基于主成分分析與層次聚類分析的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

邢 濤,雍 毅,侯 江, 吳 怡 ,吳 迪,劉恒博

(1.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,成都 610041; 2.成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,國(guó)家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

前 言

瀘沽屬半封閉外流型湖泊，與外界河流交匯少，自凈能力差[1]。同時(shí)其水體停留時(shí)間長(zhǎng)，一旦污染短期難以恢復(fù)。近年來(lái)，瀘沽湖生活污水排放量劇增，使得亮海湖濱帶水質(zhì)逐步降低。而草海為亮海出水泄流區(qū)，氮磷等污染物在此匯集并被水生植物所吸收。由于瀘沽湖禁止打草收割，造成大量營(yíng)養(yǎng)鹽難以通過(guò)收割植物的方式清除，植物腐爛沉降后與底泥一起加劇內(nèi)源污染，使得草海水質(zhì)逐漸惡化[2]。因此，瀘沽湖急需開展水質(zhì)現(xiàn)狀綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)污染程度和特征分區(qū)治理。

水質(zhì)評(píng)價(jià)是將定性水體狀態(tài)問(wèn)題通過(guò)多指標(biāo)綜合計(jì)算決策獲得定量結(jié)果的過(guò)程[3]。因此，參與計(jì)算指標(biāo)數(shù)的多寡將直接影響定量結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。目前，水質(zhì)評(píng)價(jià)多采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[4～6]，以葉綠素a(Chl.a)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和透明度(SD)作為參評(píng)因子，可快速獲悉水體大致營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。然而該方法各因子權(quán)重是根據(jù)中國(guó)26個(gè)主要湖泊調(diào)查的計(jì)算結(jié)果[7]，將其應(yīng)用于某個(gè)具體水體不可避免有誤差[8-9]。同時(shí)，其他水質(zhì)因子也會(huì)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)有一定的貢獻(xiàn)率，如巢湖非離子氨和溶解氧對(duì)其水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化貢獻(xiàn)率分別為8.7%和14.5%[10]，天津?yàn)I?；禧}水體清凈湖的礦化度為水體富營(yíng)養(yǎng)化藻類生長(zhǎng)的主控因子[11]。而水質(zhì)惡化后敏感指示生物數(shù)量的變化可能比Chl.a指標(biāo)能更準(zhǔn)確反映水質(zhì)狀態(tài)，如云貴高原湖泊特有的物種海菜花[12]。除此之外，水體植被的覆蓋度、微生物、浮游動(dòng)植物群落結(jié)構(gòu)及生物多樣性指數(shù)等生態(tài)指標(biāo)也會(huì)影響水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果[13-14]。如何將上述量綱不同的多種指標(biāo)納入水質(zhì)評(píng)價(jià)目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

目前，水質(zhì)評(píng)價(jià)常用指數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色數(shù)學(xué)法和模糊評(píng)價(jià)法，但都無(wú)法很好地解決多指標(biāo)問(wèn)題[15]。主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)降維將多指標(biāo)提純?yōu)樯贁?shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，其計(jì)算過(guò)程基于相關(guān)系數(shù)矩陣，可消除各指標(biāo)間量綱影響[16]，因此可將多指標(biāo)納入同一系統(tǒng)進(jìn)行定量化研究。但PCA缺點(diǎn)是其結(jié)果不能反映提取出的綜合指標(biāo)間相互關(guān)系[17]。層次聚類分析(Hierarchical Cluster Analysis，HCA)優(yōu)點(diǎn)在于可直觀表現(xiàn)N維空間點(diǎn)與點(diǎn)之間的相互關(guān)系，但其缺點(diǎn)是聚類前需要保證各指標(biāo)量綱統(tǒng)一，否則影響聚類結(jié)果[18]。因此將PCA和HCA結(jié)合使用能優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果較為客觀準(zhǔn)確。

HCA是一種無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)過(guò)程，定義不同的類距離和相似性量度可產(chǎn)生不同的聚類結(jié)果，因而選擇何種類距離進(jìn)行最優(yōu)化聚類仍無(wú)定論。目前，聚類距離常選擇最短距離法和離差平方和法，但各研究對(duì)為何選擇上述聚類方法并沒(méi)有詳細(xì)解釋[19-20]。

