基于PCA法的沉積物質(zhì)量評價(jià)模型構(gòu)建及其應(yīng)用

姜雙城，林培梅，蔡建堤，顏聰毅，陳宇峰，吳建紹，陳思源，汪 新，林 琪*

(1.福建省水產(chǎn)研究所、福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361013；2.廈門市第五中學(xué)，福建 廈門 361004)

目前，沉積物質(zhì)量評價(jià)尚無統(tǒng)一的方法或標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)評價(jià)方法主要有單因子法、地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)法、生物效應(yīng)濃度法(ERL、ERM)[1]、沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法[2]和層次分析法(AHP)等[3]；我國海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)以單因子污染評價(jià)為主，如生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的中國近岸海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量公報(bào)。單因子評價(jià)較直觀，但由于監(jiān)測結(jié)果采用平均值，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在相互掩蓋現(xiàn)象；對于評價(jià)因子均超標(biāo)的重污染海域，單因子無法合理評價(jià)和診斷。國際上的生態(tài)環(huán)境管理關(guān)注點(diǎn)在生態(tài)環(huán)境綜合管理，而不是環(huán)境污染管理，并建立了生態(tài)環(huán)境健康綜合評價(jià)模型，形成了相應(yīng)的管理和監(jiān)測體系。歐盟[4]和美國[5-6]分別提出了“生態(tài)狀況綜合評價(jià)模型”和“沿岸海域綜合評價(jià)模型”。近岸沉積物是一個(gè)多維因子組成的復(fù)雜體系[7]，涉及眾多化學(xué)要素，不同要素之間存在相關(guān)性，為了建立適合我國國情和特點(diǎn)的沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)方法，需要充分利用我國現(xiàn)有的沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)，盡量簡化眾多底質(zhì)參數(shù)[8-9]，刪除指標(biāo)間相互重疊的信息，開發(fā)沉積物評價(jià)模型，給出一個(gè)綜合指數(shù)值來表征沉積物質(zhì)量。

本研究針對我國近岸海域沉積物評價(jià)現(xiàn)狀，基于海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)[10]和監(jiān)測要素，運(yùn)用主成分分析法(PCA)構(gòu)建評價(jià)模型，選擇在九龍江及毗鄰海域進(jìn)行示范應(yīng)用。九龍江是福建省內(nèi)的第二大河流[11-12]；其沿岸人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，每年有大量陸源污染物流入九龍江，其攜帶的污染物質(zhì)通過物理沉降作用進(jìn)入到底泥[13-14]，導(dǎo)致底泥中化學(xué)元素的濃度達(dá)到高風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是銅、鋅、鎘、汞和砷等元素[15-18]。沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)模型的建立，可以為九龍江口環(huán)境保護(hù)和污染治理提供數(shù)據(jù)支撐；也可以為我國海域沉積環(huán)境的全面評估、診斷和決策，摸清沉積環(huán)境的壓力現(xiàn)狀提供技術(shù)支撐；同時(shí)有助于提升我國近岸海域生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測、管理和評價(jià)水平。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與分析

在九龍江口布設(shè)16個(gè)站位(圖1)，于2016年3月(枯水期)開展海上調(diào)查，采用開口面積為0.05 m2的抓斗式表層采泥器(國家海洋技術(shù)中心)收集沉積物樣品。沉積物樣品的采集、貯存與運(yùn)輸依據(jù)海洋監(jiān)測規(guī)范第3部分[19]；而沉積物分析方法依據(jù)海洋監(jiān)測規(guī)范第5部分[20]；使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，型號：Agilent 7700x)測定沉積物中重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd和總Cr)；總Hg和無機(jī)砷的測定采用原子熒光儀(型號：AFS-9130)；使用總有機(jī)碳分析儀(型號：Vario TOC)測定有機(jī)碳(OC)；采用紫外可見分光光度儀(型號：Cary 50)測定石油類；采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(型號：Skalar San++)測定硫化物。

圖1 2016年3月九龍江口調(diào)查站位Fig.1 Sampling locations of Jiulong Estuary in March, 2016

1.2 模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)挖掘分析

選取近海海洋底質(zhì)環(huán)境調(diào)查指標(biāo)，結(jié)合PCA開發(fā)沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)模型。主成分、多元回歸等數(shù)據(jù)探索性和挖掘性分析依據(jù)SPSS 20.0[21]，而平面分布圖的繪制采用Surfer 12.0軟件。

