基于主成分和模糊數(shù)學(xué)法的白洋淀水質(zhì)評價

賈艷樂 (白洋淀流域生態(tài)環(huán)境保障中心，河北 石家莊 050000)

0 引言

湖泊作為自然濕地的重要組成部分，具有防洪滯瀝、蓄養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)價值。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量污染物的匯入以及圍湖造田，水產(chǎn)養(yǎng)殖等，嚴(yán)重破壞了湖泊生態(tài)系統(tǒng)，結(jié)果導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、有機(jī)污染、沼澤化、湖面萎縮等環(huán)境問題。因此，分析影響湖泊污染機(jī)理和主要影響因子，對于保護(hù)湖泊水生態(tài)環(huán)境，防治水質(zhì)污染具有十分重要的意義。

主成分分析法也稱為主變量分析法，旨在利用降維的思想，將較多的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)，即從原始變量中導(dǎo)出少數(shù)幾個主成分，使其盡可能多地保留原始變量的信息，且彼此互不相關(guān)[1]。主成分分析可以避免評價因子選擇的隨意性，使評價結(jié)果更客觀[2]。模糊綜合評價法基于模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價。它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決[3]。

水環(huán)境作為一類多因素控制的復(fù)雜現(xiàn)象。評價其質(zhì)量的好與壞，需要盡量將這些控制因素綜合起來考慮，得到更切實(shí)際的評價結(jié)果[4]。本文將主成分分析法與模糊數(shù)學(xué)法相結(jié)合，以白洋淀為研究對象，力求客觀選取評價因子，為湖泊水環(huán)境治理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

白洋淀，素有“華北明珠”之美譽(yù)，屬海河流域大清河南支水系湖泊，由143個相互聯(lián)系的大小淀泊組成，總面積366 km2，是河北省最大的湖泊。2017年國家設(shè)立雄安新區(qū)，至此，白洋淀大部分為雄安新區(qū)所轄，成為雄安新區(qū)發(fā)展的重要生態(tài)水體。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品的采集與測定

于2018年3月、4月、5月、6月下旬在白洋淀南劉莊、燒車淀、王家寨、棗林莊、圈頭、采蒲臺、端村、光淀張莊8個斷面采集水樣，監(jiān)測pH值、DO、CODMn、CODcr、NH3-N、TN、TP、Chla、氟化物、石 油類、電導(dǎo)率、透明度共12項(xiàng)指標(biāo)，水樣的采集、保存和測定按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)進(jìn)行。

1.2.2 主成分分析

采用SPSS22.0進(jìn)行主成分分析，具體步驟參照文獻(xiàn)[5-7]。

(1)主成分分析指標(biāo)。本文選取pH值、DO、CODMn、CODcr、NH3-N、TN、TP、Chla、氟化物、石油類、電導(dǎo)率、透明度共12項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。

(2)數(shù)據(jù)的KMO(KaiSer-Meyer-Olkin)與Bartlett檢驗(yàn)。在主成分分析之前，將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO與Bartlett檢驗(yàn)，KaiSer-Meyer-Olkin測量取樣適當(dāng)性為0.599＞0.500，Bartlett球形檢驗(yàn)顯著性＜0.05，數(shù)據(jù)總體呈正態(tài)分布，適合做主成分分析。

(3)提取主成分。利用SPSS22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，調(diào)用因子分析函數(shù)提取主成分，當(dāng)各主成分特征值均大于1且累計(jì)方差占比大于85%時，可以利用提取的主成分表征所有原始變量的主要信息。

1.2.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法具體步驟參照文獻(xiàn)[8-10]。

(1)確定評價因子集。參與評價的m個污染因子的實(shí)測濃度組成的集合：

(2)建立評價標(biāo)準(zhǔn)集。

式中：V為各個污染因子相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量等級的集合。

(3)建立隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)R參照文獻(xiàn)[11-12]確定。

(4)建立權(quán)重矩陣A。權(quán)重矩陣A參照文獻(xiàn)[13]。

(5)建立模糊評價模型D。按照模糊矩陣的運(yùn)算規(guī)則，將模糊矩陣R與權(quán)重矩陣A進(jìn)行模糊運(yùn)算，得出模糊評價函數(shù)D=A·R，得出D={D1,D2, …,Dn}，根據(jù)隸屬度最大值原則，取maxD為評價因子級別。

2 結(jié)果與討論

2.1 評價因子的確定

將8個斷面的12項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果作為初選評價因子，導(dǎo)入SPSS22.0軟件，調(diào)用因子分析函數(shù)確定主成分。提取了5個主成分特征值均大于1，累計(jì)方差占比大于85%。其中第1主成分與NH3-N、BOD5顯著相關(guān)，表征水體受可生化降解耗氧污染物污染；第2主成分與CODcr、CODMn顯著相關(guān)，表征水體受耗氧性物質(zhì)污染；第3主成分與氟化物、電導(dǎo)率顯著相關(guān)，表征水體鹽漬化；第4主成分與TN、TP顯著相關(guān)，表征水體富營養(yǎng)化特征；第5主成分與葉綠素顯著相關(guān)，表征水體藻類特征指標(biāo)。綜上所述，選取NH3-N、BOD5、CODcr、TN、TP 共 5 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合水質(zhì)分析。

