基于主成分分析的湖泊水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)
——以磁湖為例

周 杰，葛緒廣*，陳成忠，潘 朝

(湖北師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院，湖北黃石435002)

黃石是一個(gè)多湖泊的城市，市區(qū)內(nèi)的磁湖、青山湖以及遠(yuǎn)城區(qū)的大冶湖、仙島湖等都是極具代表性的水生生態(tài)系統(tǒng)。隨著城市化的不斷發(fā)展，日趨頻繁、劇烈的人類活動(dòng)使這些湖泊面臨著許多嚴(yán)峻的問題，如磁湖面積萎縮、水體污染等。客觀而準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，對(duì)于了解磁湖生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、存在的問題及未來發(fā)展的規(guī)劃、決策具有重要的意義。水環(huán)境評(píng)價(jià)主要包括針對(duì)不同水域進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)和針對(duì)不同用途進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)2個(gè)方面［1-2］。常用的評(píng)價(jià)方法有指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色數(shù)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，可是這些均無法回避多因子這個(gè)問題［3］。而主成分分析是把原來多個(gè)變量劃為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析方法，是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)進(jìn)行定量化研究、理論比較完善的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，在解決很多實(shí)際問題時(shí)已取得較好效果［4］。在此，筆者基于該方法對(duì)磁湖的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比研究，以期為磁湖乃至其他湖泊的研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 磁湖是黃石市區(qū)內(nèi)最大的淺水湖泊，位于黃石市區(qū)中心(115°01＇～ 115°05＇E、30°11＇～ 30°14＇N)。磁湖的水域面積約為10 km2，大于著名的杭州西湖，居全國市區(qū)內(nèi)湖之首，磁湖以湖邊盛產(chǎn)磁鐵而得名［5］。匯水面積為62.8 km2，平均水深為1.75 m。湖體容量1 748×104m3，是集黃石市防洪、排澇、養(yǎng)殖和游覽為一體的多功能的水資源地［6］。隨著城市人口增加及工業(yè)的發(fā)展，水質(zhì)污染日趨嚴(yán)重，湖面面積逐年減少。近幾年來對(duì)磁湖沿岸已進(jìn)行了部分整治，清除了陳家灣、牧羊湖兩片水域的100萬m3的淤泥，截流了磁湖南岸的部分工業(yè)和生活污水，磁湖面積縮小得到遏制。但由于磁湖與長江水域隔開，水體不能得到置換，加之長期受到污染，水體生態(tài)已非常脆弱。

1.2 主成分分析方法簡介

1.2.1 基本思想。主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)是研究多個(gè)定量(數(shù)量)變量間相關(guān)性的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。它是研究如何通過少數(shù)幾個(gè)主分量(即原始變量的線性組合)來解釋多變量的方差——共變量結(jié)構(gòu)。具體地說，就是導(dǎo)出少數(shù)幾個(gè)主分量，使它們盡可能多地完整保留原始變量信息，且彼此間不相關(guān)。主成分常被用來尋找判斷某種事物或現(xiàn)象的綜合指標(biāo)，并將綜合指標(biāo)所蘊(yùn)藏的信息適當(dāng)?shù)亟忉?，以便更深刻地表現(xiàn)事物內(nèi)在的規(guī)律。

1.2.2 分析步驟。為排除量綱和數(shù)量級(jí)的不同，首先要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理;然后，計(jì)算相關(guān)矩陣尺，從相關(guān)矩陣R出發(fā)求主成分;再計(jì)算相關(guān)矩陣尺的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累積方差貢獻(xiàn)率、因子載荷矩陣;最后，選擇m個(gè)主成分，計(jì)算相應(yīng)的單位特征向量，結(jié)合專業(yè)知識(shí)對(duì)所選擇的主成分給出解釋［7］。以上所有計(jì)算過程均在SPSS20.0軟件中進(jìn)行。

