主成分分析在洱海水質評價中的應用

李 萍

（昆明理工大學環境科學與工程學院，云南 昆明 650000）

0 引言

洱海是云南省第二大淡水湖泊，大理市飲用水源地，蒼山洱海國家級自然保護區和風景名勝區，具有提供工農業生產用水和保持生物多樣性等多種功能，是大理市乃至大理州經濟社會可持續發展的基礎[1]。

近年來由于洱海周圍人口急劇增加，農業、旅游業迅速發展，大量營養物質排入洱海，致使洱海富營養化嚴重[2]。面對日益嚴峻的洱海保護形勢，開啟了洱海保護搶救模式，通過“七大行動”、流域轉型發展等各項措施，洱海水質下滑趨勢得到遏制，但洱海水質尚未得到根本性改善，水生態環境仍然脆弱，仍處在敏感的富營養化轉型期[1]。隨著洱海流域人口增長、空間開發強度加大、水資源利用量增加，洱海的保護治理仍然面臨著嚴峻挑戰。

本文選取洱海2011—2020年的監測數據，采用主成分分析法進行水質評價，分析研究洱海水質時空變化特征，對洱海保護治理工作提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 采樣點位置

根據洱海的地理情況、入出湖特點，在洱海北部、中部、南部設置了11個測點，其中北部設置桃源（631）、湖心0（632）、雙廊（633）、喜洲（280）、湖心1（281）共5個測點，中部設置龍龕（283）、湖心（284）、塔村（285）3個測點，南部設置小關邑（286）、湖心3（287）、石房子（288）3個測點，詳見圖1。

圖1 洱海采樣布點圖

1.2 監測時間及監測指標

2011—2020年每月1—10日對洱海11個測點進行采樣監測，監測指標為pH、DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TP、TN、chla、SD等10項。

1.3 主成分分析法

主成分分析法本質上是一種簡化數據和降低數據維數的方法，廣泛應用于包括水質評價在內的多個領域。對于十幾種水質因子變量描述的數據結果，變量多可以更加細致地描述水質狀況，但變量多，處理難度增大，增加分析的復雜程度。主成分分析通過先找到含信息量最大的水質變量，然后考察該水質變量包含的信息量，當其不足以表達水質數據包含的信息時，繼續找下一個變量，直到滿足相關表達要求為止[3-6]。

2 分析結果與討論

2.1 數據分析

（1）標準化處理及相關系數計算

通過SPSS 23.0對洱海11個測點監測數據進行標準化處理[7]，對標準化后的數據進行主成分分析，進行變量相關性檢驗（見表1）、KMO和Bartlett檢驗（見表2）。由表2可知KMO 取樣適切性量數為0.669，＞0.5， Bartlett形度檢驗顯著性均＜0.05，表明各個變量具有相關性，適合進行主成分分析。

表1 監測指標相關性矩陣

表2 KMO和BartIett檢驗結果

（2）主成分的確定

計算各成分特征值、方差百分比和累計方差百分比（見表3）。確定了三個主成分，累計方差百分比達到74.377%，可以對洱海水質空間特征進行評價。

表3 主成分分析總方差分布表

分析發現在初始主成分載荷矩陣中，各因子差異不明顯，載荷反映信息過多。為了更好地解釋主成分，采用方差最大旋轉（ Varimax） 的方法對初始載荷矩陣進行旋轉，得到旋轉后的主成分載荷矩陣（見表4）。

從表4來看，與第一主成分密切相關的是CODCr、NH3-N、TN，與第二主成分密切相關的是pH、TP，與第三主成分密切相關的是DO、SD。可將洱海污染物主要分三類，一類為有機物污染，另一類為富營養化物質，然后以pH、DO、SD為代表的因子，將其視為藻類生境指標。

（3）主成分得分

利用旋轉后的成分矩陣除以各主成分對應特征值的平方根，求得相應特征向量，將標準化后的數據和特征向量相乘[8]，得到如下的主成分表達式：

其中：X1（pH）、X2（DO）、X3（CODMn）、X4（CODCr）、X5（BOD5）、X6（NH3-N）、X7（TP）、X8（TN）、X9（chla）、X10（SD）。

