王紅，姚君蘭，李艷薔，KUNG Hsiang-te，陳紅兵

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430062; 3.孟菲斯大學(xué)地球科學(xué)系，田納西州 孟菲斯 38152，美國)

基于主成分分析法的梁子湖水質(zhì)評價分析

王紅1,2，姚君蘭1，李艷薔1，KUNG Hsiang-te3，陳紅兵1

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430062; 3.孟菲斯大學(xué)地球科學(xué)系，田納西州 孟菲斯 38152，美國)

梁子湖；水質(zhì)評價；主成分分析法；克里金插值

0 引言

梁子湖位于湖北省東南部，地處長江中游南岸，跨越武漢、鄂州兩市，北緯30°04′-30°20′,東經(jīng)114°31′-114°42′，平均水深2.54 m，現(xiàn)有水域面積約225 km2，流域面積約2 083 km2，為湖北省第二大淡水湖.梁子湖以其獨特的自然生態(tài)環(huán)境和特殊的地理區(qū)位，成為武漢城市圈的核心區(qū)域，在排澇防洪、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境生態(tài)保護等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用.近年來，隨武漢城市圈的發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水、圍湖造田、網(wǎng)箱養(yǎng)殖等加劇了梁子湖水污染，導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化、湖泊萎縮、濕地減少、水生物種減少等問題，水生態(tài)環(huán)境日益惡化[1].彭有軒等[2]分析梁子湖濕地現(xiàn)狀，提出梁子湖目前的發(fā)展問題.綜合評價水環(huán)境質(zhì)量是水環(huán)境治理中的重要基礎(chǔ)性工作，通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理評價，研究梁子湖水質(zhì)變化，制定科學(xué)規(guī)劃，采取有效整治措施，對梁子湖環(huán)境保護有重要意義.

目前常用的水質(zhì)評價方法有多種.劉暉等[3]利用多元統(tǒng)計方法研究梁子湖采樣數(shù)據(jù)中的微量元素和重金屬，評價梁子湖水質(zhì)及底泥狀況.熊漢鋒等[4]采用室內(nèi)模擬的方法研究梁子湖沉積物N在pH值和溫度控制下釋放的特征.董文龍等[5]采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對梁子湖的富營養(yǎng)化狀態(tài)進行評價.顧自強等[6]依據(jù)其水環(huán)境功能區(qū)劃，對監(jiān)測結(jié)果進行分析.秦云等[7]利用方差分析等研究梁子湖采樣數(shù)據(jù)，分析得出梁子湖的水質(zhì)評價等級.在實際應(yīng)用中，這些方法各具優(yōu)點，但由于水質(zhì)評價涉及水質(zhì)指標(biāo)較多，指標(biāo)之間存在潛在的聯(lián)系，在進行水質(zhì)指標(biāo)綜合評價時有一定的局限性.主成分分析法在確保系統(tǒng)原有數(shù)據(jù)信息量丟失最小的原則下，在各個變量相關(guān)關(guān)系研究基礎(chǔ)上，將多個變量信息壓縮為幾個能反映原問題特征的綜合變量指標(biāo)，并據(jù)此特征信息指標(biāo)對系統(tǒng)進行綜合分析，具有降維、簡化變量的特點，采用此方法可以篩選出水體中的主要污染物指標(biāo)，而將次要的污染物指標(biāo)剔除[8].因此，在環(huán)境統(tǒng)計分析過程中，主成分分析法作為多元統(tǒng)計分析方法之一，在實踐中具有重要的研究意義.

1 水樣采集方法

梁子湖水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計于2012年7月、10月與12月分別采集3次數(shù)據(jù).根據(jù)季節(jié)不同，采樣點數(shù)量略有變化，每次樣點數(shù)均多于40個，采樣點均勻覆蓋湖泊表面.根據(jù)梁子湖湖區(qū)的水文特征，以7月份數(shù)據(jù)代表豐水期，10月份數(shù)據(jù)代表平水期，12月份數(shù)據(jù)代表枯水期，其采樣點位分布如圖1所示.

