云南高原小湖泊水質空間分布特征研究

張軍莉，趙 磊，聶菊芬

（1.云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室，云南省環境科學研究院，云南昆明650034）

云南高原小湖泊水質空間分布特征研究

張軍莉，趙 磊，聶菊芬

（1.云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室，云南省環境科學研究院，云南昆明650034）

針對云南省內較少關注的水面面積＜30km2的小湖泊開展了調查工作，以調查所得的水質數據為基礎，采用多因子分析方法和ArcGIS的統計分析方法，對云南省內的20個小湖泊的水質進行綜合評價，并以評價結果為基礎，結合ArcGIS的統計分析工具，進一步對云南省小湖泊的水質空間分布特征進行探索研究。結果發現，云南湖泊空間分布呈現出相對集中的特征，小湖泊水質狀況也呈現集中分布的特點。滇東南片區的湖泊形成一個冷點區域，即滇東南三個湖泊的水質均較差。滇西北的大理和麗江區域形成一個熱點區域，以茈碧湖為代表的湖泊水質總體保持較好。

水質；多元分析；空間分布；高原湖泊；云南

0 引言

自20世紀50年代至今，全國通過兩次湖泊調查已獲得全國范圍內的湖泊數量、面積和空間分布狀況。云貴高原湖區 （含云南、貴州、四川、重慶）是我國五大湖區之一［1］。第二次全國湖泊調查結果顯示，云貴高原湖區面積＞1km2的湖泊有65個，其中云南省境內有31個，約占整個云貴高原湖區總數的48%。云南省境內擁有云貴高原湖區接近半數的湖泊，其中湖泊面積＞10km2的湖泊有11個，面積＞1km2但＜10km2的湖泊有20個［2］。

云南高原湖泊的調查研究工作開始較早，但對面積＜10km2小湖泊的研究相對缺乏。20世紀50年代，黎尚豪等首次開展云南高原湖泊的調查，對云南境內11個湖泊的分布成因、湖水的理化性質、生物學特征等進行了研究［3］。隨著我國湖泊科學研究的深入，萬國江等、許其功等、于洋等、倪兆奎等均開展了對云貴高原湖泊水化學、富營養化狀況的研究、分析及評價工作［4－7］。以上的研究均以云南境內面積＞10km2的湖泊為主。同時，湖泊以水質為基礎的空間分布研究多以湖泊水面水質空間分布為主［8－10］，國家級和區域級的大尺度研究不多［11－12］，中尺度 （如省級）的研究較少［13］。云南省向來重視高原湖泊的保護，專門成立了云南省九大高原湖泊水污染綜合防治領導小組，開展針對云南省境內面積＞30km2的九個高原湖泊的研究、保護和管理工作。因此，關于九大高原湖泊的研究較為廣泛和深入，且開展了定期的水質監測工作。但是，針對云南省境內面積＜30km2的湖泊，特別是對面積＜10km2湖泊的研究和管理相對缺乏。然而，云南省境內眾多的小湖泊具有灌溉、供水、航運、養殖、發電等多種功能，對于湖泊流域內人們的經濟、生活等方面均有至關重要的作用。鑒于此，開展云南省小湖泊調查研究工作意義重大，可填補在云南進一步開展小湖泊研究的空白。

本文在云南小湖泊調查的基礎上，以開展的20個小湖泊調查的水質監測數據為基礎，對小湖泊水質采用因子分析方法進行水質的綜合評價，并采用ArcGIS的統計分析方法，分析云南省境內小湖泊水質狀況的空間分布特征，為下一步開展云南小湖泊的研究、保護和管理奠定基礎。

1 云南小湖泊的基本情況及空間分布

本次調查了云南省境內湖泊水面面積＜30km2的小湖泊，共計20個。被調查小湖泊基本情況見表1。

由于云南省特殊的地質構造條件，湖泊空間分布呈現出相對集中的特征。黎尚豪、楊留法等早期的調查發現［3，14］，云南高原湖泊的分布與滇東山字型 （云南弧）構造密切相關，主要分布在滇東山字型構造的弧頂、兩翼和脊柱部分的斷裂帶上，湖泊長軸方向與斷裂構造線方向一致，隨斷裂方向的變化而變化。總體來說，湖泊分布大多集中在昆明凹陷地區，且在橫斷山脈東部區域亦分布有小湖群。云南小湖泊的空間分布見圖1。從圖1上看，云南省小湖泊分布相對集中，主要集中在滇西北、滇東和滇東南區域。