因此，本實(shí)驗(yàn)以瀘沽湖亮海和草海水體為研究對(duì)象，嘗試將多種影響水質(zhì)指標(biāo)納入同一體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。多指標(biāo)采用主成分分析后，以主成分得分矩陣為基礎(chǔ)進(jìn)行層次聚類分析。在參考綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，篩選出最優(yōu)類距離下HCA結(jié)果。研究結(jié)果為多指標(biāo)體系水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)提供參考，并為瀘沽湖水污染分區(qū)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

對(duì)瀘沽湖亮海及草海沿線布設(shè)28個(gè)點(diǎn)位，其中亮海四川片區(qū)9個(gè)點(diǎn)位(點(diǎn)位1～8)、亮海云南片區(qū)5個(gè)點(diǎn)位(點(diǎn)位9～14)、草海沿線14個(gè)點(diǎn)位(點(diǎn)位15～28)。具體分布如圖1所示。水樣采集0.5m亞表層，部分點(diǎn)位水深不足0.5m則采集中間層水樣。

圖1 瀘沽湖采樣點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of the sampling sites in lake Lugu

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與測(cè)定方法

本實(shí)驗(yàn)選取與水體富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)：Chl.a、pH、SD、溶解氧(DO)、TN、TP、氨氮(NH3-N)、CODMn。其中，NH3-N 是浮游藻類偏好吸收的氮形態(tài)。而藻類含量較多的水體，因其光合作用消耗大量CO2使得水體pH 升高。同時(shí)藻類釋放較多O2，甚至能使水體處于DO過(guò)飽和狀態(tài)。因此，將NH3-N、pH和DO指標(biāo)納入本次水質(zhì)多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中。Chl.a水樣現(xiàn)場(chǎng)采集1L后，每升樣品加入1mL碳酸鎂懸濁液保存(10g/L)，隨后放入0～4℃低溫采樣箱帶回實(shí)驗(yàn)室分析，分析方法參照《水質(zhì)葉綠素a的測(cè)定分光光度法》(HJ 897-2017)。SD采用塞氏盤法測(cè)定。pH和DO由便攜式水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其余水質(zhì)指標(biāo)同樣取樣1L，在現(xiàn)場(chǎng)加入酸保存劑后帶回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，檢測(cè)方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》：總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定；總磷采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定；氨氮采用納氏試劑比色法測(cè)定；高錳酸鹽指數(shù)采用高錳酸鹽滴定法測(cè)定[21]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 總體水質(zhì)判斷

總體水質(zhì)采用各水質(zhì)參數(shù)在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中所屬水體類別進(jìn)行判斷，綜合各個(gè)水質(zhì)參數(shù)結(jié)果并以最差水體類別作為總體水質(zhì)判斷標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

采用綜合加權(quán)指數(shù)模型對(duì)水樣Chl.a、SD、CODMn、TN和TP進(jìn)行分析[7]，根據(jù)《湖泊富營(yíng)養(yǎng)調(diào)查規(guī)范(第二版)》中的標(biāo)準(zhǔn)[22]，采用0～100的連續(xù)數(shù)值對(duì)各采樣點(diǎn)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)。

1.3.3 主成分與聚類分析法

為消除多指標(biāo)量綱和數(shù)量級(jí)的差異，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。之后計(jì)算各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣，以相關(guān)系數(shù)矩陣為基礎(chǔ)計(jì)算主成分，然后計(jì)算相關(guān)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累積方差貢獻(xiàn)率和因子在各主成分載荷矩陣。根據(jù)陡坡圖以及累積方差貢獻(xiàn)率大于85%的原則確定主成分個(gè)數(shù)。確定主成分個(gè)數(shù)后，根據(jù)各采樣點(diǎn)位提取出的主成分得分矩陣進(jìn)行層次聚類分析。采用歐式距離進(jìn)行聚類分析，聚類方法綜合對(duì)比最短距離法(Nearest neighbor method)、最長(zhǎng)距離法(Furthest neighbor method)、離差平方和法(ward method)、類平均法(Group average)、中位數(shù)法(Median method)和重心法(Centroid method)，以綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)結(jié)果為基礎(chǔ)，篩選出直觀且符合實(shí)際情況的聚類方法。以上過(guò)程采用OriginPro9.1軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 瀘沽湖總體水質(zhì)與綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)

