基于主成分分析法在于橋水庫水質評價中的應用

王娟娟 張素青 王寶峰 王德興 王秀芹 杜樂

摘要：為評價天津市于橋水庫水質狀況，試驗于2021年選取水庫7個監測站位，對站位水樣中的高錳酸鹽指數、總氮、總磷、石油類、溶解氧、pH、葉綠素a進行監測。運用SPSS軟件對監測數據進行主成分分析，結果顯示，于橋水庫污染程度從重到輕為：頂點＞下游（北）＞下游（南）＞上游（北）＞中游（北）＞上游（南）＞中游（南），頂點站位、水庫下游及北部站位受高錳酸鹽指數、氮、磷、石油類等污染影響較大，水庫南部站位受污染影響較小。

關鍵詞：主成分分析；水質；于橋水庫

中圖分類號：P343

文獻標識碼：A

于橋水庫位于天津市薊州區以東、薊運河左支流州河的上游，始建于1959年12月，水庫地形狹長，最大庫容13億m3，淹沒面積為216 km2[1]，

控制流域面積2 060 km2。周圍的淋河、沙河、黎河等河流在這里匯聚，是引灤入津工程重要的調蓄水庫[2]，為天津市經濟、社會發展做出了重要貢獻，也對當地的水循環、水生生物的繁衍發揮了重要作用。

近幾年，隨著中國污染防治攻堅戰的打響，生態環境保護從認識到實踐都發生了歷史性的改變，水環境評價已經成為中國環境保護領域的重要內容。中國的水質評價工作始于20世紀70年代[3]，目前常用的水質評價方法有多種，主要為單因子評價法、綜合污染指數法、內梅羅水污染指數法、分級加權平均法、模糊評價法等。主成分分析法使用一種降維的統計方法，將多個變量信息壓縮為少數幾個能夠反映原問題特征的綜合變量，此方法能夠最大限度地保留原始信息，并對多項變量進行綜合與簡化，減少了原始信息的損失，同時能避免人為主觀因素的影響。本研究通過采用主成分分析法對于橋水庫水質進行合理評價，研究水庫水質狀況，不僅對水庫水質的生態修復提供數據支撐，也為大水面水域的可持續科學利用起到指導作用。

1? 采樣與監測項目

1.1? ?水質監測采樣

在于橋水庫共設置監測站位7個（圖1）。采樣時間為2021年5月、7月、9月。

圖1? 于橋水庫水質監測區域及站位

1.2? ?水質監測

監測項目：高錳酸鹽指數、總氮、總磷、石油類、溶解氧、pH、葉綠素a。

樣品采集和檢測方法按照《SC/T 9102.3-2007-漁業生態環境監測規范 第3部分：淡水》執行。

2? 數據分析

通過統計軟件SPSS對數據進行主成分分析。選取各監測站位5月、7月、9月的平均數據進行標準化處理，選取7個指標進行分析評價。分別為：高錳酸鹽指數（X1）、總氮（X2）、總磷（X3）、石油類（X4）、pH（X5）、溶解氧（X6）、葉綠素a（X7）。各站位監測均值見表1，標準化處理后的數據見表2。

通過SPSS計算得到解釋的總方差（表3）。按特征值大于1的選取原則，提取出相互獨立的主成分，選取初始特征值累計百分比達到80%～85%以上的λ值，顯示第1、第2、第3主成分其方差貢獻率分別為48.063%、18.941%、14.665%，其累計方差貢獻率為81.668%，即這3個主成分包含了監測指標的81.668%，可以較為全面地反映于橋水庫的環境狀況。