2.2 水質(zhì)評價因子分析

5項(xiàng)評價因子中，除TN濃度最大值劣于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余評價因子均優(yōu)于Ⅴ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。各斷面NH3-N、TP濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說明這兩種污染物在各淀區(qū)分布比較均勻；各淀區(qū)化學(xué)需氧量和總氮濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，說明這些污染物在各淀區(qū)分布不均勻，宜采用分時間、分區(qū)域施治的策略。有資料表明，水體TN濃度高于0.20 mg/L時，存在發(fā)生富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[14]，尤其是南劉莊斷面，屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，其原因是南劉莊位于府河污水入淀口，長期接納來自保定市生活污水和工業(yè)廢水，水體污染嚴(yán)重，水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)較高，這與徐爽等[15]、陽小蘭等[16]的研究結(jié)果相同；南劉莊氮磷比在34～45之間，當(dāng)N/P＞30，TP是其富營養(yǎng)化的限制因子[17]，CODcr和BOD5的濃度最大值均出現(xiàn)在4月份的南劉莊，因此要加強(qiáng)入淀河流府河的治理，嚴(yán)密排查河流兩岸污染源，降低入淀河流氮磷營養(yǎng)鹽和耗氧性物質(zhì)負(fù)荷。

2.3 水質(zhì)評價因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，從各斷面水質(zhì)評價因子權(quán)重來看，總體上TN的權(quán)重最高，其次是CODcr和BOD5，NH3-N和TP權(quán)重較低，說明水體受TN和耗氧性物質(zhì)的污染嚴(yán)重。有資料表明[18-19]，水體污染來源可分為外源匯入和內(nèi)源釋放，對白洋淀來說，其外源匯入主要指污染物隨府河等入淀河流匯入、淀中村生活污水的排入、旅游業(yè)和餐飲業(yè)的廢水及船只油類的泄漏；內(nèi)源指污染物自底泥向上覆水中釋放，端村、王家寨為網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)或畜禽養(yǎng)殖區(qū)，養(yǎng)殖過程中投放的餌料對水體造成嚴(yán)重污染，餌料沉積到底泥后成為氮磷營養(yǎng)鹽和耗氧性物質(zhì)的蓄積庫，在一定條件下向上覆水釋放，對水體造成二次污染；采蒲臺屬于開放水面，蒲草和蘆葦茂盛，3、4月份，蒲草和蘆葦尚未生長，往年植物根部的腐爛會導(dǎo)致水體中污染物濃度升高；總氮和耗氧性物質(zhì)濃度最大值均出現(xiàn)在4月份的南劉莊，南劉莊位于府河入淀口，府河歷來水體污染嚴(yán)重，雖然隨著水體的流動稀釋、降解、沉淀，污染物濃度有所降低，但是到達(dá)其他淀區(qū)時，仍然有較高的濃度。因此要加強(qiáng)入淀河流府河的管控，對河流兩岸的污染源進(jìn)行嚴(yán)密排查整治，同時減少生活污水入淀，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中減少氮肥的使用，防止氮營養(yǎng)鹽隨地表徑流進(jìn)入水體。

2.4 模糊綜合評價結(jié)果

南劉莊水體污染最嚴(yán)重，4個月均為Ⅴ類水體，棗林莊、光淀張莊處于白洋淀下游，距離河流入淀口較遠(yuǎn)，圈頭為純水區(qū)域，人為干擾較少，這3個區(qū)域水質(zhì)總體處于Ⅲ和Ⅳ之間，水質(zhì)較好；采蒲臺斷面蘆葦和蒲草生長茂盛而聞名，但是3、4月屬于種植期和5月份屬于展葉期，自凈能力有限，且往年植物根部在水中腐爛造成水體氮磷營養(yǎng)鹽和耗氧性物質(zhì)濃度升高；王家寨屬于旅游區(qū)，5、6月份天氣轉(zhuǎn)暖，旅游業(yè)開始興旺，游客量增加，餐飲服務(wù)業(yè)會加重水體污染。

采用同一月份不同斷面隸屬度的均值做水質(zhì)類別評價分析，結(jié)果表明，3月和6月，白洋淀水體水質(zhì)為Ⅳ類，4月和5月達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。有資料表明[20]，4—6月份，“南水北調(diào)”中線工程、王快水庫和西大洋水庫對白洋淀開展了生態(tài)補(bǔ)水，這可能是4月和5月白洋淀整體水質(zhì)得到改善的原因，而6月份水質(zhì)為Ⅳ類，可見通過生態(tài)補(bǔ)水這種“輸血”方式只能一時改善水質(zhì)，而污染物總負(fù)荷不變，要想長遠(yuǎn)改善水質(zhì)，要切斷“外源”輸入和進(jìn)行“內(nèi)源”治理，外源輸入方面，加強(qiáng)入淀河流的治理，減少通過河流進(jìn)入淀區(qū)的氮磷營養(yǎng)鹽和耗氧性物質(zhì)的總量；內(nèi)源方面，通過底泥疏浚的形式減少污染物負(fù)荷，防止污染物的釋放對水體的二次污染。

3 結(jié)語

(1)白洋淀 NH3-N、BOD5、CODcr、TN、TP 這 5 項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)中，除了TN濃度最大值劣于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余評價因子均優(yōu)于Ⅴ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。各斷面NH3-N、TP濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說明這兩種污染物在各淀區(qū)分布比較均勻；耗氧性物質(zhì)和總氮濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，說明這些污染物在各淀區(qū)分布不均勻，宜采用分時間、分區(qū)域施治的策略。

(2)白洋淀水體主要污染物為TN和耗氧性物質(zhì)，尤其是處于府河入淀口的南劉莊水域，污染物濃度最高，府河接納保定市生活污水和工業(yè)廢水，水質(zhì)較差，應(yīng)降低通過府河進(jìn)入淀區(qū)的污染物總量。

(3)白洋淀水質(zhì)整體處于Ⅲ類和Ⅳ類，生態(tài)補(bǔ)水能暫時緩解污染狀況，需通過切斷“外源”和“內(nèi)源”治理相結(jié)合的形式，削減淀區(qū)污染物負(fù)荷，達(dá)到長遠(yuǎn)改善水質(zhì)的目的。