表1 云南小湖泊的基本情況

2 研究方法

2.1 因子分析法

因子分析由Charles Spearman在1904年首次提出，通過研究多個變量間相關系數矩陣 （或協方差矩陣）的內部依賴關系，找出能綜合所有變量主要信息的少數幾個隨機變量，通常稱為因子。各個因子間互不相關，所有變量都可以表示成公因子的線性組合。因子分析的目的就是減少變量的數目，用少數因子代替多有變量去分析整個問題［15］。

水質評價是一個多指標的綜合評價。因子分析法廣泛用于水質的綜合評價中，以解決水質多指標綜合評價帶來的難度和工作量。同時，因子分析法在水質的綜合評價中，根據提取的公因子的累積貢獻率大小和公因子中變量載荷的大小，對影響水質的主要污染類型進行分析。單因子評價法是我國目前水質監測公報中判定水質是否達標的主要方法。單因子評價法以參與評價指標中最差水質指標所屬類別作為綜合水質類別，尹海龍等提出單因子評價結論表現為過保護［16］。同時，該方法未考慮到多指標間綜合作用對水質類別的影響。另外，由于水質評價標準中，不同類別評價指標值有一定的區間，可能發生不同樣品雖同屬于同一水質類別，但評價指標值相差較大的現象，不足以客觀反映不同水樣間的水質差異。因子分析法可確保原始數據所攜帶的信息量丟失最少，同時盡量保留所有變量對綜合水質貢獻的情況下，減少評價指標，達到綜合評價的目的，客觀反映不同水質間的差異。在四川江安河［17］、甘肅酒泉地區［18］、四川嘉陵江［19］、天津［20］、遼寧太子河［21］、黃河白銀段［22］、湖北黃柏河［23］、洞庭湖［24］等開展的運用多因子法進行水質綜合評價的結果均顯示：因子分析法是一種將多變量納入同一系統中進行定量化研究且理論較完善的多元統計分析方法，在解決國內外關于地表水污染等其他實際問題時取得了較好效果，且方法簡便，準確率高。該方法盡管無法對水質綜合類別進行判定，但可揭示水質的性質和時空變化規律，同時對水質的主要污染類型進行定性分析。

本文在上述研究的基礎上，采用IBM SPSSS tatistics21軟件對20個湖泊的監測數據進行多元分析處理，分析采用的方法和步驟參考上述文獻和《SPSS統計分析高級教程（第2版）》［15］，文內不再贅述。

2.2 GIS的空間統計分析

隨著地理信息技術的不斷發展，運用ArcGIS軟件的空間分析和統計工具，可直觀地分析云南小湖泊的水質狀況的空間分布特征。ArcGIS軟件的空間分析和統計工具基于地理學第一定律（Tobler' s First Law of Geography，簡稱TFW）：“Everything is related to everything else，but near things aremore related than distant things（任何事物都與其他事物相聯系，但鄰近的事物比較遠事物聯系更為緊密）［25］。該定律由美國地理學家沃爾多－托布勒于1970年發表在 《經濟地理》雜志上。地理學第一定律揭示了地理學中的一個普遍現象，但也存在例外［26］。以因子分析法得到的小湖泊的綜合評價得分為湖泊空間分析的屬性數據，采用ArcMap軟件中的“Analyzing patterns”中的“spatial autocorrelation（Moran's I）”和“Mapping clusters”中的“Cluster and Outlier Analysis（Anselin Local Morans's I）”和“Hot Spot Analysis（Getis－Ord Gi*）”工具，希望對云南高原小湖泊水質的空間分布特征有深入的了解，明確小湖泊水質分布是否呈現出集中、分散或者隨機分布的特征，同時，進一步明確小湖泊水質分布是否出現了熱點區域。Moran's I的結果可揭示出云南省小湖泊水質分布格局，是集中、分散、還是隨機分布［26］，Anselin Local Morans 's I和Hot Spot Analysis可進一步分析單個湖泊水質是如何影響了整體分布格局，并發現湖泊水質與周圍附近湖泊水質好壞的差異［26］。通過分析水質的熱點區域的空間分布，可更好地揭示空間分布特征產生的原因，為下一步有針對性地采取治理和保護措施奠定基礎。

