基于主成分和模糊數學法的白洋淀水質評價

賈艷樂 (白洋淀流域生態環境保障中心，河北 石家莊 050000)

0 引言

湖泊作為自然濕地的重要組成部分，具有防洪滯瀝、蓄養水源、調節氣候等生態價值。然而，隨著經濟社會的迅速發展，工農業生產過程中大量污染物的匯入以及圍湖造田，水產養殖等，嚴重破壞了湖泊生態系統，結果導致水體富營養化、有機污染、沼澤化、湖面萎縮等環境問題。因此，分析影響湖泊污染機理和主要影響因子，對于保護湖泊水生態環境，防治水質污染具有十分重要的意義。

主成分分析法也稱為主變量分析法，旨在利用降維的思想，將較多的指標轉化為少數幾個綜合指標，即從原始變量中導出少數幾個主成分，使其盡可能多地保留原始變量的信息，且彼此互不相關[1]。主成分分析可以避免評價因子選擇的隨意性，使評價結果更客觀[2]。模糊綜合評價法基于模糊數學的隸屬度理論，把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。它具有結果清晰，系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決[3]。

水環境作為一類多因素控制的復雜現象。評價其質量的好與壞，需要盡量將這些控制因素綜合起來考慮，得到更切實際的評價結果[4]。本文將主成分分析法與模糊數學法相結合，以白洋淀為研究對象，力求客觀選取評價因子，為湖泊水環境治理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

白洋淀，素有“華北明珠”之美譽，屬海河流域大清河南支水系湖泊，由143個相互聯系的大小淀泊組成，總面積366 km2，是河北省最大的湖泊。2017年國家設立雄安新區，至此，白洋淀大部分為雄安新區所轄，成為雄安新區發展的重要生態水體。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品的采集與測定

于2018年3月、4月、5月、6月下旬在白洋淀南劉莊、燒車淀、王家寨、棗林莊、圈頭、采蒲臺、端村、光淀張莊8個斷面采集水樣，監測pH值、DO、CODMn、CODcr、NH3-N、TN、TP、Chla、氟化物、石 油類、電導率、透明度共12項指標，水樣的采集、保存和測定按照《水和廢水監測分析方法》(第4版)進行。

1.2.2 主成分分析

采用SPSS22.0進行主成分分析，具體步驟參照文獻[5-7]。

(1)主成分分析指標。本文選取pH值、DO、CODMn、CODcr、NH3-N、TN、TP、Chla、氟化物、石油類、電導率、透明度共12項指標進行主成分分析。

(2)數據的KMO(KaiSer-Meyer-Olkin)與Bartlett檢驗。在主成分分析之前，將監測數據進行KMO與Bartlett檢驗，KaiSer-Meyer-Olkin測量取樣適當性為0.599＞0.500，Bartlett球形檢驗顯著性＜0.05，數據總體呈正態分布，適合做主成分分析。

(3)提取主成分。利用SPSS22.0軟件對數據進行分析，將數據導入軟件，調用因子分析函數提取主成分，當各主成分特征值均大于1且累計方差占比大于85%時，可以利用提取的主成分表征所有原始變量的主要信息。

1.2.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法具體步驟參照文獻[8-10]。

(1)確定評價因子集。參與評價的m個污染因子的實測濃度組成的集合：

(2)建立評價標準集。

式中：V為各個污染因子相應的環境質量等級的集合。

(3)建立隸屬函數。隸屬函數R參照文獻[11-12]確定。

(4)建立權重矩陣A。權重矩陣A參照文獻[13]。

(5)建立模糊評價模型D。按照模糊矩陣的運算規則，將模糊矩陣R與權重矩陣A進行模糊運算，得出模糊評價函數D=A·R，得出D={D1,D2, …,Dn}，根據隸屬度最大值原則，取maxD為評價因子級別。

2 結果與討論

2.1 評價因子的確定

將8個斷面的12項水質監測結果作為初選評價因子，導入SPSS22.0軟件，調用因子分析函數確定主成分。提取了5個主成分特征值均大于1，累計方差占比大于85%。其中第1主成分與NH3-N、BOD5顯著相關，表征水體受可生化降解耗氧污染物污染；第2主成分與CODcr、CODMn顯著相關，表征水體受耗氧性物質污染；第3主成分與氟化物、電導率顯著相關，表征水體鹽漬化；第4主成分與TN、TP顯著相關，表征水體富營養化特征；第5主成分與葉綠素顯著相關，表征水體藻類特征指標。綜上所述，選取NH3-N、BOD5、CODcr、TN、TP 共 5 項指標進行綜合水質分析。

