)聚類法對博斯騰湖湖水的污染程度進行定量分析，以便全面了解博斯騰湖近10 a的水污染程度的變化狀況，旨在為加快博斯騰湖環(huán)境治理和促進當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

博斯騰湖位于新疆天山南坡焉耆盆地的東南部，巴音郭楞蒙古自治州博湖縣境內(nèi)，是中國最大的內(nèi)陸淡水湖。地理位置為 41°56'～42°14'N，86°40'～87°56'E，水域面積約 1100 km2，東西長 55 km，南北寬25 km，湖面海拔1048 m(吳淞基準(zhǔn)面)，平均深度9 m，最深處17 m。整個湖區(qū)由小湖區(qū)、大湖區(qū)和黃水區(qū)3個相連水域組成。

博斯騰湖既是開都河的尾閭又是孔雀河的源頭，對開都河及孔雀河的蓄、引、灌、排起到了巨大的調(diào)節(jié)作用[13]，并且是焉耆盆地、庫爾勒市和尉犁縣工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活的主要的水源地，同時也是塔里木河下游生態(tài)應(yīng)急輸水的直接水源地。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

數(shù)據(jù)來源于焉耆縣、博湖縣、和碩縣和和靜縣4縣環(huán)保局及相關(guān)部門提供的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)及《巴州環(huán)境狀況公報》(2001—2010年)、《新疆統(tǒng)計年鑒》(2001—2010年)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。運用主成分分析法對博斯騰湖中的pH值、總硬度、CODMn、硫酸鹽、氯化物等9項指標(biāo)進行定量分析和綜合評價，為了進一步了解博斯騰湖水污染程度的動態(tài)變化過程，還運用聚類分析法對2000—2009年各年份水污染程度的差異進行分析。

2.1 主成分分析法

主成分分析是對多變量平面數(shù)據(jù)進行最佳綜合和簡化，即在保證數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，對高維變量空間進行降維處理[14]。利用SPSS19.0進行主成分分析的步驟如下。

a.數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式中:i=1，2，… ，n，n 為樣本數(shù);j=1，2，… ，p，p為樣本原變量數(shù)。

b.計算數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之后的協(xié)方差矩陣R。

d.確定主成分的個數(shù)。累計方差的貢獻率達(dá)到85%以上時，取前m個主成分:

e.計算出各個主成分的得分和綜合得分。根據(jù)本文具體情況，綜合評價選用m個主成分的加權(quán)值作為綜合評價值，權(quán)重值取各主成分的貢獻率bj。

2.2 系統(tǒng)聚類法

為了使主成分分析結(jié)果進一步明晰化，采用系統(tǒng)聚類法對博斯騰湖10a的水污染程度進行聚類分析。在主成分分析的基礎(chǔ)上進行聚類的具體步驟如下[15]:①選取進行聚類分析的聚類指標(biāo)，本文選取各年水污染程度綜合得分Z進行聚類;②采用歐氏距離(Euclidean distance)測度樣本間距離;③選用組間平均距離法(between-groups linkage)計算類間的距離，并對樣本進行歸類。

3 博斯騰湖水污染綜合評價

3.1 水污染現(xiàn)狀的統(tǒng)計分析

環(huán)博斯騰湖周邊的縣市、團場每年約有5億m3農(nóng)田排水、工業(yè)廢水和生活污水通過農(nóng)業(yè)排水渠或城市排水管網(wǎng)進入博斯騰湖，每年滯留湖中的各類鹽分達(dá)2.17萬 t，造成湖水變咸、礦化度提高、富營養(yǎng)化趨勢加劇[10，16]。根據(jù)污水來源和性質(zhì)，可以將污染源排出的廢污水分為:工業(yè)廢水、農(nóng)田排水、城鎮(zhèn)污水及工業(yè)、生活、農(nóng)田混合廢水，這些廢污水通過湖區(qū)周圍的25條主要用于排污的排污渠進入湖中，這些排污渠便成為向博斯騰湖中輸入污染物的主要通道。在對這些排污渠進行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn):大湖區(qū)、小湖區(qū)的污染較輕，而黃水區(qū)水污染較為嚴(yán)重(表1)。主要原因是黃水區(qū)水域面積雖僅占博斯騰湖總水域面積的12%，但是入湖的污染物占整個入湖污染物的比例卻是最高的，以可溶鹽、COD、NH3-N為例，分別占入湖污染物總量的79%、91%、89%，而且25條排污渠中有10條排污渠都是直接匯入黃水區(qū)的，從而反映出博斯騰湖各湖區(qū)水污染程度在區(qū)域上的差異性。

