基于主成分分析法的象山港增養殖區水質評價

趙賓峰

(寧波市海洋與漁業信息監測中心 寧波 315000)

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基于主成分分析法的象山港增養殖區水質評價

趙賓峰

(寧波市海洋與漁業信息監測中心 寧波 315000)

文章運用主成分分析法對象山港內增養殖區的水環境狀況提供科學、準確、有效的評價。以西滬港等具代表性的4個養殖區域為監測對象，對10項水質指標進行分析；結果顯示，影響象山港增養殖區水質的主要指標有無機氮、活性磷酸鹽和石油類等，其中西滬港的水質狀況相對良好，鐵港的水質狀況相對較差。

海水質量；環境監測；水污染防治；水質評價

1 研究背景

象山港屬海洋生態和陸域生態的有機結合體[1]，常年風平浪靜，海洋生物資源豐富，海洋產業發達，是典型的生態經濟型港灣。港內良好的水產養殖條件使其成為浙江省最大的水產養殖基地，主要養殖區域有象山西滬港、寧海黃墩港、奉化南沙島、雙山港和鐵港等，養殖方式主要以網箱、浮筏和灘涂養殖為主。近年來隨著海洋開發活動的迅速發展，象山港的海洋生態平衡受到很大威脅，養殖廢水的排放和陸源入海排污口的超標排污，使象山港的海洋環境受到極大破壞，也將直接影響象山港養殖功能區的功能發揮。因此，必須做好水質綜合評價工作，對水質指標值、水體水質等級進行正確判斷和及時跟蹤，為水體的科學管理和污染防治提供依據，這對象山港的海洋經濟可持續發展，海洋功能區調整和功能發揮以及沿岸經濟發展都具有重大意義。

主成分分析法是一種多元統計方法，可以由眾多變量構造出少數幾個主成分來反映原始變量的大部分信息，從而更為有效地分析數據，得到廣泛應用；同時形成一種以主成分的貢獻率作為權重，對各主成分得分進行加權求和來計算綜合得分的方法，被廣泛應用于水質評價中。與目前常用的幾種水質評價方法如分級加權評分法、綜合污染指數法、模糊數學法等相比較，主成分分析法將多維因子納入同一系統中進行定量，從而分析出關鍵影響因子，屬于較為完善的多元統計分析方法[2-3]。

2 監測概況

選取的水質監測區域分別位于西滬港、南沙島、黃墩港和鐵港等4個具有代表意義的養殖區域(圖1)。

圖1 象山港增養殖區監測站位

監測時間為2014年4月、6月、8月和10月。常規水質監測因子為化學需氧量、溶解氧、亞硝酸鹽、硝酸鹽、石油類、活性磷酸鹽、氨-氮、葉綠素a、糞大腸菌群和懸浮物等共10個指標。

3 分析評價

通過統計軟件SPSS對監測數據進行主成分分析，首先對各項指標進行標準化處理，并且求取各項評價指標的相關系數矩陣和特征值，確定評價主成分數，以主成分貢獻率作為權重，對各主成分得分進行加權求和從而計算綜合得分，完成對各監測區域水質的綜合評價。

3.1 數據處理

以化學需氧量、溶解氧、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨-氮、活性磷酸鹽、石油類、葉綠素a、糞大腸菌群和懸浮物等10個指標作為研究對象，由于各項指標差別較大，需要進行標準化處理(表1)，其相關系數矩陣如表2所示。各項指標標準化后，相關矩陣顯示亞硝酸鹽與氨-氮的相關系數為0.978，亞硝酸鹽與活性磷酸鹽的相關系數為0.975，化學需氧量與石油類的相關系數為0.970，硝酸鹽與糞大腸菌群的相關系數為0.965，均為顯著正相關。

表1 水質平均監測指標標準化處理結果

表2 水質平均監測指標各項相關系數矩陣

續表

3.2 數據分析

使用統計軟件SPSS分別計算監測數據特征值和主成分貢獻率(表3)。其中，第一主成分和第二主成分的特征值均大于1，同時這兩個主成分的累積貢獻率達到93.555%，說明第一和第二主成分已經包含以上10個指標的所有信息，因此可以提取這兩個主成分進行下一步的分析[4]。

表3 特征值和主成分貢獻率

然后對第一、第二主成分進行載荷值計算，得出第一主成分和第二主成分分別在化學需氧量、溶解氧、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨-氮、活性磷酸鹽、石油類、葉綠素a、糞大腸菌群和懸浮物上的載荷值如表4所示。