本次調(diào)查瀘沽湖三片區(qū)總體水質(zhì)如表1所示，亮海四川和云南片區(qū)大部分區(qū)域?yàn)棰蝾愃w，但若以部分最差區(qū)域水質(zhì)作為總體水質(zhì)判斷標(biāo)準(zhǔn)，則亮海四川片區(qū)最差為Ⅲ類水體，云南亮海片區(qū)最差為IV類水體，且兩省亮海水質(zhì)最差區(qū)域基本分布于亮海和草海交界處。其中，亮海四川片區(qū)S8(亮海草海交界處)點(diǎn)位水質(zhì)為Ⅲ類，主要原因?yàn)樗wCODMn含量較高。亮海云南片區(qū)點(diǎn)位S10(尼塞村)和S14(普洛碼頭)水質(zhì)分別為Ⅲ類和IV類，主要原因?yàn)門N含量較高。而草海水質(zhì)嚴(yán)重惡化，基本為Ⅲ～I(xiàn)V類水質(zhì)，部分較嚴(yán)重區(qū)域甚至已達(dá)V類水質(zhì)。S15(舍垮愛情碼頭)、S24(走婚橋阿六碼頭)和S27(母支碼頭)，三個(gè)點(diǎn)位TP含量均達(dá)到湖庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)V類，最嚴(yán)重區(qū)域S15采樣點(diǎn)其水體DO和TN含量也達(dá)到湖庫(kù)V類標(biāo)準(zhǔn)。

表1 瀘沽湖總體水質(zhì)情況Tab.1 Overall situation of water quality in lake Lugu

續(xù)表1

各采樣點(diǎn)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)如表2所示。亮海四川片區(qū)全為貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，而云南片區(qū)大部分區(qū)域?yàn)樨殸I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，部分區(qū)域S12和S14達(dá)到中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，與總體水質(zhì)判斷結(jié)果相似。草海片區(qū)除S16、S17和 S18點(diǎn)位(接近亮海干凈水體且出水水流較大)為貧營(yíng)養(yǎng)水體外，其余點(diǎn)位大部分為中營(yíng)養(yǎng)至輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。其中草海走婚橋附近及其下游區(qū)域污染較為嚴(yán)重，水體為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。S15點(diǎn)位已達(dá)中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，該點(diǎn)位位于草海南岸河口沖積扇，雨季農(nóng)業(yè)面源污染較重且現(xiàn)場(chǎng)有生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水匯集。

表2 瀘沽湖各采樣點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Evaluation results of nutrition status at each sampling site in lake Lugu

續(xù)表2

2.2 瀘沽湖水質(zhì)主成分分析

2.2.1 相關(guān)矩陣

采用主成分分析法對(duì)瀘沽湖28個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，程序運(yùn)行結(jié)果經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化消除量綱后，變量間相關(guān)矩陣如表3所示。從表3可以看出，各參數(shù)間90%以上的數(shù)據(jù)絕對(duì)值大于0.1，表明全部變量至少與一個(gè)以上其他變量有較大的相關(guān)關(guān)系，適合用主成分分析法研究變量間關(guān)系。三種水質(zhì)理化指標(biāo)pH、SD和DO之間均有較好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)均大于0.8。營(yíng)養(yǎng)性污染指標(biāo)TN、TP和NH3-N之間也有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。而有機(jī)污染指標(biāo)CODMn與pH、SD和DO之間有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(負(fù)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.8)，與營(yíng)養(yǎng)性污染指標(biāo)間有較弱的正相關(guān)關(guān)系，其中TP與CODMn正相關(guān)程度較高，相關(guān)系數(shù)為0.714。

表3 瀘沽湖水質(zhì)參數(shù)相關(guān)矩陣Tab.3 Correlation matrix of water quality parameters in lake Lugu