圖1 梁子湖采樣點分布

2 研究方法

2.1主成分分析法主成分分析法是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)進行定量化研究，且理論比較完善的多元統(tǒng)計分析方法[11].主成分分析法是利用降維思想，把多指標(biāo)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計分析方法，且這少數(shù)幾個綜合指標(biāo)可以反映原來多個變量的大部分信息，其分析步驟如下：

第一步，根據(jù)采樣點，建立原始矩陣；

第二步，因為不同指標(biāo)之間的數(shù)量級以及量綱可能存在差異，需對各個指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其原始變量公式為：

(1)

第三步，計算各個指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣；

第四步，計算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值λ與特征向量，確定主成分.特征值λ在某種程度上可被看成是表示主成分影響力度大小的指標(biāo)，如果特征值λ<1，說明該主成分的解釋力度還不如直接引入一個原變量的平均解釋力度大，因此一般用特征值λ>1作為納入標(biāo)準(zhǔn)[12].

第五步，計算主成分貢獻率及累計貢獻率，確定主成分個數(shù)；

第六步，計算主成分載荷得到綜合函數(shù)并用其評判水質(zhì).

2.2普通克里金插值普通克里金插值實質(zhì)是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點，對未采樣點的區(qū)域化變量值進行線性無偏最優(yōu)估計[13].本研究中基于ArcGIS軟件進行普通克里金插值，經(jīng)過交叉驗證選擇合適的半變異函數(shù)，從而得到插值結(jié)果圖.

3 結(jié)果與分析

3.1梁子湖數(shù)據(jù)預(yù)處理為了消除由于單位不同所帶來的影響，需將原始變量進行標(biāo)準(zhǔn)化處理.本文中采用統(tǒng)計軟件SPSS20，運用KMO檢驗統(tǒng)計量和球形檢驗，分別對2012年7月、10月及12月數(shù)進行處理，計算得到KMO檢驗統(tǒng)計量均大于0.5，Bartlett球形檢驗顯著性概率P值均小于0.01，表明該組指標(biāo)相互不獨立，相關(guān)性較強，適宜進行主成分分析[14](表1).

表1 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)KMO和Bartlett檢驗

3.2綜合水質(zhì)評價函數(shù)

3.2.1 豐水期 綜合水質(zhì)評價函數(shù)是經(jīng)過主成分分析得到的結(jié)果.運用SPSS軟件，將2012年7月份各項水質(zhì)指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，提取相關(guān)系數(shù)矩陣(表2)，并求得該月份各個指標(biāo)解釋的總方差、累計貢獻率(表3)及初始因子荷載(成分)矩陣(表4).初始因子荷載矩陣由SPSS計算得到，而主成分荷載矩陣需用初始因子荷載矩陣中數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)特征值的平方根，求出2個主成分中每個指標(biāo)對應(yīng)的系數(shù)，得到相應(yīng)的主成分荷載矩陣(表5).

表2 2012年7月相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 各個指標(biāo)解釋的總方差和累計貢獻率

表4 2012年7月初始因子荷載矩陣

表5 2012年7月主成分載荷矩陣

F1=0.438 880X1+0.517 277X2+0.580 274X3+0.445 178X4+0.069 997X5

(2)

F2=-0.544 885X1+0.264 334X2-0.108 653X3+0.252 982X4+0.746 784X5

(3)

由各個主成分表達式以及λ1=2.041，λ2=1.521可以得到梁子湖綜合水質(zhì)評價函數(shù)：

F=[λ1/ (λ1+λ2)]F1+[λ2/ (λ1+λ2)]F2=0.572 992 701F1+0.427 007 299F2

(4)

3.2.2 平水期 將2012年10月各項指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化，利用SPSS軟件得到2012年10月相關(guān)系數(shù)矩陣(表6)、2012年10月各項水質(zhì)指標(biāo)解釋的總方差和累計貢獻率(表7)和2012年10月初始因子荷載(成分)矩陣(表8).

