基于聚類分析的烏梁素海水質(zhì)因子研究

岳程鵬 李興

摘要：為揭示烏梁素海水質(zhì)因子相互作用關(guān)系和水體環(huán)境狀況，更好地改善水質(zhì)，采用2017年烏梁素海水質(zhì)因子監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析法對水質(zhì)因子進(jìn)行聚類分析，參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB 3838-2002）對烏梁素海水質(zhì)進(jìn)行分類，分析了影響烏梁素海水質(zhì)的主要因素，提出了改善水質(zhì)的意見。結(jié)果表明：烏梁素海水質(zhì)因子分為4類，水溫、透明度、溶解氧、總氮、總磷、葉綠素a反映湖水的富營養(yǎng)化程度，pH值反映湖水的堿度，電導(dǎo)率、鹽度反映湖水含鹽量，COD反映湖水的有機(jī)污染物含量;氮磷比揭示出磷是烏梁素海藻類生長和富營養(yǎng)化的限制性因素。

關(guān)鍵詞：復(fù)相關(guān)系數(shù);聚類分析;水質(zhì)因子;烏梁素海

中圖分類號：X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000-1379.2019.05.015

烏梁素海位于內(nèi)蒙古烏拉特前旗，為我國第八大淡水湖，是全球荒漠半荒漠地區(qū)極為少見的大型寒旱區(qū)湖泊[1]。烏梁素海是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)生活污水、農(nóng)田灌溉排水、退水及工業(yè)廢水的承泄場所，是污染物的儲存地，對于緩解黃河下游污染、保持水土、改善流域環(huán)境都有極其重要的作用[2]。但是，近年來隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，烏梁素海的環(huán)境受到破壞，湖泊的富營養(yǎng)化問題突出，成為內(nèi)蒙古湖泊水質(zhì)最為惡化、富營養(yǎng)化最為嚴(yán)重的草一藻型湖泊。因此對烏梁素海水質(zhì)問題的研究十分必要，有利于改善水質(zhì)環(huán)境，維持生態(tài)平衡。

國外學(xué)者評價(jià)水質(zhì)所用的方法有多元統(tǒng)計(jì)分析和重金屬污染指數(shù)法[3]、水質(zhì)指標(biāo)和線性回歸模型（多變量線性回歸、分段線性回歸）[4]、貝葉斯模型等[5]。國內(nèi)學(xué)者對烏梁素海水質(zhì)問題的研究集中在水質(zhì)因子評價(jià)方面，運(yùn)用的研究方法有主成分分析[6]、卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[7]、灰色聚類分析[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)[1]、灰色模式識別模型[2]等。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水質(zhì)因子的相關(guān)性研究僅基于單相關(guān)系數(shù)分析，基于復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析法的研究鮮見報(bào)道。水環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，受到許多水質(zhì)因子相互作用的綜合影響，基于復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析法可以使眾多復(fù)雜的水質(zhì)因子按照相似關(guān)系聚合成若干類，進(jìn)而找出影響水生態(tài)系統(tǒng)的主要因素。

本研究于2017年對烏梁素海水質(zhì)因子進(jìn)行監(jiān)測，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB 3838-2002），參考文獻(xiàn)[6-7]研究烏梁素海所采用的水質(zhì)指標(biāo)，選取10項(xiàng)水質(zhì)因子，采用復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析法對烏梁素海的水質(zhì)因子進(jìn)行聚類分析，將復(fù)相關(guān)系數(shù)引入到聚類分析中，研究水質(zhì)因子之間的相互作用，以期為解決烏梁素海生態(tài)環(huán)境問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣品采集

2017年4-11月中旬，在烏梁素海人湖口、湖心、出湖口等設(shè)置12個(gè)采樣點(diǎn)（采樣點(diǎn)分布情況見圖1），采樣點(diǎn)采用GPS定位，每個(gè)采樣點(diǎn)監(jiān)測水溫、透明度（SD）、電導(dǎo)率、pH值、溶解氧（DO）、鹽度、總氮（TN）、總磷（TP）、COD、葉綠素a（Chl.a）。將所采集的樣品裝入聚乙烯瓶中，密封保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試分析，共得到95組數(shù)據(jù)（剔除4月的一組異常數(shù)據(jù)）。

1.2 分析方法

總氮的測定采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷的測定采用鉬銻抗分光光度法，葉綠素a的測定采用分光光度計(jì)法，透明度采用自制賽式盤測定，水溫、pH值、溶解氧、COD、鹽度、電導(dǎo)率由法國PONSEL多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場監(jiān)測獲得。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics（ SPSS 22）對烏梁素海的水質(zhì)因子進(jìn)行Pearson相關(guān)分析、計(jì)算復(fù)相關(guān)系數(shù)以及進(jìn)行F值檢驗(yàn)（即將相關(guān)系數(shù)轉(zhuǎn)化成方差分析值F，并將轉(zhuǎn)化后的F值運(yùn)用F-檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)）。