1.3 沉積物質(zhì)量的綜合評價(jià)指標(biāo)體系和數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

1.3.1 沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)模型指標(biāo)選擇和體系建構(gòu) 依據(jù)我國近岸海洋環(huán)境和福建省重點(diǎn)海灣沉積物監(jiān)測指標(biāo)，選擇10個(gè)參數(shù)作為底質(zhì)評價(jià)模型構(gòu)建因子，按照海洋沉積物質(zhì)量[10](表1)建立假設(shè)樣本，即以10個(gè)沉積物指標(biāo)的區(qū)間值作為樣本值。

表1 海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification by the Marine Sediment Qualiy

1.3.2 沉積物指標(biāo)間信息的重疊性 使用SPSS 20.0分析10個(gè)沉積物參數(shù)之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)矩陣見表2。從分析結(jié)果可以看出，10個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)區(qū)間為0.880～1.000，相關(guān)度較高。因此，如果直接選擇上述因子構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，指標(biāo)之間信息會(huì)存在彼此重疊現(xiàn)象，并導(dǎo)致嚴(yán)重的共線問題。同時(shí)，運(yùn)用SPSS的因子分析模型探索沉積物指標(biāo)間的偏相關(guān)性，其研究結(jié)果顯示數(shù)據(jù)假設(shè)樣本Bartlett球型檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的Sig值小于0.01，再次說明10個(gè)指標(biāo)信息存在很大的相關(guān)性和重疊性，而并非彼此獨(dú)立的。

表2 沉積物質(zhì)量參數(shù)的相關(guān)矩陣Tab.2 Correlation matrix among 10 parameters of sediment quality

1.3.3 基于PCA法開發(fā)沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)模型 10個(gè)沉積物指標(biāo)間的相關(guān)矩陣和Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果表明各因子之間存在很大的相關(guān)度，為了更準(zhǔn)確的評價(jià)沉積物質(zhì)量，需要運(yùn)用PCA法進(jìn)行數(shù)據(jù)降維，刪除重疊信息，用少數(shù)幾個(gè)主成分表征10個(gè)變量，開發(fā)沉積物質(zhì)量的綜合評價(jià)數(shù)學(xué)模型。

①主成分的分析結(jié)果。對假設(shè)樣本中的10個(gè)因子進(jìn)行了PCA分析，分析結(jié)果見表3，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明第一主成分特征根(λ1)為9.806，它解釋了沉積物質(zhì)量指標(biāo)累積方差信息的98.060%，遠(yuǎn)大于85%的SPSS統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)指標(biāo)要求；而λ2的特征根為0.194，λ2之后遠(yuǎn)小于1，其解釋累積方差信息和小于2%；根據(jù)初始特征值繪制的碎石圖(圖2)，從圖中也可以直觀看出，第二個(gè)公因子后的特征值變化趨緩。因此，只提取1個(gè)主成分，已經(jīng)可解釋約98.1%的指標(biāo)信息，完全滿足PCA分析的技術(shù)規(guī)定。

表3 沉積物主成分分析表Tab.3 Principal component analysis for the sediments

續(xù)表3

圖2 沉積物主成分碎石圖Fig.2 Gravel map of sediment principal component

②沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)數(shù)學(xué)模型。10個(gè)沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的初始因子載荷見表4。

表4 初始因子的載荷矩陣Tab.4 Load matrix of the initial factor

將10個(gè)沉積物指標(biāo)的含量區(qū)間值進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，通過SPSS 20.0運(yùn)行過程中的數(shù)學(xué)運(yùn)算，建立其質(zhì)量綜合評價(jià)指數(shù)(F)的數(shù)學(xué)模型：

(1)

式(1)中：λ1=9.806、i分別代表Cd、Hg、Pb、……和AVS等10個(gè)沉積物質(zhì)量指標(biāo)，Bi對應(yīng)為表4中的B值，而Xi為沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

③沉積物綜合質(zhì)量評價(jià)的指數(shù)值。運(yùn)用沉積物質(zhì)量數(shù)學(xué)模型，即式(1)，統(tǒng)計(jì)出三類沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)的取值范圍，結(jié)果列于表5。

表5 三類沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)的取值范圍Tab.5 Range of three types of sediment quality F

