武漢東湖水體營養(yǎng)物質(zhì)含量變化趨勢分析

劉志文+王一峰+王全益+張虎

摘 要：引用武漢東湖2000—2010年的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和總氮4個營養(yǎng)化因子的實測數(shù)據(jù)，用主成分法在保留原始變量的絕大部分信息（方差）的前提下，將4個因子“濃縮”成一個表征東湖水質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)含量的綜合關(guān)鍵因子—— 主成分，進(jìn)而對主成分?jǐn)?shù)值進(jìn)行變化趨勢分析。得出10年間水質(zhì)受4種營養(yǎng)物質(zhì)的綜合污染程度非穩(wěn)定改善的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：水質(zhì) ?營養(yǎng)物質(zhì)含量 ?主成分 ?變化趨勢 ?武漢東湖

中圖分類號：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0115-02

武漢市東湖位于中心城區(qū)東部，是首批國家重點風(fēng)景名勝區(qū)。作為武漢市的地標(biāo)東湖在全國具有一定的知名度。東湖水面面積33 m2，集水面積119 m2，是全國最大的城中湖。自20世紀(jì)80年代以來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展東湖逐漸成為城中湖。湖周的城市化導(dǎo)致湖泊水質(zhì)惡化，東湖的生態(tài)和水環(huán)境問題已引起社會各界和政府的高度重視。10年來政府采取多種措施治理東湖水環(huán)境修復(fù)水生態(tài)。由于湖泊生態(tài)系統(tǒng)是個復(fù)雜的綜合體系，其生態(tài)恢復(fù)需要制定科學(xué)的修復(fù)方案和較長時間的修復(fù)過程。

該文依據(jù)《武漢市水資源公報》、《21世紀(jì)前十年武漢市地表水功能區(qū)水資源質(zhì)量變化調(diào)查評價》，對2000—2010年東湖水體中高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和總氮等營養(yǎng)化指標(biāo)（以下稱為關(guān)鍵因子）的年際變化趨勢進(jìn)行了分析，評價東湖治理工程的效應(yīng)，為實施最嚴(yán)格的水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 監(jiān)測點和監(jiān)測時段

出于對東湖水質(zhì)變化的代表性和敏感性考慮，監(jiān)測點分別設(shè)在湖心、九孔橋和水上運動中心。均勻的布設(shè)在西北部湖周人口密集、受污染程度嚴(yán)重的水域。監(jiān)測時段兼顧水期和季節(jié)每年6～8次。

2 分析評價方法

采用主成分分析法探究東湖水體營養(yǎng)化指標(biāo)的年際變化趨勢。方法的實質(zhì)是通過多維空間坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)降維的目的，由正交變換把n個變量轉(zhuǎn)化為q個主成分（q<

Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n Xn ? ?i=1……n

式中：Z ? ? ?主成分;

n ? ? ?關(guān)鍵因子個數(shù);

V ? ? ?特征向量;

X ? ? ?關(guān)鍵因子的均值

本文分析的思路是用較少甚至單個新的指標(biāo)（主成分），最大限度地綜合反映影響東湖營養(yǎng)水平的多個關(guān)鍵因子的信息，進(jìn)而計算主成分的得分，并分析各年得分的變化趨勢。同時結(jié)合關(guān)鍵因子所對應(yīng)的特征向量數(shù)值的分布特點確定各主成分的水質(zhì)理化解釋。從而得出東湖水體營養(yǎng)物質(zhì)綜合水平的年際變化趨勢和主要污染因子的結(jié)論。

2.1 年際得分計算

計算東湖逐年的水質(zhì)變化得分的過程是：對原始變量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除由于量綱的不同可能對計算結(jié)果的影響，用n年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本的4種關(guān)鍵因子的各年平均值建立協(xié)方差矩陣并進(jìn)行正交變換后，計算各主成分的特征值和特征向量得到4個主成分Zi。然后計算各主成分的累計方差貢獻(xiàn)率。

根據(jù)方差貢獻(xiàn)率的大小，確定滿足分析精度要求能反映樣本綜合信息的前q個主成分。然后取這前q個主成分計算綜合主成分F。具體為：

若第一主成分Z1的累計方差貢獻(xiàn)率大于70%，則第一主成分已包括了原始變量足夠多的方差信息，可視Z1為綜合主成分F。

若第一主成分Z1的累計方差貢獻(xiàn)率不足70%，則納入第二主成分Z2。以貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)，將Z1和Z2線性組合即構(gòu)造出綜合主成分F。