空間統計分析基于ArcMap10.2軟件，分析原理和步驟以Andy Mitchell的著作《The Esri Guide to GIS Analysis Volume2：Spatial Measurementd＆Statistics》為基礎［26］。

3 數據處理

采用的數據主要是云南20個小湖泊調查的水質數據。水質指標包括：溶解氧 （DO）、透明度、氨氮（NH3－N）、硝酸鹽氮（NO3－N）、可溶性總氮（DTN）、總氮（TN）、磷酸鹽（PO4－P）、可溶性總磷（DTP）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總懸浮物（SS）和葉綠素a（chl－a），共計12個水質指標。在進行因子分析時，由于溶解氧和透明度為反向指標，參考李文生等的數據處理方式［21］，將其取倒數后帶入計算。首先對上述數據進行標準化處理（SPSS軟件自動完成），對所得到的相關系數矩陣進行Kaiser－Meyer－Olkin（KMO）和巴特利球形（Bartlett’stest of Sphericity）統計學檢驗；然后再進行統計分析，用回歸因子得分的方法估計因子得分系數，然后對提取的因子載荷矩陣進行正交旋轉，最終得出各主因子得分，以此計算各小湖泊的綜合評價得分。所有的計算都在SPSS軟件下完成（IBM SPSS Statistics21）。小湖泊的綜合評價得分作為小湖泊空間屬性數據加入到ArcMap中，進行湖泊水質的空間分布特征分析。

4 結果分析與討論

4.1 水質單因子評價結果

在進行因子分析前，采用單因子評價法，對照《地表水環境質量標準》（GB3838－2002）就溶解氧（DO）、氨氮（NH3－N）、總氮（TN）、總磷（TP）和高錳酸鹽指數（CODMn）對湖泊水質進行評價。評價結果見表2。

表2 小湖泊水質評價結果

表3 水質數據的描述統計量

KMO和Bartlett球形檢驗結果顯示（表4），各變量間具有相關性，KMO的值為0.575，＞0.5，說明變量間的偏相關性好，可用因子分析法進行分析［15］。

表4 KMO和Bartlett球形檢驗結果

通過表5可看出，特征根＞1的主成分有3個，累積貢獻率達到83.799%。說明該3個主成分包含了全部變量的將近84%的信息，認為其可作為水質狀況描述的指標。

進行方差最大旋轉后，旋轉后的因子載荷矩陣如表6。從表中可看出，第一公因子在可溶性總磷、氨氮、溶解氧、總磷、磷酸鹽、高錳酸鹽指數6個指標有較大的載荷；第二公因子在葉綠素a、透明度、總懸浮顆粒物上有較大載荷；第三公因子在可溶性總氮、硝酸鹽氮和總氮上有較大載荷。從上述3個公因子變量的不同載荷可看出，云南小湖泊主要污染物是磷污染物、氨氮和有機污染。第二公因子表明云南小湖泊正面臨富營養化的威脅。而氮污染物（除氨氮外）對云南小湖泊水質的貢獻略低于磷污染物。

表5 主因子特征值、貢獻率和累積貢獻率

表6 旋轉后的因子載荷矩陣

進行公因子得分計算后結果得云南小湖泊水質評價綜合得分 （表7、圖2）。湖泊公因子的得分也顯示出該湖泊的主要污染物的類型。綜合得分最高的是茈碧湖，最低的是大屯海。換言之，茈碧湖是所調查的小湖泊中水質最好的湖泊，而大屯海是水質最差的湖泊。擺龍海、清水海、長橋湖的氮污染物是影響其水質的主要因素。屬都湖和西湖的磷污染物、氨氮和有機污染對水質的貢獻較大。三角海和普者黑的葉綠素a、透明度和總懸浮物顆粒是影響水質的主要因素。納帕海氮磷污染較為突出。青海湖和大屯海的公因子均為負，說明其水質狀況已低于調查小湖泊的平均水平。