1.4 復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析法

1.4.1 復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析原理

R型聚類分析的基本思想是在變量之間定義相似系數(shù)，相似系數(shù)代表變量之間的相似程度，按照相似程度對變量逐一歸類。關(guān)系緊密的類劃歸到一個(gè)小的分類單位，逐漸擴(kuò)大，直到所有樣品聚類結(jié)束，形成一個(gè)表示親疏關(guān)系的結(jié)構(gòu)。R型聚類分析的作用是使相互混合復(fù)雜的變量聚合成若干個(gè)有代表性意義的類，以更加清晰明了地找出影響系統(tǒng)的主要因素。

復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析求新變量Y（由單個(gè)變量X_a和X_b合成）與各個(gè)舊變量X_i的相關(guān)性時(shí)，可由合成新變量的單個(gè)變量X_a和X_b與各個(gè)舊變量X_i的復(fù)相關(guān)系數(shù)表示。由于復(fù)相關(guān)系數(shù)反映的是多個(gè)變量與某個(gè)變量之間的復(fù)相關(guān)程度，因此采用F檢驗(yàn)法對復(fù)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，如果新變量y和某個(gè)舊變量X_i的相關(guān)性顯著，則把新變量Y與舊變量X_i聚在一起合成一個(gè)新變量。復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析法把復(fù)相關(guān)系數(shù)引入到聚類分析中，可以使聚類結(jié)果更加精確，提高R型聚類分析法的科學(xué)性、合理性。

1.4.2 復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析步驟

2 結(jié)果與討論

2.1 烏梁素海水質(zhì)因子復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類結(jié)果

將烏梁素海12個(gè)采樣點(diǎn)的10項(xiàng)水質(zhì)因子指標(biāo)記為X1（水溫）、X2（透明度）、X3（電導(dǎo)率）、X4（pH值）、X5（溶解氧）、X6（鹽度）、X7（總氮）、X8（總磷）、X9（COD）、X10。（葉綠素a），求這10項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，再將相關(guān)系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為F值矩陣，見表1。

由表1可知，X3、X6之間相關(guān)性檢驗(yàn)的F值最大，即F3.6= 29.020，顯著性a=0.05， F3，6 >F0.05（1，95 -1 -1）=3.941.因此可將X3、X6合并。將合并后的X3、X6記為新的指標(biāo)Y1（ X3，X6），求新指標(biāo)y與舊指標(biāo)之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)，并將復(fù)相關(guān)系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為F值矩陣，見表2。

由表2可知，Xl、X7之間相關(guān)性檢驗(yàn)的F值最大，即F1.7=21.279.顯著性a=0.05，F(xiàn)1.7>Fo.os（1，95 -1-1）=3. 941，因此可將X1、X7合并。將合并后的X1、X7記為新的指標(biāo)Y2（ X1，X7），求新指標(biāo)l，與舊指標(biāo)之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)，并將復(fù)相關(guān)系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為F值矩陣。由此計(jì)算公式，同理依次可得新指標(biāo)Y3（ X1，X5，X7）、Y4（X1， X5， X7， X8）、Y5（ X1，X5， X7，X8， X10）、Y6（X1，X2，X5，X7，X8，X10），求新指標(biāo)Y6與剩余舊指標(biāo)之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)，再將復(fù)相關(guān)系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為F值矩陣，見表3。

由表3可知，最大的F值為F（ 3.6），9=3.025，但Fc3.6），9

2.2 烏梁素海水質(zhì)類別

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB 3838-2002），計(jì)算得出烏梁素?？偟⒖偭?、溶解氧、COD等5種水質(zhì)指標(biāo)的2017年年均值，分別為2. 70、0.23、8.62、6.05、85.00 mg/L，pH值年均值為8.62，水質(zhì)類別分別為V類、V類、V類、Ⅱ類、V類。由此可知，2017年烏梁素海水質(zhì)較差，屬于V類，只適用于農(nóng)業(yè)用水及一般景觀用水。李興等[9]研究烏梁素海2006-2008年人湖水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)率，結(jié)果表明總氮、總磷、BOD5、COD均已大比例超出V類水標(biāo)準(zhǔn)。由此可知總氮、總磷對烏梁素海水質(zhì)影響較大。