根據公式（1）~（4），計算得出2011—2020年洱海水質主成分分析得分值（見表5），綜合得分越高，說明樣品污染物含量越高。

表5 2011—2020年洱海水質空間變化主成分分析得分值統計表

2.2 水質時空特征分析

從2011—2020年洱海11個測點的水質單因子評價結果 （見表6） 來看，水質類別在Ⅱ~Ⅲ類波動。由于單因子評價法是通過最差水質指標來確定水質類別，盡管洱海11個測點的水質存在一定的變化，但通過單因子評價法不能充分反映水質的動態變化過程和規律；根據主成分分析的結果（表5），所有水質指標的資料已納入主成分分析內，可定量反映洱海水質的空間特征。從主成分綜合得分值的數值特征（表5和圖2）來看，洱海11個測點的水質綜合得分值排序是: 桃源＞龍龕＞雙廊＞湖心0＞喜洲＞小關邑＞石房子＞湖心3＞塔村＞湖心1＞湖心。由此可見北部桃源水質較差，綜合得分值是0.55，是11個測點中分值最高的；而中部湖心的水質較好，綜合得分值是-0.52，反映出洱海中部的水質最好，南部次之，北部最差。

表6 2011—2020年洱海水質空間綜合評價結果

圖2 洱海主成分綜合得分均值空間變化圖

洱海流域傳統農業發達，種植面積較大，隨著經濟發展及人口增加，肥料使用的加大，而灌溉及耕作還在沿用傳統模式，導致農業面源污染成為洱海流域重要污染源。洱海入湖河流集中在北部和南部區域，北部彌苴河、羅時江、永安江、南部波羅江流經大面積人口集中地區，受農業面源污染、散養畜禽養殖、生活污水等干擾較重，同時北部彌苴河、羅時江、永安江是洱海入湖水量最大的三條河流，大量入湖河水帶入污染物，導致北部水質最差，南部次之，中部最好[9-11]。

從圖3中可以看出2011—2014年洱海水體污染變輕，水質變好，在2014年值最低，綜合得分-1.57；2015—2018年水質污染逐步加重，在2018年達到峰值，綜合得分1.56，為近10年最差年份；隨后2019年、2020年水質有持續改善趨勢。

圖3 2011—2020年洱海主成分綜合得分均值變化趨勢

綜合來看，呈現這一變化趨勢的主要原因是近10年來，井噴式的旅游帶動洱海流域餐飲客棧服務業的發展，也帶來人口聚集和生產生活方式的變化，而洱海流域截污治污設施建設投入不足，管網覆蓋率和污水收集處理率低。同時，受農業面源污染、生產生活污水影響，主要入湖河流水質較差，清水入湖量大幅減少，湖水不能良性循環。雖然多次采取整治措施，卻一直不能根除污染源，導致洱海陷入邊治理邊污染、水質污染不斷加重的惡性循環，保護治理已經迫在眉睫。通過截污治污、生態搬遷、流域轉型發展、面源污染控制等措施，洱海流域生活污水得有效處置，餐飲客棧等得到有效管控，流域大蒜全面禁種，化肥使用量減少，面源污染得到一定控制，三庫連通工程實施及蒼山十八溪無序取水整治使得清水補充進入洱海，增加清水入湖量，使洱海2019—2020年水質有了一定的改善，但是要達到水功能目標還任重道遠，需要持續推進洱海保護治理工作[12]。

3 結論

（1）洱海水質污染情況主要取決于CODCr、NH3-N、TN、TP、pH、DO、SD等指標，水體污染主要以有機物污染及富營養化為主。

（2）2011—2020年洱海北部桃源水質較差，而中部湖心的水質較好，總體呈現洱海中部的水質最好，南部次之，北部最差。

（3）2011—2014年洱海水質污染逐漸變輕，在2014年值最低；2015—2018年水質污染有加重趨勢，在2018年值最高；2019年、2020年水質持續改善。