武漢東湖水體營養物質含量變化趨勢分析

劉志文+王一峰+王全益+張虎

摘 要：引用武漢東湖2000—2010年的高錳酸鹽指數、氨氮、總磷和總氮4個營養化因子的實測數據，用主成分法在保留原始變量的絕大部分信息（方差）的前提下，將4個因子“濃縮”成一個表征東湖水質營養物質含量的綜合關鍵因子—— 主成分，進而對主成分數值進行變化趨勢分析。得出10年間水質受4種營養物質的綜合污染程度非穩定改善的結論。

關鍵詞：水質 ?營養物質含量 ?主成分 ?變化趨勢 ?武漢東湖

中圖分類號：X524 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0115-02

武漢市東湖位于中心城區東部，是首批國家重點風景名勝區。作為武漢市的地標東湖在全國具有一定的知名度。東湖水面面積33 m2，集水面積119 m2，是全國最大的城中湖。自20世紀80年代以來，隨著經濟社會的發展東湖逐漸成為城中湖。湖周的城市化導致湖泊水質惡化，東湖的生態和水環境問題已引起社會各界和政府的高度重視。10年來政府采取多種措施治理東湖水環境修復水生態。由于湖泊生態系統是個復雜的綜合體系，其生態恢復需要制定科學的修復方案和較長時間的修復過程。

該文依據《武漢市水資源公報》、《21世紀前十年武漢市地表水功能區水資源質量變化調查評價》，對2000—2010年東湖水體中高錳酸鹽指數、氨氮、總磷和總氮等營養化指標（以下稱為關鍵因子）的年際變化趨勢進行了分析，評價東湖治理工程的效應，為實施最嚴格的水資源管理提供科學依據。

1 監測點和監測時段

出于對東湖水質變化的代表性和敏感性考慮，監測點分別設在湖心、九孔橋和水上運動中心。均勻的布設在西北部湖周人口密集、受污染程度嚴重的水域。監測時段兼顧水期和季節每年6～8次。

2 分析評價方法

采用主成分分析法探究東湖水體營養化指標的年際變化趨勢。方法的實質是通過多維空間坐標軸的旋轉實現降維的目的，由正交變換把n個變量轉化為q個主成分（q<

Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n Xn ? ?i=1……n

式中：Z ? ? ?主成分;

n ? ? ?關鍵因子個數;

V ? ? ?特征向量;

X ? ? ?關鍵因子的均值

本文分析的思路是用較少甚至單個新的指標（主成分），最大限度地綜合反映影響東湖營養水平的多個關鍵因子的信息，進而計算主成分的得分，并分析各年得分的變化趨勢。同時結合關鍵因子所對應的特征向量數值的分布特點確定各主成分的水質理化解釋。從而得出東湖水體營養物質綜合水平的年際變化趨勢和主要污染因子的結論。

2.1 年際得分計算

計算東湖逐年的水質變化得分的過程是：對原始變量數據進行標準化處理，以消除由于量綱的不同可能對計算結果的影響，用n年水質監測數據樣本的4種關鍵因子的各年平均值建立協方差矩陣并進行正交變換后，計算各主成分的特征值和特征向量得到4個主成分Zi。然后計算各主成分的累計方差貢獻率。

根據方差貢獻率的大小，確定滿足分析精度要求能反映樣本綜合信息的前q個主成分。然后取這前q個主成分計算綜合主成分F。具體為：

若第一主成分Z1的累計方差貢獻率大于70%，則第一主成分已包括了原始變量足夠多的方差信息，可視Z1為綜合主成分F。

若第一主成分Z1的累計方差貢獻率不足70%，則納入第二主成分Z2。以貢獻率為權數，將Z1和Z2線性組合即構造出綜合主成分F。

將相應關鍵因子數據代入F的方程求得F得分，進而根據得分的大小進行年際排序。

一般地，在特征向量為正載荷的前提下，綜合主成分F得分越低，相應評價年營養化水平越低，水質越優;特征向量為負載荷時相反。

2.2 營養化水平得分變化趨勢識別

計算2000—2010年得分P的變化幅度△P：

△P= P2010-P2000

統計2000—2010年的得分年際變化升高年份數Nup和下降年份數Ndn。并計算得分年際變化升高和降低年份的比例Kup和Kdn：

Kup = Nup ?/ Nsum

Kdn = Ndn ?/ Nsum

式中Nsum為評價階段總年份數減1。

變化趨勢識別標準：

當，Kup≥66.6%且△P>0%，判定為穩定上升;

當，Kup<66.6%且△P>0%，判定為非穩定上升;

當，Kup<33.3%且△P<0%，判定為穩定下降;