表7 云南小湖泊水質綜合評價得分

4.2 湖泊水質空間分布特征分析

以上述水質綜合評價得分作為湖泊空間數據的屬性值，得到云南小湖泊水質綜合評價圖 （圖3）。

從圖3可直觀地看出云南小湖泊水質狀況的空間分布特征。圖中點越大，說明水質狀況越好，反之則水質狀況越差。滇東南3個湖泊 （三角海、大屯海、長橋湖）水質較差。滇東湖泊水質較滇東南水質狀況好。滇西北大理和麗江片區總體水質較好。滇西北迪慶區域總體水質不如滇東和滇西北的大理和麗江區域。許其功等對云南高原湖泊水質差異性的研究［5］與本研究結論相似。

用ArcGIS軟件的Moran's I工具計算得到云南小湖泊水質Moran's I值為0.516075，標準分數（Z－Score）值為2.377651，假設幾率（Pvalue）為0.017423。從上述3個值分析，由于Z－Score為1.96～2.58，95%可能性顯示，云南小湖泊水質狀況集中分布。

由于各湖泊水質顯示集中分布，使用了Anselin Local Moran's I和Hot Spot Analysis找出集中分布的區域和熱點區域 （圖4～圖7）。圖4中，Anselin Local Moran's I的值越大，湖泊與其周邊湖泊的水質狀況越相似，可能水質都好或都差，而Moran's I的值越小，湖泊與其周邊湖泊的水質狀況越不相似［26］。Z－Score（圖5）顯示有顯著統計意義的集中分布區域，大的正Z－Score值揭示了高值或低值的集中分布區域，而負的Z－Score則表明大值被小值包圍，反之亦然［26］。圖6展示了在何種置信水平下的熱點區域或冷點區域［26］。熱點區域是水質較好湖泊集中的區域，而冷點區域是水質較差湖泊集中分布的區域。圖7進一步明確了各湖泊與其周邊湖泊水質的差異狀況。

將圖3～圖7綜合分析發現，滇東南片區的湖泊，特別是大屯海、長橋湖、三角海Anselin Local Moran's I的值較大，呈現出集中分布的趨勢，由于其水質差，在置信度為95%水平統計上顯著，形成了一個冷點區域。而滇西北大理片區的茈碧湖和海西海的Anselin Local Moran's I的值較大，呈現出集中分布的趨勢，由于其水質好，形成了一個熱點區域，在置信度為90%水平統計上顯著，說明兩湖周邊湖泊水質也較好。滇西北迪慶片區的3個湖泊 （納帕海、屬都湖、碧塔海），滇東的4個湖泊（清水海、海峰濕地、月湖、長湖）未呈現集中分布的趨勢，未形成熱點或冷點區域，說明這兩個片區的湖泊水質相差較大。納帕海水質較屬都湖和碧塔海水質差，長湖、海峰濕地的水質優于月湖和清水海。長湖和月湖地理位置近，但水質差異大，海峰濕地和清水海也出現了類似的情況。

統計方法學展示了鄰近湖泊水質的差異現場，除了滇南湖區鄰近湖泊水質較為相似，其它區域未表現出明顯類似的特征，這與地理學第一定律既相符又相悖。然而，這正反映了影響高原湖泊水質因素的復雜性和多樣性。吳峰等通過對中國22個湖泊的研究發現，中國湖泊富營養化的主要驅動力是地球表征特征、氣象要素、生物因子與人類經濟活動四個方面［27］。陶文東提出由于云南高原地勢由北向南的逐級下降，導致云南高原湖泊及其流域自然環境、動植物種類的地域分異，且各湖泊的生物生態和熱力學特征又有一定差異［28］。從對云南小湖泊的現場調查可知，由于云南小湖泊地理分布相對集中，相鄰湖泊的氣象要素、人類經濟活動較為相似，對水質差異明顯的滇東區域、滇西北區域，從另一個側面反映了云南高原湖泊地球表征特征、生物因子的差異可能是導致湖泊水質狀況差異的主要因素，也表明即使是地理位置相鄰近的湖泊也顯示出高原湖泊各自獨特的自然和生物條件。

