主成分分析在南太湖水質(zhì)參數(shù)評價中的應(yīng)用

朱渝芬，王志高

(1.長興縣環(huán)境保護監(jiān)測站，浙江長興 3 13100;2.長興縣市場監(jiān)督管理局，浙江長興 3 13100)

太湖位于長江中下游地區(qū)，是中國的第3大淡水湖，面積約2 428 km2，平均水深1.9 m，湖泊總蓄水量為4.43×109m3，是典型的淺碟形湖泊［1］。南太湖一般是指位于浙江省內(nèi)的沿岸部分湖面，西北至長興與宜興交界處，東南方至吳興縣與吳江區(qū)交界處，水域面積約300 km2，湖岸線長 64 km［2］。

近年來，由于太湖流域旅游業(yè)和周邊工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，太湖水質(zhì)不斷惡化，已處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，某些水域已面臨水質(zhì)型缺水［3-5］。太湖環(huán)境的不斷惡化，尤其是富營養(yǎng)化程度的加重，造成湖泊魚類種類減少，魚群出現(xiàn)小型化、低齡化、雜魚化［6］，嚴重影響太湖水環(huán)境的生態(tài)平衡，造成水體自凈能力下降，水質(zhì)進一步惡化。“十一五”以來，南太湖污染治理的各項工程相繼啟動，但仍舊任重道遠。長興縣在全縣選取設(shè)置了49個采樣點，每月分上中下旬3次分別對采樣點進行取水分析，以全面掌握南太湖水質(zhì)評價因子的動態(tài)變化情況。

在探討影響太湖水質(zhì)關(guān)鍵因素方面，馮健等［7］，李一平等［8］，張緒美等［9］分別采用主成分分析法和因子分析方法對整個太湖水質(zhì)進行了分析。主成分分析方法將原眾多原變量組成少數(shù)的獨立新變量，并用較少的具有代表性的因子概括多維變量所包含的信息，在水資源和水環(huán)境研究中得到較多應(yīng)用［11-12］。本文選取包漾河、夾浦、合溪、新塘和楊家浦5個采樣點的數(shù)據(jù)，運用主成分分析方法探討眾多水質(zhì)評價因子對水質(zhì)影響的大小，為今后南太湖水質(zhì)檢測和評價工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選用2011-2014年9-10月長興縣境內(nèi)5個太湖水質(zhì)采樣點的120組數(shù)據(jù)進行分析。各采樣點樣品的采集和測試均由長興縣環(huán)境保護監(jiān)測站完成，測定方法參照文獻 ［12］。采樣點分別位于長興縣境內(nèi)的包漾河、夾浦、合溪、新塘和楊家浦，所在河流分別為金沙澗、夾浦港、合溪新港、長興港、楊家浦港，均屬長興平原水系。其中，包漾河為飲用水保護區(qū)，其余為多功能區(qū)，具體分布見圖1。水質(zhì)參數(shù)主要有pH值、DO、CODMn、總磷、氨氮和總氮6個指標。

圖1 采樣點的位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

對5個采樣點的6個變量進行主成分分析，并探討其與南太湖水質(zhì)的相關(guān)性。主成分分析過程在SPSS 13.0軟件包中進行［13］，統(tǒng)計累計貢獻率最高的主成分中各因子的參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上展開相關(guān)討論。

2 結(jié)果與分析

將各指標對太湖水質(zhì)的影響進行主成分分析，結(jié)果如表1所示。第1主成分和第2主成分累計貢獻率達98.929%，已經(jīng)代表了主要的原始信息，因此選取前2個主成分進行分析。其中第1主成分特征值為104.539，貢獻率達96.223%，最具分析價值。第2主成分特征值為2.594，貢獻率達2.706%。