2 結(jié)果與討論

基于2016年3月(枯水期)，九龍江口16個(gè)調(diào)查站位的分析結(jié)果，運(yùn)用沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)數(shù)學(xué)公式，分別計(jì)算了16個(gè)站位的沉積物物質(zhì)量綜合指數(shù)值，結(jié)果列于表6，并使用Surfer 12.0繪制F值的空間格局和平面分布分別見圖3、4。

表6 九龍江口沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)值Tab.6 Sediment quality comprehensive index of Jiulong Estuary

續(xù)表6

圓點(diǎn)的大小表示F的高與低，對應(yīng)沉積物綜合質(zhì)量的劣和好。從圖3中可以明顯看出，沉積物質(zhì)量較差的區(qū)域主要位于九龍江流域南部沿岸區(qū)的J2、J3、J4、J15等站位，北部沿岸海域僅有J6站位較差；而廈門島南部海域的J10、J11、J12和J13等站位沉積物質(zhì)量較好；其中J5站位的污染指數(shù)非常低，這與該站位沉積物類型為砂質(zhì)型有關(guān)，此類型沉積物有利于底泥中各沉積化學(xué)元素的釋放，而不利于元素的富集[22]。空間分布格局整體呈現(xiàn)沿著九龍江入海方向，綜合質(zhì)量逐漸趨好，評價(jià)結(jié)果比較符合實(shí)際情況。

圖3 九龍江口沉積物綜合評價(jià)指數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distribution of sediment quality comprehensive index of Jiulong Estuary

沉積物F值平面分布見圖4，其分布呈現(xiàn)從河流→河口→近海，綜合指數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，表明綜合質(zhì)量逐漸變好。本研究結(jié)果與林彩(2011)[23]、姜雙城(2019)[24]的結(jié)論基本一致，在J10、J11、J12和J13等鹽度較高的外海海域污染較輕、綜合質(zhì)量較好；而漳州開發(fā)區(qū)北部沿岸區(qū)沉積物質(zhì)量較差，可能與當(dāng)?shù)丶彝プ鞣弧⒒?、拆船和碼頭較多有關(guān)，需要當(dāng)?shù)卣訌?qiáng)治理，防止沉積物質(zhì)量進(jìn)一步惡化。研究結(jié)果表明廈門海域的沉積物綜合質(zhì)量優(yōu)于漳州海域，這與廈門市政府實(shí)施污水達(dá)標(biāo)排放、退養(yǎng)還海、增殖放流等海洋生態(tài)環(huán)保政策有關(guān)。

圖4 九龍江口沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)平面分布Fig.4 Horizontal distribution of sediment quality comprehensive index of Jiulong Estuary

九龍江及毗鄰海域具有點(diǎn)源和面源交叉污染的特征。大面污染主要源于陸源輸入；而九龍江的點(diǎn)源污染主要集中在J4、J6和J15的鄰岸海域，污染源可能主要由小企業(yè)和手工作坊造成。

根據(jù)單因子指數(shù)，本研究將2016年3月的沉積物調(diào)查數(shù)據(jù)中主要的超標(biāo)指標(biāo)因子(Cu、Zn、Pb)提取出來(表7)。從表7可以知道，16個(gè)調(diào)查站位超標(biāo)率最高的是Zn元素，其次是Cu元素，其中沉積物中Zn含量超過海洋沉積物質(zhì)量[10]的一類標(biāo)準(zhǔn)值約50%；為了判斷鋅和銅的的可能來源，分別繪制了Zn(圖5)和Cu(圖6)平面分布圖，從上述圖中可以明顯識別出九龍江流域Zn和Cu的污染呈現(xiàn)點(diǎn)源特征，均在J2、J4和J6等站位出現(xiàn)含量極高值。由于銅、鋅和鉛出現(xiàn)超標(biāo)的站位不一致，程度各不同，單因子評價(jià)無法對沉積物綜合質(zhì)量優(yōu)劣予以科學(xué)評判。

表7 九龍江口沉積物質(zhì)量主要超標(biāo)參數(shù)Tab.7 Main parameters of sediment quality of Jiulong Estuary exceeding the Marine Sediment Quality

圖5 九龍江口沉積物中Zn含量的平面分布Fig.5 Horizontal distribution of zinc content in sediments of Jiulong Estuary