當，Kup≥33.3%且△P<0%，判定為非穩定下降。

根據各年得分的變化趨勢判定營養物質含量年際變化趨勢。

3 東湖水體2000—2010年營養物質含量變化趨勢分析

3.1 主成分得分計算

運用2000—2010年各年監測值的年平均值，共10年資料數據。將實測原始數據標準化后求得其協方差矩陣，進而計得其協方差矩陣的特征值、特征向量和貢獻率見表1。

3.2 主成分的解釋

第一主成分Z1貢獻率達到了74.1%，其4個特征向量絕對值相近且都是正載荷。說明Z1表征該功能區水質受高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮的綜合污染程度。Z1較大意味水體營養物質含量較高，反之較低。endprint

第二主成分Z2貢獻率達13.3%，其特征向量在VTP上有較大的正載荷。所以Z2表征該功能區水質受總磷污染程度。較大的Z2意味總磷污染程度較重，反之較輕。

第一主成分Z1和第二主成分Z2的累計貢獻率已達到87.4%，說明Z1、Z2已經概括了4個關鍵因子87.4%的信息，可作綜合評價指標。

3.3 得分計算

由式Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n ?Xn ?分別計算第一主成分Z1和第二主成分Z2的各年得分。

以貢獻率占累積貢獻率的百分比為權數，將所求得的東湖水質第一、二主成分得分進行線性組合，得綜合主成分F的各年得分見表2。

3.4 東湖水體營養物質含量年際變化趨勢定性

統計綜合主成分F得分的2000—2010年變化趨勢參數：

Nup= 3

Nsum=9

Kup = Nup ?/ Nsum=33.3%

△P=-3.8672

由前述判別公式確定：

由Fup=33.3%、△P=-3.8672<0%，判定表征其水質綜合污染程度的綜合主成分F得分的變化趨勢為非穩定減少。

分析結果顯示東湖2000—2010年水體受高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮等營養物質的綜合污染程度非穩定改善。

4 結語

2005年10月，國家批準武漢市為水生態系統保護與修復試點城市，2006年8月，國家水利部批準了《武漢市水生態系統保護與修復試點工作實施方案》，“大東湖”生態水網構建是其中的重要支撐項目。2008年3月市政府批復了《大東湖地區生態水網控制規劃》。至2012年底，“大東湖”水系即東湖、沙湖、楊春湖、嚴西湖、嚴東湖、北湖6個湖泊截污工程基本完成，部分湖泊進行了底泥清淤、重建動植物生長及實施湖湖、江湖連通等舉措。東湖水質根據2000—2010年的監測資料分析表明，水體受高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮等營養物質的綜合污染程度呈非穩定改善，證明水生態系統保護與修復工作成效開始顯現，但也要充分認識到水污染治理和修復是一個長期而艱巨的過程。據調查東湖污染的主要來源為生活污水，應建立完善分流制系統，在有效降低點源污染量的同時，利用現有的分散式截流系統收集初期雨水。形成較分流制更高效的先進的分流制系統，一定程度降低東湖面源入湖污染物的量，保障東湖水體持續穩定的改善。經3～5年建設實現湖湖、江湖連通。利用江水補給與東湖進行換水，讓死水變活水，形成良性循環的生態水網。同時大力發展水經濟，實現在污染中治理，在治理中發展，在發展中美化環境。

參考文獻

[1] 彭文啟.張祥偉.現代水環境質量評價理論與方法[M].化學工業出版社，2005.

[2] 宋新山.MATLAB在環境科學中的應用[M].化學工業出版社，2008.

[3] 丁桑嵐.環境評價概論[M].化學工業出版社，2005.

[4] Johnson，R.A.Wichern，D.W.實用多元統計分析[M].清華大學出版社，2008.endprint

第二主成分Z2貢獻率達13.3%，其特征向量在VTP上有較大的正載荷。所以Z2表征該功能區水質受總磷污染程度。較大的Z2意味總磷污染程度較重，反之較輕。

第一主成分Z1和第二主成分Z2的累計貢獻率已達到87.4%，說明Z1、Z2已經概括了4個關鍵因子87.4%的信息，可作綜合評價指標。

3.3 得分計算

由式Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n ?Xn ?分別計算第一主成分Z1和第二主成分Z2的各年得分。

以貢獻率占累積貢獻率的百分比為權數，將所求得的東湖水質第一、二主成分得分進行線性組合，得綜合主成分F的各年得分見表2。

3.4 東湖水體營養物質含量年際變化趨勢定性

統計綜合主成分F得分的2000—2010年變化趨勢參數：

Nup= 3

Nsum=9

Kup = Nup ?/ Nsum=33.3%

△P=-3.8672

由前述判別公式確定：

由Fup=33.3%、△P=-3.8672<0%，判定表征其水質綜合污染程度的綜合主成分F得分的變化趨勢為非穩定減少。

分析結果顯示東湖2000—2010年水體受高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮等營養物質的綜合污染程度非穩定改善。