表1 各主成分的特征值、貢獻值和累計貢獻值

水質(zhì)各指標對各成分的得分結(jié)果如表2所示。第1主成分中各因子得分均比較高，可見各因子對主成分1均起著重要的作用，得分依次為pH值、總磷、氨氮、DO、總氮和CODMn。其中，與第1主成分密切相關(guān)的正載荷量因子有pH值、DO和CODMn，其余3個為負載荷量因子。總磷、氨氮和總氮是反映水體富營養(yǎng)化程度的重要指標，這3個因子在水體中含量的增加會刺激水生生物量的增加，導(dǎo)致DO快速下降。DO在第1主成分和第2主成分中得分均較高，可見DO是水質(zhì)評價的重要指標之一。同樣，pH值在第1主成分和第2主成分中的得分都很高，尤其在第1主成分中的得分最高。根據(jù)主成分分析結(jié)果，pH值是影響水質(zhì)評價的極重要的指標。CODMn的高低反映了水體受工業(yè)污染的輕重，但主成分分析結(jié)果顯示，CODMn在第1主成分和第2主成分得分較其他指標低，比其他評價指標對水質(zhì)評價的影響小。

表2 主成分得分系數(shù)矩陣

3 小結(jié)和討論

主成分分析結(jié)果顯示，第1主成分已代表了主要原始信息，且第1主成分中各評價因子均有較高的得分，可見本次研究選取的6個水質(zhì)因子在南太湖水質(zhì)評價中都非常重要。pH值是水質(zhì)的一個綜合性指標，pH值的高低直接關(guān)系水生生物的代謝活動，其值直接反映水生生物的生存環(huán)境質(zhì)量。水體中氮、磷營養(yǎng)鹽、水生生物及溶解氧的變化都會導(dǎo)致水體pH值發(fā)生變化，可以說pH值是各因子變化的綜合體現(xiàn)。在本次研究中，pH值在第1主成分中得分最高，也說明了其在南太湖水質(zhì)評價中的重要性。總磷和氨氮在第1主成分中得分靠前，說明氮、磷營養(yǎng)鹽是南太湖水質(zhì)評價中非常重要的指標，營養(yǎng)鹽濃度的升高會導(dǎo)致太湖水體富營養(yǎng)化，藍藻類水生生物在富營養(yǎng)化的水體中將大量繁殖，在大量消耗營養(yǎng)鹽的同時，也快速降低了水中的溶解氧濃度，并會引起其他水生生物的非正常死亡，進一步惡化水質(zhì)。DO在第1主成分中的得分也較高，說明其與pH、總磷和氨氮一樣是水質(zhì)評價中的重要指標。同時，DO值直接反映了水體環(huán)境中溶解氧的濃度，與pH值一樣是水質(zhì)評價因子綜合變化后的表現(xiàn)，能直觀表現(xiàn)水體質(zhì)量的優(yōu)劣。總氮在第1主成分中得分排在pH值、總磷、氨氮和DO之后，但得分同樣較高。總氮在水體中主要以氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和有機氮等形式存在，有機氮通過氧化和微生物活動可轉(zhuǎn)化為氨氮，氨氮在好氧情況下又可被硝化細菌氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，氨氮含量在很大程度上影響著總氮的含量。CODMn反映了水體受工業(yè)污染的輕重，由于采樣點中有4個點位于河流入湖口，1個點位于飲用水源區(qū)，受工業(yè)污染較輕，因此在第1主成分中得分排名靠后，但其對水質(zhì)的影響仍不可忽略。

長興南太湖沿岸輕紡業(yè)是一個傳統(tǒng)的優(yōu)勢行業(yè)。近年來，由于對高能耗、高污染的企業(yè)進行了嚴格控制和逐步淘汰，新設(shè)企業(yè)須按規(guī)定布設(shè)污水管網(wǎng)，污水集中處理排放，太湖水質(zhì)正在逐步好轉(zhuǎn)。本次研究結(jié)果顯示，各因子對水質(zhì)影響的大小依次為pH值、總磷、氨氮、DO、總氮和CODMn。但由于本研究選取的水質(zhì)評價因子偏少，分析還不夠全面，這需要在今后的研究工作中進一步完善。

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