基于主成分分析的湖泊水環境質量評價
——以磁湖為例

周 杰，葛緒廣*，陳成忠，潘 朝

(湖北師范學院城市與環境學院，湖北黃石435002)

黃石是一個多湖泊的城市，市區內的磁湖、青山湖以及遠城區的大冶湖、仙島湖等都是極具代表性的水生生態系統。隨著城市化的不斷發展，日趨頻繁、劇烈的人類活動使這些湖泊面臨著許多嚴峻的問題，如磁湖面積萎縮、水體污染等。客觀而準確的評價，對于了解磁湖生態環境現狀、存在的問題及未來發展的規劃、決策具有重要的意義。水環境評價主要包括針對不同水域進行水質評價和針對不同用途進行水環境質量評價2個方面［1-2］。常用的評價方法有指數法、模糊綜合評價法、灰色數學法、神經網絡法等，可是這些均無法回避多因子這個問題［3］。而主成分分析是把原來多個變量劃為少數幾個綜合指標的統計分析方法，是一種將多維因子納入同一系統進行定量化研究、理論比較完善的多元統計分析方法，在解決很多實際問題時已取得較好效果［4］。在此，筆者基于該方法對磁湖的水質指標進行對比研究，以期為磁湖乃至其他湖泊的研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況 磁湖是黃石市區內最大的淺水湖泊，位于黃石市區中心(115°01＇～ 115°05＇E、30°11＇～ 30°14＇N)。磁湖的水域面積約為10 km2，大于著名的杭州西湖，居全國市區內湖之首，磁湖以湖邊盛產磁鐵而得名［5］。匯水面積為62.8 km2，平均水深為1.75 m。湖體容量1 748×104m3，是集黃石市防洪、排澇、養殖和游覽為一體的多功能的水資源地［6］。隨著城市人口增加及工業的發展，水質污染日趨嚴重，湖面面積逐年減少。近幾年來對磁湖沿岸已進行了部分整治，清除了陳家灣、牧羊湖兩片水域的100萬m3的淤泥，截流了磁湖南岸的部分工業和生活污水，磁湖面積縮小得到遏制。但由于磁湖與長江水域隔開，水體不能得到置換，加之長期受到污染，水體生態已非常脆弱。

1.2 主成分分析方法簡介

1.2.1 基本思想。主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)是研究多個定量(數量)變量間相關性的一種多元統計方法。它是研究如何通過少數幾個主分量(即原始變量的線性組合)來解釋多變量的方差——共變量結構。具體地說，就是導出少數幾個主分量，使它們盡可能多地完整保留原始變量信息，且彼此間不相關。主成分常被用來尋找判斷某種事物或現象的綜合指標，并將綜合指標所蘊藏的信息適當地解釋，以便更深刻地表現事物內在的規律。

1.2.2 分析步驟。為排除量綱和數量級的不同，首先要對原始數據進行標準化處理;然后，計算相關矩陣尺，從相關矩陣R出發求主成分;再計算相關矩陣尺的特征值、方差貢獻率、累積方差貢獻率、因子載荷矩陣;最后，選擇m個主成分，計算相應的單位特征向量，結合專業知識對所選擇的主成分給出解釋［7］。以上所有計算過程均在SPSS20.0軟件中進行。

1.3 資料選取 遵循科學性和可比性原則，在此運用SPSS20.0軟件以磁湖水環境監測中心2011年的水質監測站的監測數據，選取了13個監測項目作為評價數據(表1)。

2 結果與分析

2.1 水質指標相關系數矩陣 利用SPSS20.0軟件求得2011年整個磁湖區13個指標的相關系數矩陣(表2)。根據兩指標之間相關系數的絕對值越大，說明兩指標之間的聯系越緊密。由表2可知，溶解氧、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、化學需氧量、石油類之間具有較強的相關性，這些指標均為有機污染指標;而氨氮、總氮、葉綠素等均為營養性污染指標。

2.2 主成分的提取 通過進一步計算，得出水質指標方差分解主成分提取分析(表3)，從表3可以看出，第1、第2、第3、第4主成分特征值占總方差的百分比已經大于80%，且第5個主成分特征值為0.894，小于1。因此，前4個主成分已經對13個監測指標涵蓋的大部分污染物信息進行了概括，其中第1個主成分攜帶的信息最多，達34.049%，第1、第2、第3、第4主成分的累積貢獻率達80.340%。其他主成分對總方差的貢獻很小，為了以盡可能少的指標反映盡量多的信息，選取前4個因子作為主成分，代表磁湖水環境評價中原始指標提供的大部分信息。

表1 磁湖水質影響因子指標

表2 磁湖各水質指標相關系數矩陣

表3 水質指標方差分解主成分提取分析

2.3 主成分的載荷矩陣 用4個新變量代替原來的13個變量，從各水質指標與主成分之間的關系(表4)可以看出，指標與某一主成分的載荷系數的絕對值越大，則該主成分之間的聯系越緊密。pH、氨氮、電導率、水溫這些指標在第1主成分上的荷載較高，其中pH、電導率、水溫是水體污染中的理化指標;葉綠素、五日生化需氧量、總氮這些指標在第2主成分上的荷載較高，總磷在第3主成分上的荷載較高，化學需氧量在第4主成分上的荷載較高。氨氮、葉綠素、總氮、總磷屬于營養性污染物指標，五日生化需氧量、化學需氧量屬于有機污染物指標。

