基于主成分分析法的鶴地水庫富營養狀況評價

＊李曉芳 劉亞平 陳湛峰

（廣東省生態環境監測中心 廣東 510308）

1.概述

富營養化是水體衰老的一種現象,在富營養化水體中，氮、磷營養元素富集，浮游藻類迅速繁殖，造成水生態系統結構和功能失衡，給人類生活和健康帶來不良影響[6]。近年來，許多學者采用PCA對水體富營養化進行評價，杜喬喬等[3]借助PCA對于橋水庫富營養化因子進行分析，明確了水溫、pH、COD及DO是影響水庫水體富營養化的主要驅動因子；廖寧等[7]采用PCA對西南山區典型河道型水庫富營養化進行評價討論，發現水庫中藻類、營養狀態變化的主控因子為DO、NH3-N、TP和TN；楊玖等[1]利用PCA對攀枝花勝利水庫富營養化狀況進行評價，發現庫中營養狀態變化的主要驅動因子為BOD5、TN、TP。

鶴地水庫地處雷州半島北部，庫區跨兩省四市三縣，集水面積1440km2，總庫容11.87億m3，是廣東省重要的飲用水水源地，對水庫富營養狀況進行綜合評價，分析水庫水質富營養化的影響因子，能為鶴地水庫水資源保護、水污染防控及生態良好發展提供支撐。

2.材料與方法

(1)數據來源

本研究采用2012—2022年鶴地水庫月均值數據，根據水質評價方法和特點，采用水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、總磷、總氮、透明度、葉綠素a等9項作為評價指標。

(2)評價方法

Spearman相關性分析是一種不依賴于總體分布的非參數檢驗，可以用來描述兩者之間的關系。主成分分析法（PCA）本質是對高維變量系統進行最佳綜合與簡化，將多個相互關聯的變量轉化為少數互不關聯的綜合指標，這種綜合指標可以用來尋找判斷某種事物或現象，當對綜合指標所包含的信息以適當的解釋時，可以更好地揭示事物內在的關系和規律[1]。本文首先利用Spearman相關性分析判斷鶴地水庫主要污染指標間的顯著性關系，再通過PCA對影響鶴地水庫水體富營養化的主要指標進行主成分篩選，從而分析出表征水體富營養化的重要指標。

水庫營養狀態評價采用《地表水環境質量評價辦法(試行)》中的綜合營養狀態指數法，評價指標包括葉綠素a（Chla）、總氮（TN）、總磷（TP）、透明度（SD）和高錳酸鹽指數（CODMn）。

3.結果與討論

(1)各指標間的Spearman相關性分析

鶴地水庫主要污染指標的Spearman相關性見表1。Chla分別與COD、CODMn呈顯著正相關，與TP、TN相關性較弱；綜合營養狀態指數與COD、CODMn、Chla及水溫均呈顯著正相關，與SD呈一定的負相關。可能原因是有機污染物COD、CODMn一定程度上能促進藻類繁殖，同時藻類大量繁殖排泄的有機物質又導致水體有機質增加，有機物質越多，使得水體有機耗氧物的污染越多；N、P等營養鹽是浮游植物生長的營養鹽條件，而浮游植物的生長，除了與氮、磷營養鹽相關外，還與水庫的水動力、氣象等因素相關，故N、P等營養鹽與Chla的關系較為復雜[2]。

表1 各監測指標相關性分析

(2)近11年水庫水質主要影響因子分析

在進行主成分分析前，對9個評價指標進行KMO檢驗和Bartlett球形檢驗，KMO統計量為0.717，Bartlett球形檢驗驗值小于0.001，結果表明該組指標有較強相關性，可進行主成分分析。主成分分析結果表明，前4個主成分的方差貢獻率分別為37.495%、20.716%、10.639%和10.075%，累計反映了原始參數信息的78.925%，各主成分方差貢獻率及累計方差貢獻率見表2。對因子載荷矩陣按照方差最大化進行正交旋轉，旋轉后的主成分載荷矩陣見表3。由表3可知，第1主成分中CODMn、COD、水溫和Chla的因子載荷比較大，說明第1主成分代表的信息比較豐富，體現了有機污染物的濃度，有機污染物濃度高會直接促進藻類繁殖，導致水體富營養化，適宜的水溫是促進藻類生長的重要條件[3]，而葉綠素a直接反映水體的富營養化水平[3]；第2主成分中，DO和pH所占的載荷比較大，說明成分2代表的是體現了水體的酸堿環境和自凈能力，溶解氧的含量與浮游植物生長密切相關，當浮游植物光合作用大于呼吸作用時，DO與Chla成正相關，當呼吸作用大于光合作用時，DO與Chla成負相關；TP在第3主成分中的載荷較高，TN在第4主成分中的載荷較高，說明第3、第4主成分體現的是水庫富營養化的營養鹽條件。

表2 主成分特征值及方差貢獻率

(3)不同水期水庫水質主要影響因子分析

鶴地水庫各水期的主成分特征值和主成分載荷分別見表4和表5，根據主成分選取原則，選擇特征值大于0.9對應的主成分。豐水期，第1、第2、第3主成分的特征值大于0.9，其方差貢獻率分別為43.010%、16.137%和11.517%，累計方差貢獻率為70.665%。根據主成分載荷矩陣，pH、DO、CODMn、COD、Chla在成分1有較大載荷，TP和透明度在成分2上有較大載荷，水溫在成分3上有較大載荷。枯水期，選取3個主成分，各成分方差貢獻率和累計方差貢獻率分別為33.748%、19.205%、13.444%和66.397%，成分1的貢獻率較大，由表5可知，CODMn、COD、Chla在成分1上有較大載荷。平水期，選取4個主成分，各成分方差貢獻率和累計方差貢獻率分別為33.932%、20.256%、14.564%、10.168%和82.920%，水溫、CODMn、COD和Chla在成分1上有較大載荷。CODMn、COD和Chla在豐、枯、平水期的成分1上均有較大載荷，Chla直接反應水體的富營養化程度，CODMn、COD是表征水庫富營養化程度的重要指標。

表4 不同水期主成分特征值及方差貢獻率

(4)富營養化評價方法

根據各主成分得分與相應貢獻率之積的和[4-5]，計算水庫2012—2022年的營養狀態綜合得分,根據圖1，主成分分析法和綜合營養狀態指數法兩種評價方法的結果的變化趨勢基本一致。對兩種評價結果進行Spearman相關性分析，結果顯示，主成分分析的綜合得分與綜合營養狀態指數的相關性為0.885（p＜0.01），呈顯著正相關關系，說明采用主成分分析法評價鶴地水庫富營養化具有較高的可信度。

圖1 主成分分析法和綜合營養狀態法評價水庫營養狀態得分

4.結論

（1）通過主成分分析法，發現CODMn、COD是表征鶴地水庫水質富營養化程度的重要指標。

（2）主成分分析法和綜合營養狀態指數法評價鶴地水庫營養狀態的結果具有顯著相關性，說明采用主成分分析法評價鶴地水庫富營養化具有較高的可信度。