主成分載荷矩陣(表4)顯示的是各指標與主成分之間的關系，指標與某一主成分的聯系系數的絕對值越大，則該主成分與指標之間的聯系越緊密，說明指標與主成分的相關系數越大。其中，氨-氮、亞硝酸鹽、活性磷酸鹽、糞大腸菌群和懸浮物指標在第一主成分上的荷載較高，說明第一主成分反映這些指標的信息；而化學需氧量、硝酸鹽、石油類、葉綠素a和溶解氧在第二主成分上的荷載較高，則說明第二主成分反映這些指標的信息。因此，兩個主成分充分反映原始數據的主要信息[5]。

表4 各水質指標主成分載荷矩陣

3.3 數據評價

計算第一主成分和第二主成分對于化學需氧量、溶解氧、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨-氮、活性磷酸鹽、石油類、葉綠素a、糞大腸菌群和懸浮物的特征向量(表5)。

表5 各水質指標特征向量

碎石圖主要用于主成分分析法，提供成分數和特征值大小的圖形表示，用來確定主成分個數。碎石圖中，X軸表示可能的成分數，Y軸表示該成分對應的特征值(圖2)。可以清晰地看到特征值大于1的成分數共兩個，其中成分一對應的特征值大于5、成分二對應的特征值大于4、其他成分對應的特征值均小于1，從而將成分一和成分二作為主成分。根據水質指標主要成分空間投影(圖3)，指標離中心越遠，說明指標與主成分之間的相關系數越大，指標聚集表示聯系緊密。

圖2 碎石圖

圖3 水質指標主要成分空間投影

根據主要成分分析特征向量，得出各指標與第一主成分和第二主成分的線性關系，并按照主要成分得分與客觀權重(即方差貢獻率)之積，計算出各個養殖區域的水質污染綜合評價得分；得分越高，表明污染程度越嚴重，由此可對各個監測區域的污染程度進行分級[5](表6)。結果表明，西滬港的水質情況最好，南沙島和黃墩港次之，而鐵港的水質狀況最差；影響南沙島水質的主要因子為石油類、化學需氧量和葉綠素a等，影響黃墩港水質的主要因子為氨-氮、亞硝酸鹽和活性磷酸鹽等。

表6 各監測區域主成分得分及綜合得分

4 結論

綜上所述，通過對水質指標進行主成分分析后，可以從大樣本多指標中發現主要指標并用少數幾個指標代替，在不損失太多信息的基礎上對復雜問題進行分析。通過分析可以確定，影響象山港增養殖區水質的主要指標有無機氮、活性磷酸鹽和石油類等，可以通過這些主要指標找出影響海水水質等級的原因。

通過對象山港4個監測區域和10個水質指標進行分析，結果顯示，西滬港的水質狀況相對較好，鐵港的水質狀況相對較差；黃墩港各項水質指標中，氨-氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、活性磷酸鹽和糞大腸菌群的特征值較大，說明該海域受農業灌溉、氮磷和生活污水影響較大，應通過生態修復提高水體自凈能力。

[1] 葉林安，江志法，廖友根，等.象山港海域水質的模糊綜合評價[J].浙江水利科技，2015(2)：15-19.

[2] 張義宇.關于茂名鑒江水質主成分分析的評價[J].科技與創新，2014(5)：19-20.

[3] 方紅衛，孫世群，朱雨龍，等.主成分分析法在水質評價中的應用與分析[J].環境科學與管理，2009，34(12)：152-154.

[4] 吳浩東，胡衡生.基于主成分分析法的明江河水質評價[J].湖北農業科學，2010，49(10)：2407-2409.

[5] 劉德林，劉賢趙.主成分分析在河流水質綜合評價中的應用[J].水土保持研究，2013，13(3)：124-125.

Principal Component Analysis and Assessment on Water Quality in Coastal Culture Areas of Xiangshan Bay

ZHAO Binfeng

(Ocean and Fishery Information & Monitoring Center of Ningbo,Ningbo 315000，China)

The method effectively evaluated water environment in coastal culture areas of Xiangshan Bay，providing scientific and accurate assessment of the use of the main ingredients.In view of the four representative monitoring sections for monitoring the target of ten chemical and biological indicators of water quality.the results showed that the major factors that affected the water quality of the area are inorganic Nitrogen，Phosphate and Oil，etc..The water quality of the Xihu area is in good condition，while the water quality of the Tie Port area is relatively not satisfactory.

Sea water quality，Environmental monitoring，Water pollution control，Water quality assessment

2016-04-08；

2016-07-11

趙賓峰，工程師，研究方向為海洋監測與評價，電子信箱：binbin310@sina.com

P7

A

1005-9857(2016)08-0047-04