基于主成分分析法在于橋水庫水質(zhì)評價中的應(yīng)用

王娟娟 張素青 王寶峰 王德興 王秀芹 杜樂

摘要：為評價天津市于橋水庫水質(zhì)狀況，試驗于2021年選取水庫7個監(jiān)測站位，對站位水樣中的高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、石油類、溶解氧、pH、葉綠素a進行監(jiān)測。運用SPSS軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行主成分分析，結(jié)果顯示，于橋水庫污染程度從重到輕為：頂點＞下游（北）＞下游（南）＞上游（北）＞中游（北）＞上游（南）＞中游（南），頂點站位、水庫下游及北部站位受高錳酸鹽指數(shù)、氮、磷、石油類等污染影響較大，水庫南部站位受污染影響較小。

關(guān)鍵詞：主成分分析；水質(zhì)；于橋水庫

中圖分類號：P343

文獻標(biāo)識碼：A

于橋水庫位于天津市薊州區(qū)以東、薊運河左支流州河的上游，始建于1959年12月，水庫地形狹長，最大庫容13億m3，淹沒面積為216 km2[1]，

控制流域面積2 060 km2。周圍的淋河、沙河、黎河等河流在這里匯聚，是引灤入津工程重要的調(diào)蓄水庫[2]，為天津市經(jīng)濟、社會發(fā)展做出了重要貢獻，也對當(dāng)?shù)氐乃h(huán)、水生生物的繁衍發(fā)揮了重要作用。

近幾年，隨著中國污染防治攻堅戰(zhàn)的打響，生態(tài)環(huán)境保護從認識到實踐都發(fā)生了歷史性的改變，水環(huán)境評價已經(jīng)成為中國環(huán)境保護領(lǐng)域的重要內(nèi)容。中國的水質(zhì)評價工作始于20世紀(jì)70年代[3]，目前常用的水質(zhì)評價方法有多種，主要為單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法、分級加權(quán)平均法、模糊評價法等。主成分分析法使用一種降維的統(tǒng)計方法，將多個變量信息壓縮為少數(shù)幾個能夠反映原問題特征的綜合變量，此方法能夠最大限度地保留原始信息，并對多項變量進行綜合與簡化，減少了原始信息的損失，同時能避免人為主觀因素的影響。本研究通過采用主成分分析法對于橋水庫水質(zhì)進行合理評價，研究水庫水質(zhì)狀況，不僅對水庫水質(zhì)的生態(tài)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐，也為大水面水域的可持續(xù)科學(xué)利用起到指導(dǎo)作用。

1? 采樣與監(jiān)測項目

1.1? ?水質(zhì)監(jiān)測采樣

在于橋水庫共設(shè)置監(jiān)測站位7個（圖1）。采樣時間為2021年5月、7月、9月。

圖1? 于橋水庫水質(zhì)監(jiān)測區(qū)域及站位

1.2? ?水質(zhì)監(jiān)測

監(jiān)測項目：高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、石油類、溶解氧、pH、葉綠素a。

樣品采集和檢測方法按照《SC/T 9102.3-2007-漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范 第3部分：淡水》執(zhí)行。

2? 數(shù)據(jù)分析

通過統(tǒng)計軟件SPSS對數(shù)據(jù)進行主成分分析。選取各監(jiān)測站位5月、7月、9月的平均數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，選取7個指標(biāo)進行分析評價。分別為：高錳酸鹽指數(shù)（X1）、總氮（X2）、總磷（X3）、石油類（X4）、pH（X5）、溶解氧（X6）、葉綠素a（X7）。各站位監(jiān)測均值見表1，標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)見表2。

通過SPSS計算得到解釋的總方差（表3）。按特征值大于1的選取原則，提取出相互獨立的主成分，選取初始特征值累計百分比達到80%～85%以上的λ值，顯示第1、第2、第3主成分其方差貢獻率分別為48.063%、18.941%、14.665%，其累計方差貢獻率為81.668%，即這3個主成分包含了監(jiān)測指標(biāo)的81.668%，可以較為全面地反映于橋水庫的環(huán)境狀況。