F1=0.519 962X1+0.314 678X2+0.520 637X3+0.490 250X4+0.34 5741X5

(5)

F2=0.267 536X1+0.650 972X2-0.327 417X3+0.085 959X4-0.623 929X5

(6)

表6 2012年10月各項水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)矩陣表

表7 各個指標(biāo)解釋的總方差和累計貢獻率

表8 2012年10月初始因子荷載矩陣

表9 2012年10月主成分載荷矩陣

2012年10月梁子湖綜合水質(zhì)評價函數(shù)為：

F=0.671 669 219F1+0.328 330 781F2

(7)

3.2.3 枯水期 將各項指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，利用SPSS生成2012年12月相關(guān)系數(shù)矩陣(表10)、2012年12月各個指標(biāo)解釋的總方差和累計貢獻率(表11)及2012年12月初始因子荷載(成分)矩陣(表12).

表10 2012年12月相關(guān)矩陣

表11 各個指標(biāo)解釋的總方差和累計貢獻率

表12 2012年12月初始因子荷載矩陣

2012年12月份梁子湖綜合水質(zhì)評價函數(shù)為：

F=0.544 943X1+0.533 507X2+0.388 987X3+0.290 837X4-0.427 525X5

(8)

3.3水質(zhì)等級評價將所有采樣點的因子值分別代入主成分分析得到的豐水期綜合水質(zhì)評價函數(shù)(4) 式、平水期綜合水質(zhì)評價函數(shù)(7) 式、枯水期水質(zhì)評價函數(shù)(8) 式，統(tǒng)計得到不同時期每個采樣點的綜合水質(zhì)評價函數(shù)值F.基于ArcGIS軟件，利用地統(tǒng)計分析的普通克里金插值、半變異函數(shù)模型，得到各個時期梁子湖水質(zhì)等級評價圖.

依據(jù)GB 3838-2002，水質(zhì)5個分類因子含量的臨界數(shù)值，結(jié)合經(jīng)過主成分分析得到的2012年7月、10月和12月綜合水質(zhì)評價函數(shù)，分別計算得到豐水期、平水期和枯水期的梁子湖空間水質(zhì)等級分類標(biāo)準(zhǔn)值，分別如表14、表15和表16所示.

表15 平水期水質(zhì)等級評價標(biāo)準(zhǔn)值

表16 枯水期水質(zhì)等級評價標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)表14、表15和表16等級評價標(biāo)準(zhǔn)值對普通克里金插值結(jié)果進行重分類，分別得到豐水期、平水期和枯水期空間水質(zhì)等級分布圖，如圖2所示.

圖2 空間水質(zhì)等級評價

根據(jù)插值結(jié)果，豐水期梁子湖湖區(qū)水質(zhì)類別達到地表水Ⅰ類的監(jiān)測點有3個，水質(zhì)空間分布占總量的2.2%；達到地表水Ⅱ類的監(jiān)測點有6個，占總量的7.3%；達到地表水Ⅲ類的監(jiān)測點有30個，占總量的21.1%；達到地表水Ⅳ類的監(jiān)測點有76個，占總量的54.3%；達到地表水Ⅴ類的監(jiān)測點有33個，占總量的15.1%，豐水期的梁子湖湖區(qū)主要以Ⅳ類水為主.由圖2(a)可以得到，在空間分布上，東部、西部湖區(qū)兩邊水質(zhì)差異明顯，湖心區(qū)域以Ⅳ類水為主；西南部湖口水質(zhì)良好，基本上維持在Ⅱ類和Ⅲ類水質(zhì)；東部和東南部的水質(zhì)基本在Ⅳ類水質(zhì)及以下，空間分布不均勻，尤其是東南的湖區(qū)沿岸水質(zhì)處于V類，水質(zhì)污染較為嚴(yán)重.

平水期梁子湖湖區(qū)水質(zhì)類別達到地表水Ⅲ類的監(jiān)測點有49個，占總量的70.3%；達到地表水Ⅳ類的監(jiān)測點有6個，占總量的29.7%.由圖2(b)可以得到，平水期梁子湖湖區(qū)水質(zhì)主要以Ⅲ類水為主，水質(zhì)空間分布較為均勻，東部、西部湖區(qū)略有差異，北部湖口處及東南部局部區(qū)域水質(zhì)較差，為Ⅳ類水質(zhì).

