基于主成分分析法的貴陽市百花湖流域河流水質(zhì)評(píng)價(jià)

林 濤，朱生亮，江 波，周文龍，瓦云瑩

(1.貴州科學(xué)院 山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2. 貴陽市河濱小學(xué)，貴州 貴陽 550002)

1 研究區(qū)概況

百花湖位于貴陽市西北郊，地處貴陽市觀山湖區(qū)朱昌鎮(zhèn)和百花湖鄉(xiāng)之間，屬于喀斯特峽谷型深水水庫。百花湖與紅楓湖、阿哈水庫并稱為兩湖一庫[1]。百花湖作為貴陽市主要飲用水水源地，供應(yīng)120萬貴陽人民日常生活用水，對(duì)城市居民衛(wèi)生健康和社會(huì)發(fā)展具有基礎(chǔ)性作用。根據(jù)我們的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：因?yàn)閷?shí)施“兩湖一庫水體污染治理工程”，2014～2018年百花湖水質(zhì)到低營養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)[2]。通過2019年的調(diào)查研究，對(duì)最近一年的水質(zhì)進(jìn)行了全面分析。

2 采樣點(diǎn)和指標(biāo)方法選取

2.1 取樣點(diǎn)位置

根據(jù)百花湖水文地質(zhì)圖，出入湖水系圖和近10年來的水質(zhì)污染情況，在百花湖上游設(shè)置了9個(gè)水樣取樣點(diǎn)：大壩、泵房、麥西河口、巖腳寨、花橋、高筍塘、竹林水壩、龍?zhí)度倩ê?見圖1。采集每個(gè)采樣點(diǎn)水面下1 m處水樣。

2.2 方法選取

根據(jù)主成分分析法的原理，由主成分特征值和主成分載荷矩陣可得出相關(guān)矩陣的特征向量，并根據(jù)特征向量得出各指標(biāo)與主成分之間的線性組合關(guān)系確定污染物，建立綜合評(píng)價(jià)體系，劃分污染級(jí)別。分析步驟如下。

(1)標(biāo)準(zhǔn)化：

(2)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rij)[3]。

(3)計(jì)算特征值與特征向量。解特征方程|λI-R|=0求出特征值λ1(i=1,2…p)，按大小順序排列，分別求出特征值：λ1=4.253,λ2=3.061,λ3=0.889。

圖1 百花湖水質(zhì)采樣點(diǎn)分布

3 過程與分析結(jié)果

3.1 主成分分析

把上游的8個(gè)取樣點(diǎn)12類原始數(shù)據(jù)按時(shí)間順序使用主成分評(píng)價(jià)。分析之前，先進(jìn)行Barlett和KMP檢驗(yàn)[5]，結(jié)果顯示湖泊上游水質(zhì)12項(xiàng)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，KMO值0.692，證明可進(jìn)行主成分分析。

10項(xiàng)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果說明，主成分中的前三項(xiàng)累計(jì)為原始參數(shù)的82.1%。為了降低了因子的維數(shù)，將原有的10項(xiàng)指標(biāo)減少為3個(gè)。從表1可知，Z1方差貢獻(xiàn)率達(dá)到38.275%。Z2方差貢獻(xiàn)率27.545%，Z3方差貢獻(xiàn)率8.103%。主成分方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率見表1。

表1 主成分方差貢獻(xiàn)率 %

由表2顯示，信息載荷量最大的是F1。F1關(guān)系最為密切的因子是COD、高錳酸鹽指數(shù)、透明度、水溫和葉綠素a，各因子載荷量為0.8551、0.7245、-0.7146、-0.7101、0.789、0.6813；F2關(guān)系最為密切的是TP、DO和氨氮；F3關(guān)系最為密切的是pH值和TN。由表1中的方差貢獻(xiàn)率，F(xiàn)1貢獻(xiàn)率38.275%，其包含的信息遠(yuǎn)大于F2、F3。所以，湖泊上游的水質(zhì)由F1相關(guān)因子決定。

表2 因子載荷量

3.2 因子分析

結(jié)合表1和表2，發(fā)現(xiàn)百花湖上游水質(zhì)的主要影響因子是與F1緊密相關(guān)的COD、高錳酸鹽指數(shù)、透明度、水溫和葉綠素a。除了透明度，其余因子均為正相關(guān)。綜合指數(shù)反映富營養(yǎng)化程度、水質(zhì)，將綜合指數(shù)和3個(gè)主成分、10個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行相關(guān)分析，見表3。葉綠素a、透明度、COD、高錳酸鹽指數(shù)、水溫、溶解氧6個(gè)因子與綜合營養(yǎng)指數(shù)的影響最大。F1和綜合指數(shù)呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.826。所以得到結(jié)論：與F1密切相關(guān)的主要因子決定湖泊上游營養(yǎng)狀態(tài)，是主控因子。

化學(xué)需氧量會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化程度研究上升，爆發(fā)“水華”。樣品分析顯示，2019年百花湖高錳酸鹽指數(shù)濃度的低值為1.101 mg/L，高值為3.37 mg/L。高錳酸鹽遠(yuǎn)低于4.05 mg/L的貴州省湖泊控制指標(biāo)。因此，百花湖上游水質(zhì)處于中富營養(yǎng)化，水體質(zhì)量正常。