5 結論

云南高原湖泊是云南省極為寶貴的自然資源，在社會經濟的發展中起著重要的支撐作用。其獨特的地理位置和自然環境狀況，使得云南高原湖泊群成為中國湖泊中獨特的湖泊群，擁有與其他中國四大湖泊群不同的特點。小湖泊 （湖面面積 ＜30km2）在云南高原湖泊群中占了絕對的優勢，然而，針對小湖泊保護和管理等方面的研究較少。隨著云南社會經濟的快速發展，了解云南小湖泊的現狀，加強云南小湖泊的保護和管理已經刻不容緩。本文在云南省第一次小湖泊調查的基礎上，對調查的20個小湖泊的水質進行多元綜合評價，并在此基礎上將云南小湖泊作為一個整體對其水質的空間分布特征進行分析。研究顯示：

（1）調查的20個小湖泊中，茈碧湖水質綜合評價得分最高，水質最好，大屯海水質綜合評價得分最低，水質最差。

（2）滇東南3個湖泊 （三角海、大屯海、長橋湖）水質較差。滇東湖泊水質較滇東南水質狀況好。滇西北大理和麗江片區總體水質較好。滇西北迪慶區域總體水質不如滇東和滇西北的大理和麗江區域。

（3）湖泊水質呈現集中分布的特征。滇東南片區的湖泊形成一個冷點區域，即滇東南3個湖泊的水質均較差。滇西北的大理和麗江區域形成一個熱點區域，以茈碧湖為代表的湖泊水質總體較好。

（4）研究表明，云南高原湖泊地球表征特征、生物因子的差異可能是導致湖泊水質狀況差異的主要因素，也表明即使是地理位置相鄰近的湖泊也顯示出高原湖泊各自獨特的自然和生物條件。

（5）滇西北迪慶片區湖泊群水質狀況堪憂，應引起足夠的重視。納帕海、屬都湖和碧塔海3個湖泊水質差異大，屬都湖水質最好，納帕海水質最差。從水質綜合評價得分看，3個湖泊水質排名偏后，且碧塔海和納帕海水質總體已低于所有湖泊綜合得分的平均水平。迪慶是云南滇西北區域，也是云南海拔最高的區域，隨著近年來旅游業的不斷發展，湖泊水質正面臨惡化的風險，應當引起足夠的重視。

目前，除了云南九大高原湖泊外，被調查的湖泊多數均暫無常規的水質監測數據，文中以一次水質調查數據為基礎進行分析，在一定程度上結果有失偏頗。但是，由于水質采樣和分析方法均嚴格按照國家相關規定及要求開展，水質數據能夠反映被調查湖泊在某一特定時期的水質現狀。

［1］王蘇民，竇鴻身.中國湖泊志 ［M］.北京：科學出版社，1998.

［2］馬榮華，楊桂山.中國湖泊的數量，面積與空間分布 ［J］.中國科學：地球科學，2011，41（3）：394－401.

［3］黎尚豪，俞敏娟，李光正，等.云南高原湖泊調查 ［J］.海洋與湖沼，1963，5（2）：87－114.

［4］萬國江，徐義芳，李蓀蓉，等.云貴高原若干湖泊水庫水化學組分研究［J］.環境科學叢書，1988，9（3）：37－50.

［5］許其功，席北斗，曹金玲，等.中國湖泊富營養化及其區域差異［M］.北京：科學出版社，2013.

［6］于洋，張民，錢善勤，李大命，等.云貴高原湖泊水質現狀及演變［J］.湖泊科學，2010，22（6）：820－828.

［7］倪兆奎，王圣瑞，金相燦，等.云貴高原典型湖泊富營養化演變過程及特征研究［J］.環境科學學報，2011，31（12）：2681－2689.

［8］方濤，敖鴻毅，劉劍彤，等.滇池水體理化環境狀況時空分布格局研究［J］.水生生物學報，2004，28（2）：124－130.

［9］彭文啟，王世巖，劉曉波.洱海水質評價 ［J］.中國水利水電科學研究院學報，2005，3（3）：192－198.

［10］李欽欽，胡維平，鄧建才.基于因子分析的太湖湖灣污染物分布特征［J］.環境科學與技術，2011，34（7）：1－5.

［11］曹金玲，許其功，席北斗，等.我國湖泊富營養化相關指標的空間分布特征［J］.環境工程技術學報，2012，2（4）：284－289.