1.3 資料選取 遵循科學(xué)性和可比性原則，在此運(yùn)用SPSS20.0軟件以磁湖水環(huán)境監(jiān)測中心2011年的水質(zhì)監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取了13個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)(表1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣 利用SPSS20.0軟件求得2011年整個(gè)磁湖區(qū)13個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣(表2)。根據(jù)兩指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，說明兩指標(biāo)之間的聯(lián)系越緊密。由表2可知，溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、石油類之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這些指標(biāo)均為有機(jī)污染指標(biāo);而氨氮、總氮、葉綠素等均為營養(yǎng)性污染指標(biāo)。

2.2 主成分的提取 通過進(jìn)一步計(jì)算，得出水質(zhì)指標(biāo)方差分解主成分提取分析(表3)，從表3可以看出，第1、第2、第3、第4主成分特征值占總方差的百分比已經(jīng)大于80%，且第5個(gè)主成分特征值為0.894，小于1。因此，前4個(gè)主成分已經(jīng)對(duì)13個(gè)監(jiān)測指標(biāo)涵蓋的大部分污染物信息進(jìn)行了概括，其中第1個(gè)主成分?jǐn)y帶的信息最多，達(dá)34.049%，第1、第2、第3、第4主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)80.340%。其他主成分對(duì)總方差的貢獻(xiàn)很小，為了以盡可能少的指標(biāo)反映盡量多的信息，選取前4個(gè)因子作為主成分，代表磁湖水環(huán)境評(píng)價(jià)中原始指標(biāo)提供的大部分信息。

表1 磁湖水質(zhì)影響因子指標(biāo)

表2 磁湖各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 水質(zhì)指標(biāo)方差分解主成分提取分析

2.3 主成分的載荷矩陣 用4個(gè)新變量代替原來的13個(gè)變量，從各水質(zhì)指標(biāo)與主成分之間的關(guān)系(表4)可以看出，指標(biāo)與某一主成分的載荷系數(shù)的絕對(duì)值越大，則該主成分之間的聯(lián)系越緊密。pH、氨氮、電導(dǎo)率、水溫這些指標(biāo)在第1主成分上的荷載較高，其中pH、電導(dǎo)率、水溫是水體污染中的理化指標(biāo);葉綠素、五日生化需氧量、總氮這些指標(biāo)在第2主成分上的荷載較高，總磷在第3主成分上的荷載較高，化學(xué)需氧量在第4主成分上的荷載較高。氨氮、葉綠素、總氮、總磷屬于營養(yǎng)性污染物指標(biāo)，五日生化需氧量、化學(xué)需氧量屬于有機(jī)污染物指標(biāo)。

表4 各水質(zhì)指標(biāo)主成分載荷矩陣

2.4 理化指標(biāo) 磁湖中pH(X1)、水溫(X13)、電導(dǎo)率(X9)在第1主成分中的相關(guān)系數(shù)分別為-0.882、-0.839、0.802，是磁湖水環(huán)境重要的影響因素。pH直接影響植物的光合作用和各類微生物的生命活動(dòng)，從而影響磁湖水體的整個(gè)物質(zhì)代謝。2011年磁湖水體夏季pH平均值為8.23，冬季為7.35，年平均值為7.73，可見磁湖水體略偏堿性。電導(dǎo)率是磁湖水體中電解質(zhì)程度的反映，2月磁湖水體電導(dǎo)率為最大值(511 μs/cm)，7 月磁湖水體為最小值(403 μs/cm)。從局部來看電導(dǎo)率變化與水溫變化不一致，從總的趨勢看電導(dǎo)率的變化符合與水溫變化的關(guān)系。但電導(dǎo)率在湖泊水電導(dǎo)率的正常范圍，反映了磁湖水質(zhì)較好，這也是近幾年黃石市大力治理的結(jié)果。水溫影響磁湖水中的溶解性氣體(如氧、二氧化碳等)的溶解度、非離子氨、pH、電導(dǎo)率以及其他溶質(zhì)，進(jìn)而影響磁湖中水生生物的生命活動(dòng)。