將相應(yīng)關(guān)鍵因子數(shù)據(jù)代入F的方程求得F得分，進(jìn)而根據(jù)得分的大小進(jìn)行年際排序。

一般地，在特征向量為正載荷的前提下，綜合主成分F得分越低，相應(yīng)評價年營養(yǎng)化水平越低，水質(zhì)越優(yōu);特征向量為負(fù)載荷時相反。

2.2 營養(yǎng)化水平得分變化趨勢識別

計算2000—2010年得分P的變化幅度△P：

△P= P2010-P2000

統(tǒng)計2000—2010年的得分年際變化升高年份數(shù)Nup和下降年份數(shù)Ndn。并計算得分年際變化升高和降低年份的比例Kup和Kdn：

Kup = Nup ?/ Nsum

Kdn = Ndn ?/ Nsum

式中Nsum為評價階段總年份數(shù)減1。

變化趨勢識別標(biāo)準(zhǔn)：

當(dāng)，Kup≥66.6%且△P>0%，判定為穩(wěn)定上升;

當(dāng)，Kup<66.6%且△P>0%，判定為非穩(wěn)定上升;

當(dāng)，Kup<33.3%且△P<0%，判定為穩(wěn)定下降;

當(dāng)，Kup≥33.3%且△P<0%，判定為非穩(wěn)定下降。

根據(jù)各年得分的變化趨勢判定營養(yǎng)物質(zhì)含量年際變化趨勢。

3 東湖水體2000—2010年營養(yǎng)物質(zhì)含量變化趨勢分析

3.1 主成分得分計算

運用2000—2010年各年監(jiān)測值的年平均值，共10年資料數(shù)據(jù)。將實測原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后求得其協(xié)方差矩陣，進(jìn)而計得其協(xié)方差矩陣的特征值、特征向量和貢獻(xiàn)率見表1。

3.2 主成分的解釋

第一主成分Z1貢獻(xiàn)率達(dá)到了74.1%，其4個特征向量絕對值相近且都是正載荷。說明Z1表征該功能區(qū)水質(zhì)受高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮的綜合污染程度。Z1較大意味水體營養(yǎng)物質(zhì)含量較高，反之較低。endprint

第二主成分Z2貢獻(xiàn)率達(dá)13.3%，其特征向量在VTP上有較大的正載荷。所以Z2表征該功能區(qū)水質(zhì)受總磷污染程度。較大的Z2意味總磷污染程度較重，反之較輕。

第一主成分Z1和第二主成分Z2的累計貢獻(xiàn)率已達(dá)到87.4%，說明Z1、Z2已經(jīng)概括了4個關(guān)鍵因子87.4%的信息，可作綜合評價指標(biāo)。

3.3 得分計算

由式Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n ?Xn ?分別計算第一主成分Z1和第二主成分Z2的各年得分。

以貢獻(xiàn)率占累積貢獻(xiàn)率的百分比為權(quán)數(shù)，將所求得的東湖水質(zhì)第一、二主成分得分進(jìn)行線性組合，得綜合主成分F的各年得分見表2。

3.4 東湖水體營養(yǎng)物質(zhì)含量年際變化趨勢定性

統(tǒng)計綜合主成分F得分的2000—2010年變化趨勢參數(shù)：

Nup= 3

Nsum=9

Kup = Nup ?/ Nsum=33.3%

△P=-3.8672

由前述判別公式確定：

由Fup=33.3%、△P=-3.8672<0%，判定表征其水質(zhì)綜合污染程度的綜合主成分F得分的變化趨勢為非穩(wěn)定減少。

分析結(jié)果顯示東湖2000—2010年水體受高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等營養(yǎng)物質(zhì)的綜合污染程度非穩(wěn)定改善。