初始因子荷載矩陣由SPSS分析直接得到（表4）。由初始因子載荷矩陣除以主成分特征值的平方根可確定主成分載荷矩陣（表5）。主成分載荷矩陣表示各指標與主成分之間的相關性，某項指標與某一主成分荷載數值越大，說明該指標與該主成分的相關性越強。從表4可以看出，高錳酸鹽指數、pH、溶解氧等指標在主成分1上的載荷較大，總氮、石油類、葉綠素a等在主成分2上的荷載較大，總磷在主成分3上的荷載較大。主成分1主要反映的是高錳酸鹽指數、pH、溶解氧等指標的信息，主成分2主要反映的是總氮、石油類、葉綠素a等指標的信息，主成分3主要反映的是總磷的信息。

由主成分載荷矩陣及標準化數據可得出主成分得分及綜合得分函數：

F1=0.285ZX1+0.448ZX2+0.272ZX3-0.198ZX4+

0.535ZX5+0.492ZX6-0.276ZX7

F2=0.327ZX1+0.197ZX2+0.225ZX3+0.773ZX4+

0.071ZX5-0.009ZX6+0.446ZX7

F3=-0.719ZX1+0.399ZX2+0.221ZX3-0.132ZX4+

0.078ZX5+0.048ZX6+0.457ZX7

F=[λ1/（λ1+λ2+λ3）]F1+[λ2/（λ1+λ2+

λ3）]F2+[λ3/（λ1+λ2+λ3）]F3=0.456F1+

0.287F2+0.257F3

3? 結 論

根據評價得分函數，得到各監測站位水質綜合評價結果（表6）。由表6可見，頂點、上游（北）、中游（北）站位F1得分較高，說明該部分站位受高錳酸鹽指數、pH、溶解氧影響較

大；下游（北）、頂點、中游（北）站位F2得分較高，說明該部分站位受總氮、石油類、葉綠素a影響較大；下游（北）、頂點、上游（北）站位F3得分較高，說明該部分站位受總磷影響較大。從主成分綜合得分可以看出，頂點站位綜合得分排名第1，其主成分綜合得分達到5.238，其次是下游監測站位，綜合得分排名第2、第3。上游（南）和中游（南）站位綜合得分為-1.441和-1.745，說明水質較好。

4? 討 論

根據主成分分析的綜合得分，得分越高，污染越嚴重。于橋水庫各站位污染程度從重到輕

為：頂點＞下游（北）＞下游（南）＞上游（北）＞

中游（北）＞上游（南）＞中游（南）。頂點站位和水庫下游及水庫北部站位受高錳酸鹽指數、氮、磷、石油類等污染影響較大，水庫南岸主要為山脈，人口數量相對較少，南部水域受污染影響較小。

影響于橋水庫水質主要因素：一是流域污染源，于橋水庫上游接受黎河、沙河、淋河輸入，接納了周圍農業用水、生活污水及工業廢水。二是庫周環境，于橋水庫下游及北部人口密度大的對應庫區，受人為活動影響，在降雨期通過地表徑流等方式接納生活污水、畜禽養殖污水和農業污水，進而對水庫的水質產生影響。

根據于橋水庫實際情況，可對水庫入庫流域周邊地區點源污染進行治理。一是控制水庫下游及北部周邊城鎮生活污染源，包括農業、農村面源污染，養殖污水污染等；二是加強前置庫的生物凈化功能，通過人工濕地建設，利用水生植物等對水質進行凈化；三是提高水庫自凈化能力，根據水庫天然餌料情況，適當投放細鱗斜頜鲴等土著刮食性魚類；在污染較嚴重庫區適當移植水生植物等。通過綜合治理，進一步恢復于橋水庫生態系統的良性健康循環。

參考文獻

[1]孫金輝，喬之怡，馮洪超，等．于橋水庫浮游動物調查研究[J]．安徽農業科學，2011，39（23）：14141-14143，14151.

[2]呂豪朋，申麗娜．天津于橋水庫流域河流表層沉積物中碳·氮·磷分布及污染評價[J]．安徽農業科學，2017，45（27）：98 -102，167.

[3]廉鐵輝，王釗，王洪翠，等．主成分分析法在海河流域多條河流水質評價分析中的應用[J]．海河水利，2017（2）：29-31，37.