2.5 有機(jī)污染綜合物及營養(yǎng)性污染物 氨氮(X2)在第1主成分上的相關(guān)系數(shù)為0.852，僅次于pH的影響;葉綠素(X11)、五日生化需氧量(X5)、總氮(X3)在第2主成分上的相關(guān)系數(shù)分別為0.892、0.876、0.796。磁湖水中的氨氮來源主要為生活污水中含氮有機(jī)物受微生物作用的分解產(chǎn)物、工業(yè)廢水、農(nóng)田排水。研究中發(fā)現(xiàn)磁湖中NH3-N、NO2-N和NO3-N和總氮基本呈負(fù)釋放，說明磁湖大部分氮元素向底泥沉積，容易導(dǎo)致磁湖富營養(yǎng)化［8］?？偭?X4)在第3主成分上的相關(guān)系數(shù)為0.561。葉綠素對(duì)磁湖的影響也從另一方面反映出磁湖富營養(yǎng)化的程度，磁湖水體中過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)致使磁湖營養(yǎng)平衡破壞，導(dǎo)致藻類的大量繁殖污染水環(huán)境;其主要來源于未加處理或處理不完全的工業(yè)廢水和生活污水、有機(jī)垃圾、家畜家禽糞便以及農(nóng)施化肥?；瘜W(xué)需氧量(X7)在第4主成分上的相關(guān)系數(shù)為0.758。化學(xué)需氧量、生化需氧量均反映了磁湖水體受有機(jī)污染物的污染程度，生活污水與工業(yè)廢水中含有大量各類有機(jī)物污染物，有機(jī)污染物在磁湖水體中分解時(shí)要消耗大量的溶解氧，從而破壞磁湖水體氧的平衡，使水質(zhì)惡化，因而缺氧造成磁湖中魚類及其他水生生物的死亡，這也與事實(shí)相一致。

3 對(duì)策

綜上所述，磁湖水體富營養(yǎng)化程度高，有機(jī)污染較嚴(yán)重，其主要影響指標(biāo)為pH、電導(dǎo)率、水溫、葉綠素、五日生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷;其他指標(biāo)對(duì)磁湖水質(zhì)的影響較小;其中，氨氮、總磷指數(shù)代表水體引起湖泊富營養(yǎng)化的營養(yǎng)元素的污染狀況，而五日生化需氧量、化學(xué)需氧量是磁湖水體中的有機(jī)污染的反映?？梢姡纳拼藕|(zhì)是迫切需要的，且改善磁湖水環(huán)境的方法及途徑也是很重要的，現(xiàn)針對(duì)上述磁湖水環(huán)境存在的問題提出部分治理建議。

3.1 磁湖水體富營養(yǎng)化問題的治理措施 就磁湖水體富營養(yǎng)化的問題，可使用微生物降解的方法［9］，如向磁湖水中投加以光合細(xì)菌為主的復(fù)合細(xì)菌群，該方法能夠有效地降低磁湖水濁度，并能維持較長時(shí)間，可以有效地降低磁湖水藻類生物量和湖水中氨氮及總磷污染。強(qiáng)化磁湖水體生物自凈能力、凈化水體，最終達(dá)到控制磁湖水體富營養(yǎng)化的目的。

3.2 磁湖水體有機(jī)污染問題的治理措施 就磁湖水環(huán)境中有機(jī)污染物的問題，可以用光催化氧化法處理有機(jī)污染物。光催化氧化法在足夠的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)通?？梢詫⒂袡C(jī)物污染物完全礦化為CO2和H2O等簡單無機(jī)物，避免了二次污染。使用該方法可以降低磁湖水體中有機(jī)污染物的含量，可進(jìn)一步改善磁湖水環(huán)境的質(zhì)量。

3.3 磁湖整體治理措施 對(duì)生活污水和工業(yè)廢水可以采取先處理再排放，在磁湖周圍可以多建設(shè)污水處理廠，擴(kuò)大污水處理廠的覆蓋范圍，提高污水處理率;嚴(yán)格控制磁湖水體的水溫、pH、電導(dǎo)率等污染指標(biāo)，來控制磁湖水環(huán)境質(zhì)量的變化。另一方面，要控制內(nèi)源性污染，尤其是對(duì)于湖泊的底泥，要盡量減少對(duì)其的擾動(dòng);在此基礎(chǔ)上也要充分利用自然之力恢復(fù)磁湖水環(huán)境質(zhì)量，這樣不僅節(jié)約了人力和物力，還能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的。

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