［12］廖劍宇，王圣瑞，楊蘇文，等.東部平原不同類型湖泊沉積物中有機磷的特征［J］.環境科學研究，2010，23（9）：1142－1150.

［13］劉總堂，李春海，章鋼婭.運用主成分分析法研究云南湖庫水體中重金屬分布［J］.環境科學研究，2010，23（4）：459－466.

［14］楊留法.云南高原湖泊的成因類型及其分布規律的初步探討［J］.海洋湖沼通報，1984（1）：34－39.

［15］張文彤，董偉.SPSS統計分析高級教程［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［16］尹海龍，徐祖信.河流綜合水質評價方法比較研究［J］.長江流域資源與環境，2008，17（5）：729－733.

［17］道里剛，唐亞，王安.因子分析法在江安河地表水水質評價中的應用［J］.四川環境，2004，23（2）：75－77.

［18］陳東景，馬安青，徐中民，等.因子分析法在水質評價中的應用［J］.水文，2002，22（3）：29－31.

［19］申明金，曹洪斌.因子分析法在水質評價中的應用［J］.環境科學與管理，2013，38（1）：192－194.

［20］張驥，高翔，周晶.因子分析法在天津市主要河流水質污染程度綜合評價中的應用［J］.安全與環境工程，2013，20（1）：65－68.

［21］李文生，許士國.基于因子分析的水質綜合指標評價法及其應用［J］.中北大學學報：自然科學版，2011，27（3）：207－211.

［22］楊蘇才，南忠仁，牛亞萍，等.因子分析在水質評價與成因分析中的應用［J］.人民黃河，2006，28（5）：37－39.

［23］張彩香，王焰新，張兆年.因子分析法在黃柏河下游水質評價中的應用［J］.水資源保護，2005，21（4）：11－14.

［24］王麗婧，汪星，劉錄三，等.洞庭湖水質因子的多元分析［J］.環境科學研究，2013，26（1）：1－7.

［25］ToblerW.A Computer Movie Simulating Urban Growth in the Detroit region［J］.Economic Geography，1970，46（2）：234－240.

［26］Mitchell，A.The ESRIguide to GISanalysis，Volume 2：Spatial Measurements and Statistics［M］.Redlands.CA：ESRI Press，2005.

［27］吳鋒，戰金艷，鄧祥征，等.中國湖泊富營養化影響因素研究——基于中國22個湖泊實證分析 ［J］.生態環境學報，2012，21（1）：94－100.

［28］陶文東.云南高原湖泊環境的獨特性及其研究方向初探［J］.云南環境科學，1999，18（3）：1－3.

Research on Spatial Distribution of W ater Qualities of Small Lakes in Yunnan Province

ZHANG Jun－li，ZHAO Lei，NIE Ju－fen
（Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake－watershed，Yunnan Institute of Environmental Science，Kunming Yunnan 650034，China）

Yun－Gui plateau lake region is one of the five largest lake regions in China.Yunnan province has the most of the lakes among four provinces and cities in Yun－Guiplateau lakes.Much attention has been paid to those lakeswith the water surface larger than 30km2 in Yunnan province.However，the small lakes have been neglected.A survey on small lakes in Yunnan has been conducted.Based on the water quality data of twenty small lakes obtained during the survey，thewater quality of these investigated lakes has been evaluated.Meanwhile，the spatial distribution of water qualities of these lakes was explored.Multivariate analysis based on SPSS 21.0 was borrowed to assess thewater qualities of lakes.The statistic tools based on ArcGISsoftwarewere applied to explore the spatial distribution ofwater qualities of small lakes in a provincial scale.The results showed that Cibi Lake has the best water quality than other lakes.The water quality of Datunhai Lake ranks the last.The spatial distribution of small lakes in Yunnan was clustered geographically.The water qualities of these lakes indicated a clustered distribution aswell.Three lakes in the south－eastern Yunnan formed a cold area，whichmeant that thewater qualities of these lakes were all bad.However，Daliand Lijiang areas in the north－west Yunnan produced a hot spot，which indicated a cluster of all good water qualities of small lakes near each other.

water quality；multivariate analysis；spatial distribution；plateau lake；Yunnan

X52

A

1673－9655（2015）02－0026－09

2014－11－12