表4 各水質指標主成分載荷矩陣

2.4 理化指標 磁湖中pH(X1)、水溫(X13)、電導率(X9)在第1主成分中的相關系數分別為-0.882、-0.839、0.802，是磁湖水環境重要的影響因素。pH直接影響植物的光合作用和各類微生物的生命活動，從而影響磁湖水體的整個物質代謝。2011年磁湖水體夏季pH平均值為8.23，冬季為7.35，年平均值為7.73，可見磁湖水體略偏堿性。電導率是磁湖水體中電解質程度的反映，2月磁湖水體電導率為最大值(511 μs/cm)，7 月磁湖水體為最小值(403 μs/cm)。從局部來看電導率變化與水溫變化不一致，從總的趨勢看電導率的變化符合與水溫變化的關系。但電導率在湖泊水電導率的正常范圍，反映了磁湖水質較好，這也是近幾年黃石市大力治理的結果。水溫影響磁湖水中的溶解性氣體(如氧、二氧化碳等)的溶解度、非離子氨、pH、電導率以及其他溶質，進而影響磁湖中水生生物的生命活動。

2.5 有機污染綜合物及營養性污染物 氨氮(X2)在第1主成分上的相關系數為0.852，僅次于pH的影響;葉綠素(X11)、五日生化需氧量(X5)、總氮(X3)在第2主成分上的相關系數分別為0.892、0.876、0.796。磁湖水中的氨氮來源主要為生活污水中含氮有機物受微生物作用的分解產物、工業廢水、農田排水。研究中發現磁湖中NH3-N、NO2-N和NO3-N和總氮基本呈負釋放，說明磁湖大部分氮元素向底泥沉積，容易導致磁湖富營養化［8］?？偭?X4)在第3主成分上的相關系數為0.561。葉綠素對磁湖的影響也從另一方面反映出磁湖富營養化的程度，磁湖水體中過量的氮、磷等營養物質致使磁湖營養平衡破壞，導致藻類的大量繁殖污染水環境;其主要來源于未加處理或處理不完全的工業廢水和生活污水、有機垃圾、家畜家禽糞便以及農施化肥?；瘜W需氧量(X7)在第4主成分上的相關系數為0.758。化學需氧量、生化需氧量均反映了磁湖水體受有機污染物的污染程度，生活污水與工業廢水中含有大量各類有機物污染物，有機污染物在磁湖水體中分解時要消耗大量的溶解氧，從而破壞磁湖水體氧的平衡，使水質惡化，因而缺氧造成磁湖中魚類及其他水生生物的死亡，這也與事實相一致。

3 對策

綜上所述，磁湖水體富營養化程度高，有機污染較嚴重，其主要影響指標為pH、電導率、水溫、葉綠素、五日生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總磷;其他指標對磁湖水質的影響較小;其中，氨氮、總磷指數代表水體引起湖泊富營養化的營養元素的污染狀況，而五日生化需氧量、化學需氧量是磁湖水體中的有機污染的反映?？梢姡纳拼藕|是迫切需要的，且改善磁湖水環境的方法及途徑也是很重要的，現針對上述磁湖水環境存在的問題提出部分治理建議。

3.1 磁湖水體富營養化問題的治理措施 就磁湖水體富營養化的問題，可使用微生物降解的方法［9］，如向磁湖水中投加以光合細菌為主的復合細菌群，該方法能夠有效地降低磁湖水濁度，并能維持較長時間，可以有效地降低磁湖水藻類生物量和湖水中氨氮及總磷污染。強化磁湖水體生物自凈能力、凈化水體，最終達到控制磁湖水體富營養化的目的。

3.2 磁湖水體有機污染問題的治理措施 就磁湖水環境中有機污染物的問題，可以用光催化氧化法處理有機污染物。光催化氧化法在足夠的反應時間內通?？梢詫⒂袡C物污染物完全礦化為CO2和H2O等簡單無機物，避免了二次污染。使用該方法可以降低磁湖水體中有機污染物的含量，可進一步改善磁湖水環境的質量。

3.3 磁湖整體治理措施 對生活污水和工業廢水可以采取先處理再排放，在磁湖周圍可以多建設污水處理廠，擴大污水處理廠的覆蓋范圍，提高污水處理率;嚴格控制磁湖水體的水溫、pH、電導率等污染指標，來控制磁湖水環境質量的變化。另一方面，要控制內源性污染，尤其是對于湖泊的底泥，要盡量減少對其的擾動;在此基礎上也要充分利用自然之力恢復磁湖水環境質量，這樣不僅節約了人力和物力，還能夠達到節能減排的目的。

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