表1 博斯騰湖各湖區(qū)入湖排污渠狀況

3.2 水污染評價指標(biāo)的主成分分析過程

利用 SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件，對博斯騰湖2000—2009年9項指標(biāo)組成的10×9階的數(shù)據(jù)矩陣進行主成分分析。根據(jù)Bartlett球度檢驗得出的相伴概率為0可知，相伴概率小于0.05的顯著性水平，因此拒絕Bartlett球度檢驗的零假設(shè)，認(rèn)為適合做主成分分析。

根據(jù)累計方差貢獻率大于85%的原則，本文共提取3個主成分，經(jīng)正交旋轉(zhuǎn)后，3個主成分的特征值、方差貢獻率及累計貢獻率見表2。

美國大規(guī)模種植，機械化生產(chǎn)成本低，只要賣出去都是盈余的。近年來，美國將大量大豆產(chǎn)品銷往中國，東北大豆根本沒辦法與其抗衡。我國一直是美國大豆的主要進口國，每年從美國進口的大豆有3000萬噸以上，占美國大豆出口總量的60%以上，占我國大豆進口總量的30%以上。美國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量高，價格相對便宜，因此也不愁沒有銷路。

表2 特征值及主成分貢獻率和累計貢獻率

由表2可知，前3個主成分的累積貢獻率達(dá)到93.447%，因此，可以由前3個主成分代表原始因子的全部信息，即利用主成分分析方法把選取的9項指標(biāo)綜合成3個主成分，從數(shù)值分析來看完全能夠科學(xué)合理地反映原始數(shù)據(jù)的總體特征。運用方差最大旋轉(zhuǎn)法，對成分矩陣進行正交旋轉(zhuǎn)，使每個因子具有最高載荷的變量數(shù)最小(載荷矩陣表略)，以便簡化對因子的解釋。

通過分析可以看出:F1貢獻率占到61.337%，與之有關(guān)聯(lián)的指標(biāo)因子主要有CODMn、氯化物、TP污染等。其主導(dǎo)因子主要反映水體有機污染的指標(biāo)，這也說明博斯騰湖水污染主要是由有機污染物造成的。其中:CODMn是湖泊中的主要有機污染物;而TP主要來自農(nóng)田化肥、農(nóng)藥以及生活污水和工業(yè)廢水的排放，同時也是引起湖泊富營養(yǎng)化的營養(yǎng)元素之一。F1代表的是增長較快的主要污染物，所以可以將 F1看成潛力因子。F2的貢獻率占到20.314%，與之有關(guān)聯(lián)的指標(biāo)因子主要有TN、可溶性總固體和硫酸鹽，它們主要來自于農(nóng)田洗鹽的高礦化度污水以及上游河流、周邊工業(yè)和生活污水，這些指標(biāo)表征一定的水污染綜合狀況和富營養(yǎng)化狀況。F3的貢獻率占到11.796%，與之有關(guān)聯(lián)的指標(biāo)因子主要有透明度、pH值和總硬度，其中，總硬度的大小表示湖水的礦化度的高低，來自上游和周邊不合理的開發(fā)及工業(yè)污水、生活污水不加控制地排入博斯騰湖，致使湖水鹽類污染嚴(yán)重，礦化度升高。透明度、pH與生活污水接納和降解有關(guān)，pH值可以代表水體的酸堿環(huán)境，當(dāng)?shù)赝寥利}堿化和大量的農(nóng)田排水使得博斯騰湖pH值居高不下，水質(zhì)偏堿性。

通過對三大主成分的分析，不但可以定量分析出每種指標(biāo)對水污染的貢獻率大小，而且可以通過指標(biāo)類型和貢獻率確定造成水污染的主要類別及污染源，從而為“對癥下藥”治理博斯騰湖的水污染問題提供科學(xué)依據(jù)。

3.3 水污染綜合評價分析結(jié)果

對選取的3個主成分因子F1、F2、F3建立主成分旋轉(zhuǎn)后的載荷值，得到各因子的得分系數(shù)矩陣(表3)，根據(jù)因子得分系數(shù)矩陣，得到博斯騰湖各年的各主成分的得分(即各年標(biāo)準(zhǔn)化后的原始變量與相應(yīng)的得分系數(shù)的乘積)。表達(dá)式為:

表3 因子得分系數(shù)矩陣

算出各主成分的得分后，再乘以各主成分的方差貢獻率，即可得到各年份水污染程度的綜合得分Z(表4)。表達(dá)式為:

Z=0.61337Z1+0.20314Z2+0.11796Z3

表4 博斯騰湖各年水污染程度綜合得分

由于綜合指標(biāo)Z反映了綜合污染狀況的多個方面的信息，因此可以利用綜合指標(biāo)Z對各年份水污染程度進行綜合評價。Z值越小，污染程度越輕;反之，則說明污染程度越重。

利用主成分的Z得分對各年份水污染程度進行綜合評價，可以較精確地把握各年份水污染狀況，以便對各年份水污染程度進行動態(tài)對比分析。通過圖1可知，近10 a間，2000年水污染綜合評價得分最高，這說明2000年水污染程度是近10a中最為嚴(yán)重的，而2005年相對最輕。總體上，近10 a的博斯騰湖水污染的綜合評價得分呈下降趨勢，說明這些年湖水污染治理取得一定的成效。近年來，由于政府與有關(guān)部門對博斯騰湖流域附近的造紙廠、紡織廠等污染企業(yè)進行規(guī)范、整頓和外遷，要求未經(jīng)達(dá)標(biāo)處理的污水不得排入湖內(nèi)，對違規(guī)的企業(yè)或法人追究其刑事責(zé)任;并對大中型企業(yè)重點污染排污口也進行了規(guī)范化整治，實施污染在線動態(tài)監(jiān)測;對新建項目嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境影響評價制度。這一系列的舉措對遏制湖水水質(zhì)進一步惡化起到了很大作用。

圖1 博斯騰湖水污染動態(tài)變化曲線

4 博斯騰湖水污染狀況聚類分析

由于主成分分析并不能準(zhǔn)確地界定出各年份水污染狀況的相似程度，也就無法進一步分析各年份水污染程度的差異。而聚類分析是定量研究地理事物分類問題和地理分區(qū)問題的重要方法，因此為使結(jié)果進一步明晰，以主成分分析的各年份綜合得分為指標(biāo)，應(yīng)用聚類分析劃分出不同的發(fā)展類型對博斯騰湖10 a的水污染程度進行對比分析。運用SPSS19.0軟件進行運算分析，得出聚類系譜圖(圖2)，當(dāng)歐氏距離取值為10時，基于歐氏距離相近度，將博斯騰湖相對污染程度按年份劃分為3種類型:

第1類:2000年，在這10 a間的對比中污染程度相對較重，污染綜合得分為1.29。

第2類:2001—2003年，在這10 a間的對比中污染程度屬中等，綜合得分均值為0.45。與2000年相比，污染程度有所改善。

圖2 博斯騰湖水污染程度聚類系譜圖

第3類:2004—2009年，在這10 a間的對比中污染程度屬污染相對較輕，綜合得分均值為-0.44，污染程度較前幾年改善較大。但從圖1不難發(fā)現(xiàn)，從2005年起，水污染綜合得分有趨于上升的趨勢，這說明博斯騰湖水污染的治理和監(jiān)管難度依然很大，水污染的發(fā)展趨勢不容樂觀。

需要說明的是，排序(表4)和聚類(圖2)出現(xiàn)不一致的情況，主要是因為主成分分析側(cè)重于考查各年水污染程度綜合水平，而聚類分析則側(cè)重于考查各年水污染程度的特征相似性。

5 結(jié)語

博斯騰湖水污染分析結(jié)果顯示:工業(yè)污染物貢獻率非常低，城鎮(zhèn)生活污水類污染物貢獻率也相對比較穩(wěn)定，而與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的TP、氯化物、硫酸鹽、可溶性總固體、NH3-N、pH等因子的貢獻率相當(dāng)大，這是由于隨著耕地的不斷擴大，該地土壤漬化問題十分突出，灌區(qū)內(nèi)每年需要大量水去洗鹽，而這些高礦化度洗鹽水又通過排污渠進入博斯騰湖，造成湖水礦化度增加，加之有機化肥和農(nóng)藥的大肆使用，導(dǎo)致有機質(zhì)污染與鹽污染日益嚴(yán)重，其中磷、氮等是導(dǎo)致湖水出現(xiàn)富營養(yǎng)化的重要原因，因此，改善水體環(huán)境質(zhì)量的出路在于加大對農(nóng)田排污和入湖河流水體的質(zhì)量管理。

從主成分分析可以看出，總體上，近10a的博斯騰湖水污染的綜合評價得分呈下降趨勢，說明水污染程度總體上有所改善。但是，從聚類分析不難發(fā)現(xiàn)10a間改善幅度并不大，從2005年起，水污染綜合得分有趨于上升的趨勢;從水質(zhì)類別上判定，水污染仍處于較嚴(yán)重的水平。建議有關(guān)部門還應(yīng)進一步加強對博斯騰湖水污染的治理力度，污染防治的相關(guān)配套政策仍需完善。

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