圖6 九龍江口沉積物中Cu含量的平面分布Fig.6 Horizontal distribution of copper content in sediments of Jiulong Estuary

為了更直觀的判斷綜合指數(shù)和單因子，這兩種評價(jià)方式的優(yōu)劣，本研究將Zn、Cu含量的平面分布和沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)空間分布重疊在一起(圖7、8)。從圖7、8中可以明顯識別出綜合指數(shù)較好的反應(yīng)了Zn(圖5)和Cu(圖6)在J2、J3、J4和J6的點(diǎn)源、面源復(fù)合污染現(xiàn)狀，這也說明F在九龍江口沉積物質(zhì)量評價(jià)應(yīng)用效果較好。

圖7 九龍江口Zn含量的平面分布和沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)空間分布重疊圖Fig.7 Overlapping map of horizontal distribution of zinc content and sediment quality comprehensive index of Jiulong Estuary

圖8 九龍江口 Cu含量的平面分布和沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)空間分布重疊圖Fig.8 Overlapping map of horizontal distribution of copper content and sediment quality comprehensive index of Jiulong Estuary

上述研究結(jié)果表明，運(yùn)用綜合指數(shù)的量化值，結(jié)合單因子評價(jià)，不但可以科學(xué)準(zhǔn)確的評判沉積物質(zhì)量優(yōu)劣，而且篩選出了九龍江口污染重點(diǎn)區(qū)域(J4、J6和J15站位)和關(guān)鍵監(jiān)管因子(Zn、Cu和Pb)。這對于政府加強(qiáng)監(jiān)管和治理，防止銅、鋅和鉛污染加劇，避免對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞具有指導(dǎo)意義。沉積物質(zhì)量的綜合量化，實(shí)現(xiàn)了沉積物質(zhì)量的可比性。而重點(diǎn)區(qū)域和關(guān)鍵指標(biāo)的確定，則有利于減輕政府的工作量，節(jié)約環(huán)保資金的投入，針對性開展沉積物的環(huán)境監(jiān)測工作。

3 結(jié)論

(1)本研究根據(jù)海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)，選取近海海洋環(huán)境沉積物監(jiān)測指標(biāo)中的重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、Cr)、類金屬元素(Hg、As)、硫化物(AVS)和有機(jī)污染指標(biāo)(Oil、OC)等10個(gè)指標(biāo)，組建沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)的指標(biāo)體系。

(2)運(yùn)用PCA刪除了10個(gè)指標(biāo)間的重疊信息，提取了可解釋98.060%的指標(biāo)累積方差信息的第一主成分(λ1=9.806)，并開發(fā)沉積物質(zhì)量綜合評價(jià)數(shù)學(xué)模型，劃分出三類沉積物質(zhì)量F值的量化區(qū)間，實(shí)現(xiàn)了沉積物質(zhì)量的可量化，解決了高污染沉積物樣品如何比較的技術(shù)瓶頸問題。

(3)為了更好的修正和完善評價(jià)數(shù)學(xué)模型，選擇九龍江口進(jìn)行了示范驗(yàn)證，評估和診斷了枯水期沉積物質(zhì)量現(xiàn)狀，計(jì)算并繪制了F值的空間格局和平面分布，篩查出調(diào)查海域污染防控重點(diǎn)區(qū)域，減輕了一線監(jiān)測人員的業(yè)務(wù)量，并節(jié)省了環(huán)保資金的投入。

(4)模型研究結(jié)果顯示調(diào)查海域的沉積物質(zhì)量以二類為主，具有面源和點(diǎn)源相互疊加的復(fù)合污染特征，重點(diǎn)防控海域?yàn)檎闹萁叮黄淇臻g分布呈現(xiàn)從河流→河口→近海，F(xiàn)逐漸降低，底質(zhì)質(zhì)量趨優(yōu)的分布。單因子評價(jià)結(jié)果表明污染關(guān)鍵指標(biāo)為Zn、Cu和Pb。單因子和綜合指數(shù)的綜合應(yīng)用較好的反應(yīng)了枯水期沉積環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，為九龍江口環(huán)境保護(hù)和治理提供了技術(shù)支撐。

致謝：感謝吳立峰、鄭盛華、席英玉、楊妙峰、陳財(cái)珍、羅冬蓮、錢小明、許貽斌、李衛(wèi)林和林嬌等同志在樣品采集、分析過程中給予的幫助。