2.2.2 主成分提取

將瀘沽湖28個(gè)采樣點(diǎn)的9個(gè)(增加TN/TP比值)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析后得到9個(gè)主成分，如表4所示。根據(jù)主成分提取一般要求，即方差累積貢獻(xiàn)率超過(guò)85%的原則，提取前4個(gè)主成分作為瀘沽湖水質(zhì)參數(shù)污染狀況信息概括，其方差累積貢獻(xiàn)率高達(dá)93.59%。由陡坡圖(圖2)中本征值在第4個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)凸點(diǎn)也可判斷主成分?jǐn)?shù)量選為4較為理想。而前兩個(gè)主成分方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到72.45%，表明前兩個(gè)主成分代表了原始水質(zhì)參數(shù)大部分信息。

表4 瀘沽湖水質(zhì)參數(shù)主成分提取分析Tab.4 Principal component extraction analysis of water quality parameters in lake Lugu

圖2 瀘沽湖水質(zhì)參數(shù)陡坡圖Fig.2 Scree Plot of water quality parameters in lake Lugu

根據(jù)主成分載荷矩陣(表5)可知，主成分1中最高正相載荷為CODMn，其次較高正相載荷為TN、TP和NH3-N，表明第一主成分基本反映了瀘沽湖水質(zhì)中的有機(jī)污染指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)性污染指標(biāo)。主成分2中最高正相載荷為pH，其次依次為TN和SD，表明第二主成分基本反映了水質(zhì)理化指標(biāo)信息。而水體Chl.a含量則在第三主成分上有最高的正相載荷。根據(jù)載荷矩陣和主成分得分圖生成的雙標(biāo)圖(圖3)可以看出營(yíng)養(yǎng)性污染指標(biāo)TN、TP和NH3-N三者和有機(jī)污染指標(biāo)CODMn對(duì)主成分1有相似貢獻(xiàn)率，水質(zhì)理化指標(biāo)pH、SD和DO對(duì)主成分2 有相似的貢獻(xiàn)率。S15號(hào)采樣點(diǎn)在主成分1和2上具有最高得分，表明該采樣點(diǎn)各方面水質(zhì)參數(shù)均受到嚴(yán)重污染，這與綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算出該點(diǎn)為最嚴(yán)重的中度富營(yíng)養(yǎng)化結(jié)果一致。而S24和S26點(diǎn)位在主成分1上得分僅次于S15，與綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法計(jì)算結(jié)果判斷該區(qū)為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)一致。

表5 瀘沽湖水質(zhì)參數(shù)主成分載荷矩陣Tab.5 Principal component load matrix of water quality parameters in lake Lugu

圖3 主成分分析雙標(biāo)圖Fig.3 Biplot of principal component analysis

2.2.3 層次聚類分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果，計(jì)算出28個(gè)采樣點(diǎn)四個(gè)主成分得分，代替原始水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行層次聚類分析。采用歐式距離表示因子得分值間的相似性，并依次選擇離差平方和法、最短距離法、類平均法、重心法、中位數(shù)法和最長(zhǎng)距離法，以綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)判定結(jié)果為基礎(chǔ)，篩選最優(yōu)聚類方法，聚類結(jié)果樹狀圖如圖4所示。

2.2.3.1 聚類法篩選采用重心法和中位數(shù)法進(jìn)行聚類時(shí)，由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不適合，導(dǎo)致origin軟件系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算，因此運(yùn)算結(jié)果只剩下離差平方和法(圖4A)、最短距離法(圖4B)、類平均法(圖4C)和最長(zhǎng)距離法(圖4D)四種聚類方法。

圖4 不同層次聚類分析方法樹狀圖Fig.4 Dendrogram of different Hierarchical cluster analysis methods