2.2 水質評價因子分析

5項評價因子中，除TN濃度最大值劣于Ⅴ類水質標準外，其余評價因子均優于Ⅴ水質標準。各斷面NH3-N、TP濃度標準偏差較小，說明這兩種污染物在各淀區分布比較均勻；各淀區化學需氧量和總氮濃度的標準偏差較大，說明這些污染物在各淀區分布不均勻，宜采用分時間、分區域施治的策略。有資料表明，水體TN濃度高于0.20 mg/L時，存在發生富營養化風險[14]，尤其是南劉莊斷面，屬于劣Ⅴ類水質，其原因是南劉莊位于府河污水入淀口，長期接納來自保定市生活污水和工業廢水，水體污染嚴重，水體富營養化風險較高，這與徐爽等[15]、陽小蘭等[16]的研究結果相同；南劉莊氮磷比在34～45之間，當N/P＞30，TP是其富營養化的限制因子[17]，CODcr和BOD5的濃度最大值均出現在4月份的南劉莊，因此要加強入淀河流府河的治理，嚴密排查河流兩岸污染源，降低入淀河流氮磷營養鹽和耗氧性物質負荷。

2.3 水質評價因子權重計算結果

經計算，從各斷面水質評價因子權重來看，總體上TN的權重最高，其次是CODcr和BOD5，NH3-N和TP權重較低，說明水體受TN和耗氧性物質的污染嚴重。有資料表明[18-19]，水體污染來源可分為外源匯入和內源釋放，對白洋淀來說，其外源匯入主要指污染物隨府河等入淀河流匯入、淀中村生活污水的排入、旅游業和餐飲業的廢水及船只油類的泄漏；內源指污染物自底泥向上覆水中釋放，端村、王家寨為網箱養殖區或畜禽養殖區，養殖過程中投放的餌料對水體造成嚴重污染，餌料沉積到底泥后成為氮磷營養鹽和耗氧性物質的蓄積庫，在一定條件下向上覆水釋放，對水體造成二次污染；采蒲臺屬于開放水面，蒲草和蘆葦茂盛，3、4月份，蒲草和蘆葦尚未生長，往年植物根部的腐爛會導致水體中污染物濃度升高；總氮和耗氧性物質濃度最大值均出現在4月份的南劉莊，南劉莊位于府河入淀口，府河歷來水體污染嚴重，雖然隨著水體的流動稀釋、降解、沉淀，污染物濃度有所降低，但是到達其他淀區時，仍然有較高的濃度。因此要加強入淀河流府河的管控，對河流兩岸的污染源進行嚴密排查整治，同時減少生活污水入淀，農業生產中減少氮肥的使用，防止氮營養鹽隨地表徑流進入水體。

2.4 模糊綜合評價結果

南劉莊水體污染最嚴重，4個月均為Ⅴ類水體，棗林莊、光淀張莊處于白洋淀下游，距離河流入淀口較遠，圈頭為純水區域，人為干擾較少，這3個區域水質總體處于Ⅲ和Ⅳ之間，水質較好；采蒲臺斷面蘆葦和蒲草生長茂盛而聞名，但是3、4月屬于種植期和5月份屬于展葉期，自凈能力有限，且往年植物根部在水中腐爛造成水體氮磷營養鹽和耗氧性物質濃度升高；王家寨屬于旅游區，5、6月份天氣轉暖，旅游業開始興旺，游客量增加，餐飲服務業會加重水體污染。

采用同一月份不同斷面隸屬度的均值做水質類別評價分析，結果表明，3月和6月，白洋淀水體水質為Ⅳ類，4月和5月達到Ⅲ類水質標準。有資料表明[20]，4—6月份，“南水北調”中線工程、王快水庫和西大洋水庫對白洋淀開展了生態補水，這可能是4月和5月白洋淀整體水質得到改善的原因，而6月份水質為Ⅳ類，可見通過生態補水這種“輸血”方式只能一時改善水質，而污染物總負荷不變，要想長遠改善水質，要切斷“外源”輸入和進行“內源”治理，外源輸入方面，加強入淀河流的治理，減少通過河流進入淀區的氮磷營養鹽和耗氧性物質的總量；內源方面，通過底泥疏浚的形式減少污染物負荷，防止污染物的釋放對水體的二次污染。

3 結語

(1)白洋淀 NH3-N、BOD5、CODcr、TN、TP 這 5 項監測指標中，除了TN濃度最大值劣于Ⅴ類水質標準外，其余評價因子均優于Ⅴ水質標準。各斷面NH3-N、TP濃度標準偏差較小，說明這兩種污染物在各淀區分布比較均勻；耗氧性物質和總氮濃度的標準偏差較大，說明這些污染物在各淀區分布不均勻，宜采用分時間、分區域施治的策略。

(2)白洋淀水體主要污染物為TN和耗氧性物質，尤其是處于府河入淀口的南劉莊水域，污染物濃度最高，府河接納保定市生活污水和工業廢水，水質較差，應降低通過府河進入淀區的污染物總量。

(3)白洋淀水質整體處于Ⅲ類和Ⅳ類，生態補水能暫時緩解污染狀況，需通過切斷“外源”和“內源”治理相結合的形式，削減淀區污染物負荷，達到長遠改善水質的目的。