基于主成分分析的武漢市中山公園水體污染研究

王思?jí)?，翁沁玉，代知廣，諶婕妤，萬(wàn)勇杰，王敏

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

基于主成分分析的武漢市中山公園水體污染研究

王思?jí)?，翁沁玉，代知廣，諶婕妤，萬(wàn)勇杰，王敏

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

為調(diào)查中山公園水體基本現(xiàn)狀，并探究其污染程度，對(duì)中山公園水體進(jìn)行全面采樣監(jiān)測(cè)，并基于主成分分析原理，分析中山公園水體的主要污染因子，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)函數(shù)判定水體類別.結(jié)果表明，主要污染因子為富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)，尤其是TN，其次為有機(jī)物污染.17個(gè)采樣點(diǎn)中，大部分點(diǎn)位水體屬于Ⅳ類，占82%，其次為Ⅴ類水體，占12%，Ⅲ類水體僅占6%.且有一處水體惡化為劣Ⅴ類的可能性極大.總體上，該水體符合其作為娛樂水體的要求，但局部地區(qū)污染嚴(yán)重，亟待改善.

中山公園水體；主成分分析；水體污染；富營(yíng)養(yǎng)化

0 引言

城市景觀水體是居民休閑、健身及娛樂的重要場(chǎng)所，對(duì)美化城市人居環(huán)境、凈化空氣、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候等具有積極作用[1].多年來，景觀水體的水體惡化、富營(yíng)養(yǎng)化困擾我國(guó)乃至世界許多國(guó)家的城市生態(tài)建設(shè)[2].武漢市中山公園以其悠久的歷史，現(xiàn)已發(fā)展成為集休閑、娛樂、游藝等多項(xiàng)服務(wù)功能于一身的大型綜合性公園.據(jù)報(bào)道，2001年，武漢市政府就中山公園水體進(jìn)行過較大規(guī)模的清淤和疏浚，截?cái)辔廴驹?，公園水體水質(zhì)曾一度達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì).此后，盡管每年都會(huì)對(duì)其進(jìn)行局部修繕和改造，但隨著城市的快速發(fā)展和相對(duì)寬松的管理，公園水體于2007年再度惡化.特別是中山公園僅有的一處生態(tài)調(diào)節(jié)水源于2015年6月關(guān)閉后，水體徹底成為一潭死水.2015年，武漢市大力開展生態(tài)市創(chuàng)建，中山公園水體惡化的問題再次得到有關(guān)部門的重視；九三學(xué)社武漢市委會(huì)遞交的集體提案建議將中山公園納入2016年度改造計(jì)劃.全面科學(xué)的污染現(xiàn)狀調(diào)查分析是治污根本之道.目前針對(duì)中山公園水體的水質(zhì)調(diào)查、研究及評(píng)價(jià)極少.本文中通過對(duì)其水體進(jìn)行全面采樣監(jiān)測(cè)，并基于MATLAB主成分分析，結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)限值，找出影響湖泊水環(huán)境的主要驅(qū)動(dòng)因子，評(píng)價(jià)水體水質(zhì)狀況，確定水體污染程度[3]，為中山公園水體的污染防治提供數(shù)據(jù)參考.

1 材料與方法

1.1 水樣采集 武漢市中山公園是全國(guó)百家歷史名園之一，國(guó)家重點(diǎn)公園.公園占地面積為32.8 hm2，其中陸地面積為26.8 hm2，水面面積為6.0 hm2，綠化覆蓋率高達(dá)到93%，是武漢鬧市中的一塊“綠寶石”，見圖1.公園分前中后3個(gè)景區(qū)，前區(qū)以園林景點(diǎn)為特色，中區(qū)是現(xiàn)代化休閑文化區(qū)，后區(qū)為大型生態(tài)游樂場(chǎng).公園水體為人工河道，環(huán)繞公園，兩側(cè)以石料砌成陡坡，自然湖底.水體幾乎不流動(dòng)，無再生水入口，根據(jù)水渠的形態(tài)、岸上環(huán)境狀況設(shè)計(jì)17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，見圖2.采樣點(diǎn)覆蓋全湖，1、2號(hào)采樣點(diǎn)之間有排污口.

圖1 中山公園周邊環(huán)境遙感影像

圖2 采樣點(diǎn)分布圖

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其監(jiān)測(cè)方法

① 水樣采用絮凝沉淀法進(jìn)行預(yù)處理

1.2 理化指標(biāo)的測(cè)定 2015年9月24日進(jìn)行水樣采集，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定指標(biāo)包含水深、透明度(SD)、溶解氧(DO)、水溫、pH等5項(xiàng)指標(biāo).后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行6項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，包括濁度、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量(CODCr).期間水樣置于4 ℃冰箱內(nèi)保存.監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方法或儀器見表1.