4 結(jié)語

2005年10月，國家批準(zhǔn)武漢市為水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)試點城市，2006年8月，國家水利部批準(zhǔn)了《武漢市水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)試點工作實施方案》，“大東湖”生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建是其中的重要支撐項目。2008年3月市政府批復(fù)了《大東湖地區(qū)生態(tài)水網(wǎng)控制規(guī)劃》。至2012年底，“大東湖”水系即東湖、沙湖、楊春湖、嚴(yán)西湖、嚴(yán)東湖、北湖6個湖泊截污工程基本完成，部分湖泊進(jìn)行了底泥清淤、重建動植物生長及實施湖湖、江湖連通等舉措。東湖水質(zhì)根據(jù)2000—2010年的監(jiān)測資料分析表明，水體受高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等營養(yǎng)物質(zhì)的綜合污染程度呈非穩(wěn)定改善，證明水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)工作成效開始顯現(xiàn)，但也要充分認(rèn)識到水污染治理和修復(fù)是一個長期而艱巨的過程。據(jù)調(diào)查東湖污染的主要來源為生活污水，應(yīng)建立完善分流制系統(tǒng)，在有效降低點源污染量的同時，利用現(xiàn)有的分散式截流系統(tǒng)收集初期雨水。形成較分流制更高效的先進(jìn)的分流制系統(tǒng)，一定程度降低東湖面源入湖污染物的量，保障東湖水體持續(xù)穩(wěn)定的改善。經(jīng)3～5年建設(shè)實現(xiàn)湖湖、江湖連通。利用江水補給與東湖進(jìn)行換水，讓死水變活水，形成良性循環(huán)的生態(tài)水網(wǎng)。同時大力發(fā)展水經(jīng)濟，實現(xiàn)在污染中治理，在治理中發(fā)展，在發(fā)展中美化環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭文啟.張祥偉.現(xiàn)代水環(huán)境質(zhì)量評價理論與方法[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 宋新山.MATLAB在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3] 丁桑嵐.環(huán)境評價概論[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4] Johnson，R.A.Wichern，D.W.實用多元統(tǒng)計分析[M].清華大學(xué)出版社，2008.endprint

第二主成分Z2貢獻(xiàn)率達(dá)13.3%，其特征向量在VTP上有較大的正載荷。所以Z2表征該功能區(qū)水質(zhì)受總磷污染程度。較大的Z2意味總磷污染程度較重，反之較輕。

第一主成分Z1和第二主成分Z2的累計貢獻(xiàn)率已達(dá)到87.4%，說明Z1、Z2已經(jīng)概括了4個關(guān)鍵因子87.4%的信息，可作綜合評價指標(biāo)。

3.3 得分計算

由式Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n ?Xn ?分別計算第一主成分Z1和第二主成分Z2的各年得分。

以貢獻(xiàn)率占累積貢獻(xiàn)率的百分比為權(quán)數(shù)，將所求得的東湖水質(zhì)第一、二主成分得分進(jìn)行線性組合，得綜合主成分F的各年得分見表2。

3.4 東湖水體營養(yǎng)物質(zhì)含量年際變化趨勢定性

統(tǒng)計綜合主成分F得分的2000—2010年變化趨勢參數(shù)：

Nup= 3

Nsum=9

Kup = Nup ?/ Nsum=33.3%

△P=-3.8672

由前述判別公式確定：

由Fup=33.3%、△P=-3.8672<0%，判定表征其水質(zhì)綜合污染程度的綜合主成分F得分的變化趨勢為非穩(wěn)定減少。

分析結(jié)果顯示東湖2000—2010年水體受高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等營養(yǎng)物質(zhì)的綜合污染程度非穩(wěn)定改善。

4 結(jié)語

2005年10月，國家批準(zhǔn)武漢市為水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)試點城市，2006年8月，國家水利部批準(zhǔn)了《武漢市水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)試點工作實施方案》，“大東湖”生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建是其中的重要支撐項目。2008年3月市政府批復(fù)了《大東湖地區(qū)生態(tài)水網(wǎng)控制規(guī)劃》。至2012年底，“大東湖”水系即東湖、沙湖、楊春湖、嚴(yán)西湖、嚴(yán)東湖、北湖6個湖泊截污工程基本完成，部分湖泊進(jìn)行了底泥清淤、重建動植物生長及實施湖湖、江湖連通等舉措。東湖水質(zhì)根據(jù)2000—2010年的監(jiān)測資料分析表明，水體受高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等營養(yǎng)物質(zhì)的綜合污染程度呈非穩(wěn)定改善，證明水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)工作成效開始顯現(xiàn)，但也要充分認(rèn)識到水污染治理和修復(fù)是一個長期而艱巨的過程。據(jù)調(diào)查東湖污染的主要來源為生活污水，應(yīng)建立完善分流制系統(tǒng)，在有效降低點源污染量的同時，利用現(xiàn)有的分散式截流系統(tǒng)收集初期雨水。形成較分流制更高效的先進(jìn)的分流制系統(tǒng)，一定程度降低東湖面源入湖污染物的量，保障東湖水體持續(xù)穩(wěn)定的改善。經(jīng)3～5年建設(shè)實現(xiàn)湖湖、江湖連通。利用江水補給與東湖進(jìn)行換水，讓死水變活水，形成良性循環(huán)的生態(tài)水網(wǎng)。同時大力發(fā)展水經(jīng)濟，實現(xiàn)在污染中治理，在治理中發(fā)展，在發(fā)展中美化環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭文啟.張祥偉.現(xiàn)代水環(huán)境質(zhì)量評價理論與方法[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 宋新山.MATLAB在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3] 丁桑嵐.環(huán)境評價概論[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4] Johnson，R.A.Wichern，D.W.實用多元統(tǒng)計分析[M].清華大學(xué)出版社，2008.endprint