結(jié)合綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)結(jié)果，確定以類間距分別不大于7、2、3和6作為上述四種聚類法劃分標(biāo)準(zhǔn)。以S13、S15、S25和S26點(diǎn)位作為參考，離差平方和聚類結(jié)果中污染最嚴(yán)重的S15號(hào)點(diǎn)位于中間，不能直觀反映出各點(diǎn)位污染程度。若無(wú)綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)結(jié)果參考，很難判斷各點(diǎn)位大致污染狀況。最短距離法將污染程度相似的S25和S26劃分為兩類，且對(duì)綠色聚類結(jié)果各點(diǎn)位不能很好的區(qū)分(該類別點(diǎn)位實(shí)際上包含了水體貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)以及輕度富營(yíng)養(yǎng)三個(gè)狀態(tài))。類平均法結(jié)果中處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的S13點(diǎn)位處于橫軸右側(cè)，與污染最嚴(yán)重S15號(hào)點(diǎn)位距離較近，同樣不能直觀反映各點(diǎn)位污染程度。最長(zhǎng)距離法聚類結(jié)果不僅與綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法相符合，且能直觀反映出各點(diǎn)位污染程度，因此作為本次聚類法最優(yōu)篩選結(jié)果。

2.2.3.2 最優(yōu)聚類結(jié)果

根據(jù)上述篩選結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)采用最長(zhǎng)距離法進(jìn)行聚類分析，聚類樹狀圖橫軸從左至右反映了各點(diǎn)位從亮海貧營(yíng)養(yǎng)向草海中度富營(yíng)養(yǎng)過(guò)渡的趨勢(shì)。28個(gè)點(diǎn)位總共可聚為5類：

S1～S12、S14和S16總共14個(gè)點(diǎn)位聚成1類(用類1表示)。類1代表了亮海大部分水質(zhì)較好的貧營(yíng)養(yǎng)區(qū)域。

S13號(hào)點(diǎn)單獨(dú)聚為類2，該點(diǎn)位雖屬貧營(yíng)養(yǎng)水體，但由于其在主成分2所代表的水質(zhì)理化指標(biāo)上有遠(yuǎn)高于類1各點(diǎn)位得分，因此單獨(dú)聚為一類，類1和類2可代表水體貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。S17～S22和S28總共7個(gè)點(diǎn)位聚為類3。類3除S17和S18為貧營(yíng)養(yǎng)外，其余5個(gè)點(diǎn)位為中營(yíng)養(yǎng)。從采樣點(diǎn)分布圖(圖1)可以看出，S17～S22點(diǎn)位處于亮海干凈水體逐漸深入草海沿線上，該區(qū)水質(zhì)逐漸惡化，因此類3可以代表水體由貧營(yíng)養(yǎng)逐漸向中營(yíng)養(yǎng)惡化類別。

S23～S27總共5個(gè)點(diǎn)位聚為類4.類4中除S23和S27為中營(yíng)養(yǎng)外，其余S24、S25和S26為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。因此類4可以代表水體由中營(yíng)養(yǎng)逐漸向輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)惡化類別。

S15號(hào)點(diǎn)單獨(dú)聚成類5。該點(diǎn)位為瀘沽湖草海污染最嚴(yán)重區(qū)域，屬于中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。因此類5代表水體中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

3 討 論

3.1 主成分分析優(yōu)勢(shì)

水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)由于涉及多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、多個(gè)相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)和多個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，同時(shí)每個(gè)指標(biāo)在不同區(qū)域反映水質(zhì)的角度和對(duì)總體水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)率多有差異，因此它是一個(gè)多元復(fù)雜的體系[23]。主成分分析法由于采用相關(guān)系數(shù)矩陣而非協(xié)方差矩陣進(jìn)行計(jì)算，消除了多指標(biāo)間量綱不同對(duì)結(jié)果的影響，因而有望將富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)理化指標(biāo)、指示生物指標(biāo)以及生態(tài)指標(biāo)或其他量綱不同的相關(guān)因子納入評(píng)價(jià)體系，獲得更加綜合全面的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果。同時(shí)，主成分正相載荷大小能反映出何種指標(biāo)對(duì)水質(zhì)影響較大，各污染區(qū)域是哪方面指標(biāo)需重點(diǎn)關(guān)注治理，并以此制定有針對(duì)性的解決方案。目前已有較多的研究將主成分分析法應(yīng)用于受多因素影響的水庫(kù)[24]和江河[25]水質(zhì)評(píng)價(jià)中。

