主成分分析在洱海水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李 萍

（昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650000）

0 引言

洱海是云南省第二大淡水湖泊，大理市飲用水源地，蒼山洱海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū)，具有提供工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和保持生物多樣性等多種功能，是大理市乃至大理州經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。

近年來(lái)由于洱海周?chē)丝诩眲≡黾?，農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)迅速發(fā)展，大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入洱海，致使洱海富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[2]。面對(duì)日益嚴(yán)峻的洱海保護(hù)形勢(shì)，開(kāi)啟了洱海保護(hù)搶救模式，通過(guò)“七大行動(dòng)”、流域轉(zhuǎn)型發(fā)展等各項(xiàng)措施，洱海水質(zhì)下滑趨勢(shì)得到遏制，但洱海水質(zhì)尚未得到根本性改善，水生態(tài)環(huán)境仍然脆弱，仍處在敏感的富營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)型期[1]。隨著洱海流域人口增長(zhǎng)、空間開(kāi)發(fā)強(qiáng)度加大、水資源利用量增加，洱海的保護(hù)治理仍然面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

本文選取洱海2011—2020年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用主成分分析法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，分析研究洱海水質(zhì)時(shí)空變化特征，對(duì)洱海保護(hù)治理工作提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 采樣點(diǎn)位置

根據(jù)洱海的地理情況、入出湖特點(diǎn)，在洱海北部、中部、南部設(shè)置了11個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中北部設(shè)置桃源（631）、湖心0（632）、雙廊（633）、喜洲（280）、湖心1（281）共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，中部設(shè)置龍龕（283）、湖心（284）、塔村（285）3個(gè)測(cè)點(diǎn)，南部設(shè)置小關(guān)邑（286）、湖心3（287）、石房子（288）3個(gè)測(cè)點(diǎn)，詳見(jiàn)圖1。

圖1 洱海采樣布點(diǎn)圖

1.2 監(jiān)測(cè)時(shí)間及監(jiān)測(cè)指標(biāo)

2011—2020年每月1—10日對(duì)洱海11個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)為pH、DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TP、TN、chla、SD等10項(xiàng)。

1.3 主成分分析法

主成分分析法本質(zhì)上是一種簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)和降低數(shù)據(jù)維數(shù)的方法，廣泛應(yīng)用于包括水質(zhì)評(píng)價(jià)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于十幾種水質(zhì)因子變量描述的數(shù)據(jù)結(jié)果，變量多可以更加細(xì)致地描述水質(zhì)狀況，但變量多，處理難度增大，增加分析的復(fù)雜程度。主成分分析通過(guò)先找到含信息量最大的水質(zhì)變量，然后考察該水質(zhì)變量包含的信息量，當(dāng)其不足以表達(dá)水質(zhì)數(shù)據(jù)包含的信息時(shí)，繼續(xù)找下一個(gè)變量，直到滿(mǎn)足相關(guān)表達(dá)要求為止[3-6]。

2 分析結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)分析

（1）標(biāo)準(zhǔn)化處理及相關(guān)系數(shù)計(jì)算

通過(guò)SPSS 23.0對(duì)洱海11個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[7]，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，進(jìn)行變量相關(guān)性檢驗(yàn)（見(jiàn)表1）、KMO和Bartlett檢驗(yàn)（見(jiàn)表2）。由表2可知KMO 取樣適切性量數(shù)為0.669，＞0.5， Bartlett形度檢驗(yàn)顯著性均＜0.05，表明各個(gè)變量具有相關(guān)性，適合進(jìn)行主成分分析。

表1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)相關(guān)性矩陣

表2 KMO和BartIett檢驗(yàn)結(jié)果

（2）主成分的確定

計(jì)算各成分特征值、方差百分比和累計(jì)方差百分比（見(jiàn)表3）。確定了三個(gè)主成分，累計(jì)方差百分比達(dá)到74.377%，可以對(duì)洱海水質(zhì)空間特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 主成分分析總方差分布表

分析發(fā)現(xiàn)在初始主成分載荷矩陣中，各因子差異不明顯，載荷反映信息過(guò)多。為了更好地解釋主成分，采用方差最大旋轉(zhuǎn)（ Varimax） 的方法對(duì)初始載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷矩陣（見(jiàn)表4）。

從表4來(lái)看，與第一主成分密切相關(guān)的是CODCr、NH3-N、TN，與第二主成分密切相關(guān)的是pH、TP，與第三主成分密切相關(guān)的是DO、SD?？蓪⒍Ｎ廴疚镏饕秩?lèi)，一類(lèi)為有機(jī)物污染，另一類(lèi)為富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)，然后以pH、DO、SD為代表的因子，將其視為藻類(lèi)生境指標(biāo)。

（3）主成分得分

利用旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣除以各主成分對(duì)應(yīng)特征值的平方根，求得相應(yīng)特征向量，將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)和特征向量相乘[8]，得到如下的主成分表達(dá)式：

其中：X1（pH）、X2（DO）、X3（CODMn）、X4（CODCr）、X5（BOD5）、X6（NH3-N）、X7（TP）、X8（TN）、X9（chla）、X10（SD）。