葉綠素a是湖泊營養(yǎng)的主控因子，透明度是浮游藻和懸浮物數(shù)量的反映，水溫是藻類生長的基本條件[6]。百花湖上游河流水質(zhì)研究顯示：百花湖主要藻類為微囊藻，其適宜溫度區(qū)間為27.5～30.5 ℃。這一溫度區(qū)間為夏秋兩季微囊藻生長提供了有利條件。

以上論述說明，百花湖入湖河流的微囊藻和有機(jī)物共同導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化[7]。由表2，TP是F2主要因子，TN是F3主要因子。由表1方差貢獻(xiàn)率，F(xiàn)2方差貢獻(xiàn)率為27.54%，F(xiàn)3方差貢獻(xiàn)率只有8.10%，所以F2大于F3重要性。TP影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TN。由表3，TP、TN綜合營養(yǎng)指數(shù)在P<0.05情況呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)低，這說明TP、TN對(duì)營養(yǎng)指數(shù)影響小。然而對(duì)于藻類，TN、TP是微囊藻繁殖的主要限制因子。N/P是營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)。研究顯示，N/P>16時(shí)，限制因子是TP；N/P<16時(shí)，限制因子是TN。百花湖上游河流N/P全年大于雷德菲爾德值[8]，所以只有TP是富營養(yǎng)化限制因子，TN卻不是。貴州湖區(qū)富營養(yǎng)化控制指標(biāo)TN為1.00 mg/L，TP為0.045 mg/L，百花湖2019年TN為0.03 mg/L，TP低于富營養(yǎng)化控制指標(biāo)，限制TN利用，可能會(huì)導(dǎo)致藻類增長。2019年百花湖TP為限制因子，且濃度偏低，微囊藻生長受限，呈中營養(yǎng)狀態(tài)。

分析表2和表3，pH值是F3主要因子，F(xiàn)3貢獻(xiàn)率低達(dá)8.10%，綜合營養(yǎng)指數(shù)與pH值不相關(guān)，所以pH值不是百花湖富營養(yǎng)化的影響因子。百花湖上游河流2019年pH變化區(qū)間為7.81～8.49，偏堿性，初步形成富營養(yǎng)化條件，pH值變化較小，說明上游入湖河流尚未富營養(yǎng)化，與百花湖水樣中營養(yǎng)數(shù)據(jù)一致。

3.3 百花湖水質(zhì)時(shí)空變化

研究通過綜合評(píng)價(jià)函數(shù)得到每個(gè)點(diǎn)水質(zhì)的F綜合得分，見表4。F綜合得分是水質(zhì)污染的整體量化，得分越低，水質(zhì)越好，得分越高，水質(zhì)越差。

由圖2(b)可見，水質(zhì)綜合得分第一季度<第二季度<第四季度<第三季度，說明采樣點(diǎn)四個(gè)季度中第三季度水質(zhì)最差。大壩四個(gè)季度得分都小于其他采樣點(diǎn)，說明大壩水質(zhì)優(yōu)良。原因?yàn)槭谴髩挝挥诔龊冢廴疚锝?jīng)過湖泊稀釋和沉積[9]后濃度降低，水質(zhì)變好。采樣點(diǎn)中竹林和高筍塘位于入湖口，綜合分?jǐn)?shù)很高，水質(zhì)較差，到三、四季度后得分變化趨于平穩(wěn)。

由圖2(a)可見，在時(shí)間分布上，百花湖采樣點(diǎn)的綜合營養(yǎng)指數(shù)季節(jié)變化顯著。采樣點(diǎn)得分隨時(shí)間呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，原因是，夏季和秋季水溫升高，光照強(qiáng)烈，葉綠素a升高，二、三季度降雨增加，帶來上游大量氮、磷、有機(jī)物，使得藻類夏、秋季大量生長，富營養(yǎng)化程度加重。冬、春季氣溫降低、光照減弱，暴雨和上游入庫流量減少，帶來的氮、磷、有機(jī)物減少，水質(zhì)變好。

表3 主成分、營養(yǎng)指數(shù)與檢測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性

表4 百花湖各取樣點(diǎn)2019年水質(zhì)綜合得分(F綜合)

圖2 百花湖采樣點(diǎn)水質(zhì)綜合指數(shù)變化

4 結(jié)論與對(duì)策

(1)百花湖水體富營養(yǎng)化主控因子為COD、高錳酸鹽指數(shù)、透明度、水溫和葉綠素a，是藻類和有機(jī)物共同作用的結(jié)果，來源為百花湖周邊生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染。

(2)百花湖2019年水質(zhì)四季變化明顯，一二季度優(yōu)于三四季度水質(zhì)，三季度最差，一季度最好。水溫升高，水質(zhì)變差；水溫降低，水質(zhì)變好。

(3)百花湖入湖口采樣點(diǎn)的水質(zhì)污染程度大于出湖口采樣點(diǎn)的污染，需要減少上游氮磷鹽類和有機(jī)物的入庫量。