初始因子荷載矩陣由SPSS分析直接得到（表4）。由初始因子載荷矩陣除以主成分特征值的平方根可確定主成分載荷矩陣（表5）。主成分載荷矩陣表示各指標(biāo)與主成分之間的相關(guān)性，某項指標(biāo)與某一主成分荷載數(shù)值越大，說明該指標(biāo)與該主成分的相關(guān)性越強。從表4可以看出，高錳酸鹽指數(shù)、pH、溶解氧等指標(biāo)在主成分1上的載荷較大，總氮、石油類、葉綠素a等在主成分2上的荷載較大，總磷在主成分3上的荷載較大。主成分1主要反映的是高錳酸鹽指數(shù)、pH、溶解氧等指標(biāo)的信息，主成分2主要反映的是總氮、石油類、葉綠素a等指標(biāo)的信息，主成分3主要反映的是總磷的信息。

由主成分載荷矩陣及標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)可得出主成分得分及綜合得分函數(shù)：

F1=0.285ZX1+0.448ZX2+0.272ZX3-0.198ZX4+

0.535ZX5+0.492ZX6-0.276ZX7

F2=0.327ZX1+0.197ZX2+0.225ZX3+0.773ZX4+

0.071ZX5-0.009ZX6+0.446ZX7

F3=-0.719ZX1+0.399ZX2+0.221ZX3-0.132ZX4+

0.078ZX5+0.048ZX6+0.457ZX7

F=[λ1/（λ1+λ2+λ3）]F1+[λ2/（λ1+λ2+

λ3）]F2+[λ3/（λ1+λ2+λ3）]F3=0.456F1+

0.287F2+0.257F3

3? 結(jié) 論

根據(jù)評價得分函數(shù)，得到各監(jiān)測站位水質(zhì)綜合評價結(jié)果（表6）。由表6可見，頂點、上游（北）、中游（北）站位F1得分較高，說明該部分站位受高錳酸鹽指數(shù)、pH、溶解氧影響較

大；下游（北）、頂點、中游（北）站位F2得分較高，說明該部分站位受總氮、石油類、葉綠素a影響較大；下游（北）、頂點、上游（北）站位F3得分較高，說明該部分站位受總磷影響較大。從主成分綜合得分可以看出，頂點站位綜合得分排名第1，其主成分綜合得分達到5.238，其次是下游監(jiān)測站位，綜合得分排名第2、第3。上游（南）和中游（南）站位綜合得分為-1.441和-1.745，說明水質(zhì)較好。

4? 討 論

根據(jù)主成分分析的綜合得分，得分越高，污染越嚴重。于橋水庫各站位污染程度從重到輕

為：頂點＞下游（北）＞下游（南）＞上游（北）＞

中游（北）＞上游（南）＞中游（南）。頂點站位和水庫下游及水庫北部站位受高錳酸鹽指數(shù)、氮、磷、石油類等污染影響較大，水庫南岸主要為山脈，人口數(shù)量相對較少，南部水域受污染影響較小。

影響于橋水庫水質(zhì)主要因素：一是流域污染源，于橋水庫上游接受黎河、沙河、淋河輸入，接納了周圍農(nóng)業(yè)用水、生活污水及工業(yè)廢水。二是庫周環(huán)境，于橋水庫下游及北部人口密度大的對應(yīng)庫區(qū)，受人為活動影響，在降雨期通過地表徑流等方式接納生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水和農(nóng)業(yè)污水，進而對水庫的水質(zhì)產(chǎn)生影響。

根據(jù)于橋水庫實際情況，可對水庫入庫流域周邊地區(qū)點源污染進行治理。一是控制水庫下游及北部周邊城鎮(zhèn)生活污染源，包括農(nóng)業(yè)、農(nóng)村面源污染，養(yǎng)殖污水污染等；二是加強前置庫的生物凈化功能，通過人工濕地建設(shè)，利用水生植物等對水質(zhì)進行凈化；三是提高水庫自凈化能力，根據(jù)水庫天然餌料情況，適當(dāng)投放細鱗斜頜鲴等土著刮食性魚類；在污染較嚴重庫區(qū)適當(dāng)移植水生植物等。通過綜合治理，進一步恢復(fù)于橋水庫生態(tài)系統(tǒng)的良性健康循環(huán)。

參考文獻

[1]孫金輝，喬之怡，馮洪超，等．于橋水庫浮游動物調(diào)查研究[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（23）：14141-14143，14151.

[2]呂豪朋，申麗娜．天津于橋水庫流域河流表層沉積物中碳·氮·磷分布及污染評價[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（27）：98 -102，167.

[3]廉鐵輝，王釗，王洪翠，等．主成分分析法在海河流域多條河流水質(zhì)評價分析中的應(yīng)用[J]．海河水利，2017（2）：29-31，37.