2.3 烏梁素海水質(zhì)影響因素分析

烏梁素海水質(zhì)因子復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析表明，影響烏梁素海生態(tài)系統(tǒng)的相互混合復(fù)雜的水質(zhì)因子有4類，即富營養(yǎng)化因子、堿度因子、鹽性因子、有機(jī)污染因子。李興[10]研究結(jié)果表明，烏梁素海湖區(qū)水體受富營養(yǎng)化污染、有機(jī)物污染、鹽化污染十分嚴(yán)重，說明烏梁素海水質(zhì)因子分類結(jié)果是科學(xué)合理的。富營養(yǎng)化因子中的總氮、總磷對烏梁素海水質(zhì)影響較大，總氮、總磷是反映水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)。作為河套灌區(qū)生活污水的承泄地，烏梁素海接納的大量生活污水是總氮的主要來源：城鎮(zhèn)生活污水及農(nóng)田殘留的大量磷及其化合物通過排干渠進(jìn)入湖泊，是烏梁素海磷元素的主要來源[11]。氮、磷是藻類生長必需的營養(yǎng)物質(zhì)，是反映水體藻類生長狀況的重要指標(biāo)[12]，湖泊氮、磷濃度較高，浮游生物生長迅速，浮游生物的初級生產(chǎn)力較高，進(jìn)而影響到湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

N和P以16：1的原子數(shù)比被浮游植物在光合作用中吸收[13]，有研究認(rèn)為，淡水環(huán)境中，氮磷比大于7，磷是限制性營養(yǎng)鹽[14]。烏梁素海監(jiān)測點(diǎn)氮磷比的平均值為12.39，說明磷是烏梁素海藻類生長和富營養(yǎng)化的限制性因素，這與李培培等[14-15]的研究結(jié)果一致。

2.4 討論

2.4.1 烏梁素海水質(zhì)改善方法

（1）外源治理。工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)退水、城鎮(zhèn)生活污水是烏梁素海氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)最重要的外部來源，對排人烏梁素海的城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田退水加以控制，進(jìn)而減少磷的排放，可以在很大程度上減輕烏梁素海的富營養(yǎng)化程度，改善水質(zhì)，進(jìn)而維護(hù)好烏梁素海的水域生態(tài)系統(tǒng)。

（2）加強(qiáng)旅游區(qū)水環(huán)境管理，禁止游客向湖中隨意丟棄垃圾，及時(shí)清理湖中污物。

（3）實(shí)施挖深、疏浚工程。由于沉積于湖底的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)在生化作用下可以重返水體，促進(jìn)藻類的繁殖生長，對水體環(huán)境造成二次破壞，因此實(shí)施挖深、疏浚工程可以去除含有氮、磷的湖底污泥，改善水體環(huán)境。

（4）采取養(yǎng)殖荷花、睡蓮、茭白、香蒲等水生植物的生物措施。水生植物具有水體產(chǎn)氧、氮循環(huán)、吸附沉積物、抑制浮游藻類繁殖、減輕水體富營養(yǎng)化、提高水體自凈能力等重要功能，同時(shí)能為水生動物、微生物提供棲息地和食物源，維持水岸帶物種多樣性，廣泛應(yīng)用于湖泊富營養(yǎng)化治理[16]。何連生等[17]研究表明，利用荷花治理白洋淀水體富營養(yǎng)化取得了很好地成效，因此可在烏梁素海種植荷花、睡蓮、茭白、香蒲等水生植物，利用生物措施改善水質(zhì)，美化環(huán)境。

2.4.2 烏梁素海水質(zhì)研究方法

把復(fù)相關(guān)系數(shù)引入到水質(zhì)因子R型聚類分析中，并且對合并的指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，可以真實(shí)地反映新指標(biāo)與多個(gè)舊指標(biāo)之間的相關(guān)性，一定程度上提高了聚類的精確度。

常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測通過在現(xiàn)場設(shè)置具有代表性的采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析，這種傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、周期長、不具有連續(xù)實(shí)時(shí)性，而利用遙感技術(shù)監(jiān)測湖泊水質(zhì)具有成本低、速度快、實(shí)時(shí)動態(tài)等優(yōu)點(diǎn)[18]，在今后的水質(zhì)研究中，可采用遙感技術(shù)監(jiān)測烏梁素海水體環(huán)境，以此獲得烏梁素海水質(zhì)因子的時(shí)空分布特征，為烏梁素海水體環(huán)境的治理提供全面科學(xué)的理論依據(jù)。

3 結(jié)論

通過監(jiān)測烏梁素海2017年水質(zhì)因子，運(yùn)用復(fù)相關(guān)系數(shù)R型聚類分析法進(jìn)行水質(zhì)因子分類，共分為4類，水溫、透明度、溶解氧、總氮、總磷、葉綠素a聚成一類，反映湖水的富營養(yǎng)化程度;pH值自成一類，反映湖水的堿度;電導(dǎo)率、鹽度聚成一類，反映湖水含鹽量;COD自成一類，反映湖水的有機(jī)污染物含量。烏梁素?？傮w水質(zhì)為V類，總氮、總磷對烏梁素海的水體環(huán)境影響較大，氮磷比表明磷是烏梁素海富營養(yǎng)化的限制性因素。嚴(yán)格管控周邊工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)田退水排放是改善烏梁素海水體環(huán)境的關(guān)鍵。

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【責(zé)任編輯呂艷梅】