4 結語

2005年10月，國家批準武漢市為水生態系統保護與修復試點城市，2006年8月，國家水利部批準了《武漢市水生態系統保護與修復試點工作實施方案》，“大東湖”生態水網構建是其中的重要支撐項目。2008年3月市政府批復了《大東湖地區生態水網控制規劃》。至2012年底，“大東湖”水系即東湖、沙湖、楊春湖、嚴西湖、嚴東湖、北湖6個湖泊截污工程基本完成，部分湖泊進行了底泥清淤、重建動植物生長及實施湖湖、江湖連通等舉措。東湖水質根據2000—2010年的監測資料分析表明，水體受高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮等營養物質的綜合污染程度呈非穩定改善，證明水生態系統保護與修復工作成效開始顯現，但也要充分認識到水污染治理和修復是一個長期而艱巨的過程。據調查東湖污染的主要來源為生活污水，應建立完善分流制系統，在有效降低點源污染量的同時，利用現有的分散式截流系統收集初期雨水。形成較分流制更高效的先進的分流制系統，一定程度降低東湖面源入湖污染物的量，保障東湖水體持續穩定的改善。經3～5年建設實現湖湖、江湖連通。利用江水補給與東湖進行換水，讓死水變活水，形成良性循環的生態水網。同時大力發展水經濟，實現在污染中治理，在治理中發展，在發展中美化環境。

參考文獻

[1] 彭文啟.張祥偉.現代水環境質量評價理論與方法[M].化學工業出版社，2005.

[2] 宋新山.MATLAB在環境科學中的應用[M].化學工業出版社，2008.

[3] 丁桑嵐.環境評價概論[M].化學工業出版社，2005.

[4] Johnson，R.A.Wichern，D.W.實用多元統計分析[M].清華大學出版社，2008.endprint

第二主成分Z2貢獻率達13.3%，其特征向量在VTP上有較大的正載荷。所以Z2表征該功能區水質受總磷污染程度。較大的Z2意味總磷污染程度較重，反之較輕。

第一主成分Z1和第二主成分Z2的累計貢獻率已達到87.4%，說明Z1、Z2已經概括了4個關鍵因子87.4%的信息，可作綜合評價指標。

3.3 得分計算

由式Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n ?Xn ?分別計算第一主成分Z1和第二主成分Z2的各年得分。

以貢獻率占累積貢獻率的百分比為權數，將所求得的東湖水質第一、二主成分得分進行線性組合，得綜合主成分F的各年得分見表2。

3.4 東湖水體營養物質含量年際變化趨勢定性

統計綜合主成分F得分的2000—2010年變化趨勢參數：

Nup= 3

Nsum=9

Kup = Nup ?/ Nsum=33.3%

△P=-3.8672

由前述判別公式確定：

由Fup=33.3%、△P=-3.8672<0%，判定表征其水質綜合污染程度的綜合主成分F得分的變化趨勢為非穩定減少。

分析結果顯示東湖2000—2010年水體受高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮等營養物質的綜合污染程度非穩定改善。

4 結語

2005年10月，國家批準武漢市為水生態系統保護與修復試點城市，2006年8月，國家水利部批準了《武漢市水生態系統保護與修復試點工作實施方案》，“大東湖”生態水網構建是其中的重要支撐項目。2008年3月市政府批復了《大東湖地區生態水網控制規劃》。至2012年底，“大東湖”水系即東湖、沙湖、楊春湖、嚴西湖、嚴東湖、北湖6個湖泊截污工程基本完成，部分湖泊進行了底泥清淤、重建動植物生長及實施湖湖、江湖連通等舉措。東湖水質根據2000—2010年的監測資料分析表明，水體受高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮等營養物質的綜合污染程度呈非穩定改善，證明水生態系統保護與修復工作成效開始顯現，但也要充分認識到水污染治理和修復是一個長期而艱巨的過程。據調查東湖污染的主要來源為生活污水，應建立完善分流制系統，在有效降低點源污染量的同時，利用現有的分散式截流系統收集初期雨水。形成較分流制更高效的先進的分流制系統，一定程度降低東湖面源入湖污染物的量，保障東湖水體持續穩定的改善。經3～5年建設實現湖湖、江湖連通。利用江水補給與東湖進行換水，讓死水變活水，形成良性循環的生態水網。同時大力發展水經濟，實現在污染中治理，在治理中發展，在發展中美化環境。

參考文獻

[1] 彭文啟.張祥偉.現代水環境質量評價理論與方法[M].化學工業出版社，2005.

[2] 宋新山.MATLAB在環境科學中的應用[M].化學工業出版社，2008.

[3] 丁桑嵐.環境評價概論[M].化學工業出版社，2005.

[4] Johnson，R.A.Wichern，D.W.實用多元統計分析[M].清華大學出版社，2008.endprint