根據(jù)公式（1）~（4），計(jì)算得出2011—2020年洱海水質(zhì)主成分分析得分值（見(jiàn)表5），綜合得分越高，說(shuō)明樣品污染物含量越高。

表5 2011—2020年洱海水質(zhì)空間變化主成分分析得分值統(tǒng)計(jì)表

2.2 水質(zhì)時(shí)空特征分析

從2011—2020年洱海11個(gè)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果 （見(jiàn)表6） 來(lái)看，水質(zhì)類(lèi)別在Ⅱ~Ⅲ類(lèi)波動(dòng)。由于單因子評(píng)價(jià)法是通過(guò)最差水質(zhì)指標(biāo)來(lái)確定水質(zhì)類(lèi)別，盡管洱海11個(gè)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)存在一定的變化，但通過(guò)單因子評(píng)價(jià)法不能充分反映水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程和規(guī)律；根據(jù)主成分分析的結(jié)果（表5），所有水質(zhì)指標(biāo)的資料已納入主成分分析內(nèi)，可定量反映洱海水質(zhì)的空間特征。從主成分綜合得分值的數(shù)值特征（表5和圖2）來(lái)看，洱海11個(gè)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)綜合得分值排序是: 桃源＞龍龕＞雙廊＞湖心0＞喜洲＞小關(guān)邑＞石房子＞湖心3＞塔村＞湖心1＞湖心。由此可見(jiàn)北部桃源水質(zhì)較差，綜合得分值是0.55，是11個(gè)測(cè)點(diǎn)中分值最高的；而中部湖心的水質(zhì)較好，綜合得分值是-0.52，反映出洱海中部的水質(zhì)最好，南部次之，北部最差。

表6 2011—2020年洱海水質(zhì)空間綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 洱海主成分綜合得分均值空間變化圖

洱海流域傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，種植面積較大，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增加，肥料使用的加大，而灌溉及耕作還在沿用傳統(tǒng)模式，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染成為洱海流域重要污染源。洱海入湖河流集中在北部和南部區(qū)域，北部彌苴河、羅時(shí)江、永安江、南部波羅江流經(jīng)大面積人口集中地區(qū)，受農(nóng)業(yè)面源污染、散養(yǎng)畜禽養(yǎng)殖、生活污水等干擾較重，同時(shí)北部彌苴河、羅時(shí)江、永安江是洱海入湖水量最大的三條河流，大量入湖河水帶入污染物，導(dǎo)致北部水質(zhì)最差，南部次之，中部最好[9-11]。

從圖3中可以看出2011—2014年洱海水體污染變輕，水質(zhì)變好，在2014年值最低，綜合得分-1.57；2015—2018年水質(zhì)污染逐步加重，在2018年達(dá)到峰值，綜合得分1.56，為近10年最差年份；隨后2019年、2020年水質(zhì)有持續(xù)改善趨勢(shì)。

圖3 2011—2020年洱海主成分綜合得分均值變化趨勢(shì)

綜合來(lái)看，呈現(xiàn)這一變化趨勢(shì)的主要原因是近10年來(lái)，井噴式的旅游帶動(dòng)洱海流域餐飲客棧服務(wù)業(yè)的發(fā)展，也帶來(lái)人口聚集和生產(chǎn)生活方式的變化，而洱海流域截污治污設(shè)施建設(shè)投入不足，管網(wǎng)覆蓋率和污水收集處理率低。同時(shí)，受農(nóng)業(yè)面源污染、生產(chǎn)生活污水影響，主要入湖河流水質(zhì)較差，清水入湖量大幅減少，湖水不能良性循環(huán)。雖然多次采取整治措施，卻一直不能根除污染源，導(dǎo)致洱海陷入邊治理邊污染、水質(zhì)污染不斷加重的惡性循環(huán)，保護(hù)治理已經(jīng)迫在眉睫。通過(guò)截污治污、生態(tài)搬遷、流域轉(zhuǎn)型發(fā)展、面源污染控制等措施，洱海流域生活污水得有效處置，餐飲客棧等得到有效管控，流域大蒜全面禁種，化肥使用量減少，面源污染得到一定控制，三庫(kù)連通工程實(shí)施及蒼山十八溪無(wú)序取水整治使得清水補(bǔ)充進(jìn)入洱海，增加清水入湖量，使洱海2019—2020年水質(zhì)有了一定的改善，但是要達(dá)到水功能目標(biāo)還任重道遠(yuǎn)，需要持續(xù)推進(jìn)洱海保護(hù)治理工作[12]。

3 結(jié)論

（1）洱海水質(zhì)污染情況主要取決于CODCr、NH3-N、TN、TP、pH、DO、SD等指標(biāo)，水體污染主要以有機(jī)物污染及富營(yíng)養(yǎng)化為主。

（2）2011—2020年洱海北部桃源水質(zhì)較差，而中部湖心的水質(zhì)較好，總體呈現(xiàn)洱海中部的水質(zhì)最好，南部次之，北部最差。

（3）2011—2014年洱海水質(zhì)污染逐漸變輕，在2014年值最低；2015—2018年水質(zhì)污染有加重趨勢(shì)，在2018年值最高；2019年、2020年水質(zhì)持續(xù)改善。