1.3 主成分分析 水體污染程度由多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)共同決定.單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法雖簡(jiǎn)單、直觀，但其往往會(huì)強(qiáng)化污染最嚴(yán)重的指標(biāo)的作用而大大弱化其他指標(biāo)的作用，不具有很強(qiáng)的說服力[4-5].余進(jìn)祥等[6]運(yùn)用Carlson 綜合指數(shù)法、灰色聚類法和主成分分析法3 種方法，分別評(píng)估鄱陽(yáng)湖2006年水體富營(yíng)養(yǎng)化變化規(guī)律；鄒海明等[7]應(yīng)用主成分分析法對(duì)長(zhǎng)春市地面水環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)；黃明等[8]利用主成分分析巢湖水質(zhì)的影響因子.可見，主成分分析法在水質(zhì)評(píng)價(jià)與分析中具有一定優(yōu)勢(shì).主成分分析的本質(zhì)是對(duì)高維變量通過線性變換進(jìn)行最佳綜合與簡(jiǎn)化，以將原來的多個(gè)指標(biāo)組合成相互獨(dú)立的少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)(即所謂主成分).主成分分析根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)在的特點(diǎn)賦予各主成分權(quán)值，避免了人為的主觀任意性，提高分析結(jié)果的可靠性[9-10]，在解決很多實(shí)際問題時(shí)都取得了較好效果[11].

1.4 主要步驟 ① 數(shù)據(jù)預(yù)處理.為消除各數(shù)值之間的量綱影響，對(duì)于負(fù)向指標(biāo)(如TN，數(shù)值越大，水質(zhì)越差)，直接進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化；對(duì)于正向指標(biāo)(如DO，數(shù)值越大，水質(zhì)越好)，應(yīng)先利用公式(1)對(duì)其進(jìn)行逆向化處理[12].

(1)

② 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值及累計(jì)貢獻(xiàn)率；

③ 根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率≥75%的原則確定主成分個(gè)數(shù)[13]；

④ 根據(jù)主成分在各變量上的因子載荷矩陣分析各主成分的主要驅(qū)動(dòng)因子；

⑤ 由確定的主成分得分和對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率構(gòu)成綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，評(píng)價(jià)各點(diǎn)位水質(zhì)狀況[14].

數(shù)據(jù)處理和分析軟件用Microsoft Excel(2010版) 和MATLAB(7.11.0版).

2 結(jié)果

表2 中山公園水體各項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

表3 中山公園水體物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.2 化學(xué)指標(biāo)分析

2.2.1 主成分的確定 除以上5項(xiàng)物理指標(biāo)，其余6項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中均有具體限值規(guī)定.故將17個(gè)采樣點(diǎn)的6項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)(DO預(yù)先進(jìn)行逆向化處理)與5種類別地表水限值標(biāo)準(zhǔn)一并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和主成分分析.利用MATLAB(7.11.0版)編程，調(diào)用函數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣，見表4；主成分的特征值、貢獻(xiàn)率以及累計(jì)貢獻(xiàn)率，見表5.由表5可知，主成分F1、F2的累計(jì)貢獻(xiàn)率已到達(dá)75%，可認(rèn)為前2個(gè)主成分基本反映了原變量的主要信息，故確定其為主成分.其中第1個(gè)主成分是最重要的，包含的信息最多.

表4 相關(guān)系數(shù)矩陣

表5 主成分特征值和貢獻(xiàn)率

表6 主成分F1、F2在各變量上的載荷矩陣

2.2.2 主要污染因子分析 表6列出了主成分F1、F2在各變量上的因子載荷.從載荷大小來看，與第一主成分密切正相關(guān)的是TN和TP，它反映水體主要受富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)污染；且TN的相關(guān)度大于TP，則說明導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性營(yíng)養(yǎng)元素為氮.與第二主成分密切正相關(guān)的是高錳酸鹽指數(shù)，它反映的是有機(jī)污染物的污染效應(yīng).

2.3 綜合評(píng)價(jià) 以F1、F2的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)函數(shù)：

F=58.21F1+ 17.18F2

(2)

以F值大小進(jìn)行排序，再與五種類別水體的序號(hào)比較(如：Ⅳ類水體排序?yàn)?，Ⅴ類水體排序?yàn)?，則排序?yàn)?、3的水體為Ⅴ類水體)，確定17個(gè)采樣點(diǎn)的水體類別，具體水質(zhì)綜合評(píng)判結(jié)果、排序及類別見表7.綜合得分F值越大表明水體污染更嚴(yán)重.由表5可知， 1、2號(hào)點(diǎn)位水體污染最為嚴(yán)重，為Ⅴ類水體，且2號(hào)點(diǎn)位F值(2.561)極其接近Ⅴ類水體所得F值(2.563)，表明其惡化為劣Ⅴ類水體的可能性極大.2號(hào)采樣點(diǎn)主要為TP、TN、NH3-N超標(biāo)嚴(yán)重，且該點(diǎn)位為較窄渠道，水體幾乎不流動(dòng)，溶解氧低，為3.9 mg/L，氨態(tài)氮無法被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，導(dǎo)致其濃度超標(biāo)； 1、2號(hào)點(diǎn)位間的排污口排入的污水是導(dǎo)致其污染的主要原因，若不對(duì)其采取及時(shí)有效的防治措施，該點(diǎn)位的污染將會(huì)加重，且導(dǎo)致更多點(diǎn)位的水體惡化.5號(hào)點(diǎn)位水體受污染程度最小，為Ⅲ類水體；其原因可能是此點(diǎn)位離公園管理局最近，且周邊游客較少，水體維護(hù)最頻繁.其余14個(gè)點(diǎn)位的水體均為Ⅳ類水體，且處于彎道處的水體水質(zhì)明顯更差，如8、13、14號(hào)采樣點(diǎn)綜合排序均位于前列.圖3為中山公園水體類別占比圖，大部分點(diǎn)位水體屬于Ⅳ類，占82%，其次為Ⅴ類水體，占12%，Ⅲ類水體僅占6%.全湖平均顯示為Ⅳ類水體，表示中山公園的水體基本符合其作為景觀娛樂水體的要求.但局部水體污染嚴(yán)重，亟待改善.