枯水期梁子湖湖區(qū)水質(zhì)類別達到地表水Ⅱ類的監(jiān)測點有22個，占總量的15.5%；達到地表水Ⅲ類的監(jiān)測點有28個，占總量的41.0%；達到地表水Ⅳ類的監(jiān)測點有7個，占總量的37.3%；達到地表水劣Ⅴ類的監(jiān)測點有1個，占總量的6.2%.由圖2(c)可以得到，枯水期梁子湖湖區(qū)主要以Ⅲ類水和Ⅳ類水為主.同時，梁子湖湖區(qū)水質(zhì)空間差異較明顯，梁子湖湖區(qū)中心水質(zhì)比湖區(qū)邊緣水質(zhì)好，湖區(qū)中心水質(zhì)集中呈現(xiàn)Ⅱ類水質(zhì).湖區(qū)入口處水質(zhì)呈現(xiàn)Ⅲ類和Ⅳ類水質(zhì)，南北存在差異，北部入口處以Ⅲ類水為主，而南入口處水質(zhì)較差為Ⅳ類水.

4 總結(jié)

本文中通過對梁子湖的3個時期的采樣數(shù)據(jù)分析，選取5個主要污染因子進行主成分分析，得到不同時期綜合水質(zhì)評價函數(shù)；依據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對插值結(jié)果進行分類，得到3個時期的梁子湖空間水質(zhì)等級分布圖，并對不同時期梁子湖水質(zhì)進行空間分析.

2) 不同時期，梁子湖的水質(zhì)有明顯的區(qū)域性.整體上呈現(xiàn)梁子湖區(qū)中心水質(zhì)較好、河流的入湖口附近水質(zhì)較差的狀況.其中，豐水期梁子湖水質(zhì)空間分布不均，主要以Ⅳ類水為主，西南部湖口水質(zhì)較好，東部、東南部水質(zhì)較差；平水期梁子湖湖區(qū)水質(zhì)基本為Ⅲ類水質(zhì)，水質(zhì)空間分布較為均勻；枯水期梁子湖湖區(qū)水質(zhì)基本良好，空間差異明顯，湖區(qū)大部分地區(qū)水質(zhì)在Ⅱ類，湖區(qū)邊緣水質(zhì)較差，尤其湖區(qū)南部水質(zhì)以Ⅳ類水為主.對比3個時期的水質(zhì)等級分布圖可以得到，枯水期處于V類水質(zhì)的水域面積比豐水期和平水期小，豐水期處于Ⅰ類和Ⅱ類水質(zhì)的水域面積比平水期大，用符號“>”表示“優(yōu)于”，則梁子湖水質(zhì)狀況為枯水期 > 平水期 > 豐水期.

通過對梁子湖不同時期的水質(zhì)主成分分析，表明梁子湖在部分區(qū)域存在水質(zhì)污染，污染類型主要為營養(yǎng)元素和有機污染.因此，為了使梁子湖水環(huán)境更有利于人們的生產(chǎn)和生活，在控制污染源的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強退耕還湖、控制圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積、恢復(fù)湖濱帶和建設(shè)有效的江湖連通工程等一系列有效措施，逐步恢復(fù)其水體自凈功能，重建梁子湖生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展.

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PrincipalcomponentanalysisofwaterqualityinLiangziLake,HubeiProvince

WANG Hong1,2, YAO Junlan1, LI Yanqiang1, KUNG Hsiang-te3, CHEN Hongbin1

(1. Faculty of Resource and Environmental Science, Hubei University, Wuhan 430062, China;
2. Hubei Key Laboratory of Regional Development and Environmental Response, Wuhan 430062, China;
3. Department of Earth Sciences, University of Memphis, Memphis, 38152, USA)

Liangzi Lake;water quality evaluation;principal component analysis(PCA);Kriging interpolation

2016-12-06

國家科技部科技惠民計劃(S2013GMD100042)和湖北省科技支撐計劃(2015BCA294)資助

王紅(1975-)，女，副教授， E-mail:j-wanghong@163.com

1000-2375(2017)06-0601-08

X824

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.06.008

(責(zé)任編輯 郭定和)