3.2 層次聚類分析優(yōu)勢(shì)及篩選

雖然主成分分析法在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中有其優(yōu)勢(shì)，但其結(jié)果沒(méi)有明確的范圍，只能反映提取出的綜合指標(biāo)強(qiáng)弱大小關(guān)系，不能反映其所處位置[17]。部分研究試圖通過(guò)提取出的各主成分方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，并乘以相應(yīng)的主成分得分矩陣，得到各采樣點(diǎn)綜合得分，然后依照得分大小對(duì)所有采樣點(diǎn)進(jìn)行綜合排名[26-27]。但該方法目前尚有爭(zhēng)議[28]，需采用其他統(tǒng)計(jì)方法解決實(shí)際問(wèn)題[19]。采用層次聚類分析法以主成分得分矩陣為基礎(chǔ)，雖能很好的將主成分計(jì)算結(jié)果加以分類，明確各采樣點(diǎn)所處位置。但由于層次聚類方法較多，如最短距離法、中位數(shù)法、最長(zhǎng)距離法、重心法、類平均法和離差平方和法等，各聚類方法得出的結(jié)果一般情況下不會(huì)完全一致。目前，水質(zhì)評(píng)價(jià)層次聚類分析法中應(yīng)用離差平方和法較多，但對(duì)于為何采用該聚類方法沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明[29-30]。因此如何衡量聚類結(jié)果是否最優(yōu)目前尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)，該聚類衡量標(biāo)準(zhǔn)的制定仍有待研究。本次實(shí)驗(yàn)中，我們以水質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用廣泛的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法為基準(zhǔn)，篩選出最長(zhǎng)距離法作為最優(yōu)系統(tǒng)聚類法，獲得的結(jié)果與實(shí)際水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)相符，并能直觀表現(xiàn)出各點(diǎn)位水體污染程度及相對(duì)位置，類1到類5依次代表水體從貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)過(guò)渡到中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。因此，瀘沽湖分區(qū)治理應(yīng)首先關(guān)注類5和類4水域及其周邊污染情況。

3.3 適用性評(píng)價(jià)

瀘沽湖水體由于呈現(xiàn)出明顯的亮海水質(zhì)較好，草海水質(zhì)逐步惡化的趨勢(shì)，因而28個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)離散程度較好，采用較少的水質(zhì)指標(biāo)就能以基于主成分分析的層次聚類法加以區(qū)分。而對(duì)于總體水質(zhì)相似，各采樣點(diǎn)離散程度較差的區(qū)域(如某些水質(zhì)均優(yōu)良的西藏高原湖泊或均較差的云南滇池等湖泊)，能否以本實(shí)驗(yàn)采用的多指標(biāo)綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，通過(guò)納入更多的相關(guān)水質(zhì)理化指標(biāo)、指示生物指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)等加以區(qū)分，達(dá)到較完整和準(zhǔn)確水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的目的，有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

4 結(jié) 論

4.1 瀘沽湖亮海雖大部分處于貧營(yíng)養(yǎng)水體，但總體已處于Ⅱ類水質(zhì)。而草海沿線水質(zhì)逐步惡化。部分區(qū)域如S15點(diǎn)位已達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，主成分分析顯示其有機(jī)污染指標(biāo)CODMn、營(yíng)養(yǎng)性污染指標(biāo)TN、TP、NH3-N和等水質(zhì)理化指標(biāo)DO均污染嚴(yán)重。

4.2 采用基于主成分得分矩陣的層次聚類分析法，以歐式距離下最長(zhǎng)距離法能獲得最優(yōu)的聚類結(jié)果，并與綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法獲得的結(jié)果相符，可作為水質(zhì)層次聚類分析法篩選參考標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該聚類結(jié)果能直觀反映出各點(diǎn)位水體污染程度及相對(duì)位置，聚類樹狀圖橫軸從左至右依次代表類1貧營(yíng)養(yǎng)水體到類5中度富營(yíng)養(yǎng)水體。分區(qū)治理應(yīng)首先關(guān)注類5和類4代表的中度和輕度富營(yíng)養(yǎng)化水域。