表7 水質(zhì)綜合評(píng)判結(jié)果、排序及類別

圖3 中山公園水體類別占比圖

3 討論

1) 為調(diào)查分析中山公園水體基本現(xiàn)狀和污染程度，本文中布設(shè)17個(gè)采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)其11項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo).根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，選取有限值標(biāo)準(zhǔn)的6項(xiàng)指標(biāo)與5種類別水體劃分的限值一并做主成分分析，得到主成分個(gè)數(shù)、因子載荷矩陣和綜合評(píng)價(jià)函數(shù)的排序.

2) 通過分析，得出影響中山公園水體的2個(gè)主成分，結(jié)果表明水體主要受到富營(yíng)養(yǎng)化特征指標(biāo)的影響，尤其是TN的影響，其次是有機(jī)污染指標(biāo).因此，中山公園水體的防治工作重點(diǎn)應(yīng)放在營(yíng)養(yǎng)元素的去除和攔截上.

3) 由綜合評(píng)價(jià)函數(shù)排序得知中山公園大部分水體屬于Ⅳ類，基本符合其作為人體非直接接觸的娛樂用水的要求.但1、2號(hào)點(diǎn)位為Ⅴ類水體，且2號(hào)點(diǎn)位有惡化為劣Ⅴ類水體的危險(xiǎn)，其主要原因是兩點(diǎn)位間有排污管，且水體處于較窄溝渠，流動(dòng)性差，復(fù)氧速度極慢.局部水體的嚴(yán)重污染會(huì)導(dǎo)致全湖水質(zhì)的下降，需采取一定措施加以防治.

4) 從公園整體分區(qū)來看，前中后3個(gè)景區(qū)游客的年齡層、數(shù)量雖然存在差異，但是水體類別沒有明顯區(qū)別，表明水體污染和游客數(shù)量相關(guān)性不大.而離公園管理局最近的5號(hào)點(diǎn)位，其水質(zhì)最好，這說明增強(qiáng)水體的管理維護(hù)，能一定程度上緩解其污染問題.

5) 8、13、14等點(diǎn)位處于轉(zhuǎn)彎處，水體質(zhì)量明顯劣于中間段點(diǎn)位，表明水體流動(dòng)性對(duì)水質(zhì)影響較強(qiáng).可見，進(jìn)行循環(huán)推流可在一定程度上改善中山公園水體水質(zhì).

6) 本文中在空間上調(diào)查分析了中山公園水體的污染狀況和主要污染因子，污染在時(shí)間上的差異性和連續(xù)性有待進(jìn)一步研究.此外，湖泊底泥是水體污染不容忽視的內(nèi)因，其理化性質(zhì)也有待深入研究.

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(責(zé)任編輯 游俊)

Study on the water pollution of Zhongshan Park based on principal component analysis

WANG Simeng, WENG Qinyu, DAI Zhiguang, SHEN Jieyu, WAN Yongjie, WANG Min

(School of Resources and Environmental Science, Hubei University，Wuhan 430062, China)

In order to survey the basic present situation and explore the current degree of water pollution in Zhongshan Park,we analyzed the main factors of water pollution in Zhongshan Park,and the comprehensive assessment function was structured to determine the water category through a comprehensive sampling and monitoring based on the theory of principal component analysis.The results showed that the main pollution factor was eutrophication indexes, especially TN,followed by organic matter pollution.There were 17 sampling points, most of which belong to grade Ⅳ,accounting for 82%,followed by grade Ⅴ,accounting for 12% and grade Ⅲ,accounting for 6%.And there was one point of water standing a chance of deteriorating to inferior grade Ⅴ.Overall, the water body conformed to the requirement as an entertainment one, but local pollution was serious, requiring to be improved urgently.

the water of Zhongshan Park; principal component analysis; water pollution; eutrophication

2016-05-09

湖北省省級(jí)研究生工作站項(xiàng)目(400-150222)資助

王思?jí)?1991-)，女，碩士生；王敏，通信作者，博士，講師，E-mail: 45541829@qq.com

1000-2375(2017)02-0206-06

X824

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.02.019