第二主成分Z2貢獻(xiàn)率達(dá)13.3%，其特征向量在VTP上有較大的正載荷。所以Z2表征該功能區(qū)水質(zhì)受總磷污染程度。較大的Z2意味總磷污染程度較重，反之較輕。

第一主成分Z1和第二主成分Z2的累計貢獻(xiàn)率已達(dá)到87.4%，說明Z1、Z2已經(jīng)概括了4個關(guān)鍵因子87.4%的信息，可作綜合評價指標(biāo)。

3.3 得分計算

由式Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n ?Xn ?分別計算第一主成分Z1和第二主成分Z2的各年得分。

以貢獻(xiàn)率占累積貢獻(xiàn)率的百分比為權(quán)數(shù)，將所求得的東湖水質(zhì)第一、二主成分得分進(jìn)行線性組合，得綜合主成分F的各年得分見表2。

3.4 東湖水體營養(yǎng)物質(zhì)含量年際變化趨勢定性

統(tǒng)計綜合主成分F得分的2000—2010年變化趨勢參數(shù)：

Nup= 3

Nsum=9

Kup = Nup ?/ Nsum=33.3%

△P=-3.8672

由前述判別公式確定：

由Fup=33.3%、△P=-3.8672<0%，判定表征其水質(zhì)綜合污染程度的綜合主成分F得分的變化趨勢為非穩(wěn)定減少。

分析結(jié)果顯示東湖2000—2010年水體受高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等營養(yǎng)物質(zhì)的綜合污染程度非穩(wěn)定改善。

4 結(jié)語

2005年10月，國家批準(zhǔn)武漢市為水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)試點城市，2006年8月，國家水利部批準(zhǔn)了《武漢市水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)試點工作實施方案》，“大東湖”生態(tài)水網(wǎng)構(gòu)建是其中的重要支撐項目。2008年3月市政府批復(fù)了《大東湖地區(qū)生態(tài)水網(wǎng)控制規(guī)劃》。至2012年底，“大東湖”水系即東湖、沙湖、楊春湖、嚴(yán)西湖、嚴(yán)東湖、北湖6個湖泊截污工程基本完成，部分湖泊進(jìn)行了底泥清淤、重建動植物生長及實施湖湖、江湖連通等舉措。東湖水質(zhì)根據(jù)2000—2010年的監(jiān)測資料分析表明，水體受高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮等營養(yǎng)物質(zhì)的綜合污染程度呈非穩(wěn)定改善，證明水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)工作成效開始顯現(xiàn)，但也要充分認(rèn)識到水污染治理和修復(fù)是一個長期而艱巨的過程。據(jù)調(diào)查東湖污染的主要來源為生活污水，應(yīng)建立完善分流制系統(tǒng)，在有效降低點源污染量的同時，利用現(xiàn)有的分散式截流系統(tǒng)收集初期雨水。形成較分流制更高效的先進(jìn)的分流制系統(tǒng)，一定程度降低東湖面源入湖污染物的量，保障東湖水體持續(xù)穩(wěn)定的改善。經(jīng)3～5年建設(shè)實現(xiàn)湖湖、江湖連通。利用江水補給與東湖進(jìn)行換水，讓死水變活水，形成良性循環(huán)的生態(tài)水網(wǎng)。同時大力發(fā)展水經(jīng)濟，實現(xiàn)在污染中治理，在治理中發(fā)展，在發(fā)展中美化環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭文啟.張祥偉.現(xiàn)代水環(huán)境質(zhì)量評價理論與方法[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 宋新山.MATLAB在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3] 丁桑嵐.環(huán)境評價概論[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4] Johnson，R.A.Wichern，D.W.實用多元統(tǒng)計分析[M].清華大學(xué)出版社，2008.endprint