王紅梅，黃 曉

(云南省生態(tài)環(huán)境廳駐昆明市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，昆明 650228)

前 言

滇池位于云南省昆明市城區(qū)西南面，地理位置東經(jīng)102°29′～103°01′,北緯24°29′～25°28′,屬斷陷構(gòu)造湖泊，是云貴高原上湖面最大的淡水湖泊。屬長(zhǎng)江流域金沙江水系，平均水深4.4m，湖水面積309km2，湖泊補(bǔ)給系數(shù)9.9，湖水滯留期約為981d。滇池水域分為草海、外海兩部分，現(xiàn)由人工閘分隔。草海位于滇池北部，外海位于滇池中南部，為滇池的主體，面積大約占全湖的96.7%，草海、外海各有一個(gè)人工控制出口，分別為西北端的西園隧道和西南端的?？谥袨╅l[1]。

20世紀(jì)80年代以后隨著流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，大量污染物和營(yíng)養(yǎng)物的排入，九十年代后期滇池水質(zhì)污染嚴(yán)重，已納入國(guó)家重點(diǎn)治理的三大湖泊之一。為了滇池的綜合治理政府投入大量的資金，歷時(shí)近30年，實(shí)施一系列重大環(huán)保項(xiàng)目工程，加大滇池流域的綜合整治力度．近年來(lái)滇池水環(huán)境的惡化趨勢(shì)得到遏制，水質(zhì)有了一定的改善，但要到達(dá)預(yù)期的水質(zhì)目標(biāo)還必須不斷地加大防控及治理。因此研究滇池的水質(zhì)狀況及變JP3化趨勢(shì)，采用科學(xué)的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，明確主要影響指標(biāo)，對(duì)滇池后續(xù)的污染防治及治理具有重要意義。

水質(zhì)評(píng)價(jià)是確保水質(zhì)安全、合理利用水資源的前提[2]。水質(zhì)評(píng)價(jià)主要是按照相關(guān)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法，對(duì)水環(huán)境的現(xiàn)狀和水質(zhì)分布狀況進(jìn)行評(píng)定[3]。水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法很多，目前國(guó)內(nèi)外常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法、內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法、聚類(lèi)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析法和多元統(tǒng)計(jì)分析法等[4]。而隨著水質(zhì)評(píng)價(jià)工作的不斷深入和不同層次的研究需要，對(duì)多因子系統(tǒng)的定量評(píng)價(jià)研究得到逐步發(fā)展，而主成分分析法在水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方面有著較廣泛的應(yīng)用，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義[5-6]。本文選用主成分分析法對(duì)滇池外海水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步分析水質(zhì)變化趨勢(shì)，提取其主要影響指標(biāo)，按照主成分分析計(jì)算其綜合得分，并根據(jù)綜合得分排序，分析研究滇池外海水質(zhì)的空間及時(shí)間變化特征和變化趨勢(shì)，以期對(duì)滇池水質(zhì)的持續(xù)改善及污染治理提供科學(xué)的支撐。

1 研究材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本文采用的數(shù)據(jù)源于昆明市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心2008～2019年滇池外海的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)斷面選取滇池外海8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面12年的年均值，具體監(jiān)測(cè)斷面分布和情況見(jiàn)圖1。

圖1 滇池水系及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意圖Fig.1 Schematic dagram of Dianchi Lake water system and monitoring points

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文是對(duì)湖泊水質(zhì)的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)表1中水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的基本項(xiàng)目，篩除未檢出的指標(biāo)，選擇了溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)、總氮(TN)、葉綠素α等8個(gè)指標(biāo)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)滇池外海進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

表1 滇池外海8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面指標(biāo)相關(guān)性矩陣Tab.1 Correlation matrix of indicators of 8 monitoring sections in the Waihai of Dianchi Lake

1.3 主成分分析法

主成分分析法(PCA) 是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定性及定量化研究且理論較完善的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[7]。其充分考慮不同指標(biāo)之間的信息重疊，對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，在盡可能地保留原有信息的基礎(chǔ)上，對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，更加客觀地從多個(gè)變量篩選出起主導(dǎo)作用的影響因子[8]，并計(jì)算其主成分綜合得分值。

主成分得分的計(jì)算公式如式(1)所示：

Fj=a1X1+a2X2+…+ajXj

(1)

公式(1)中，F(xiàn)j為第j個(gè)主成分得分，j=1,2,3…；aj為第j個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的系數(shù)，j=1,2,3…；Xj為第j個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，i=1,2,3…。

以主成分對(duì)應(yīng)的特征值占所有主成分對(duì)應(yīng)特征值總和的比例作為系數(shù)，計(jì)算主成分綜合得分模型，即

(2)

公式(2)中，F(xiàn)為主成分綜合得分；Fj為第j個(gè)主成分得分，j=1,2,3…；λj為第j個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征值，j=1,2,3…。

采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行分析，其主要計(jì)算步驟如下[9～11]：(1)將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理；(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣，采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量和Bartlett 球形度檢驗(yàn)判斷指標(biāo)間的相關(guān)性，確定原始變量是否適合進(jìn)行主成分分析；(3)按照特征值大于1和累積占比>70%以上的提取原則，確定其主成分；(4)特征向量除以對(duì)應(yīng)特征根的絕對(duì)值，構(gòu)成主成分系數(shù)矩陣；(5)主成分系數(shù)矩陣與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)相乘，得到各項(xiàng)主成分得分值; (6)各項(xiàng)主成分得分值與對(duì)應(yīng)主成分在所有主成分中的比值相乘后累加，得到主成分綜合得分值，得分越高，表明污染就越嚴(yán)重。

2 分析結(jié)果及討論

2.1 滇池外?？臻g變化特征分析

將選取的外海8個(gè)測(cè)點(diǎn)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其消除量綱和量級(jí)的影響，并使它們具有可比性。借助SPSS22.0軟件，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，并進(jìn)行變量相關(guān)性檢驗(yàn)，KMO和Bartlett檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1，由表2所示KMO檢驗(yàn)度量值為0.826，大于0.5，Bartlett 球形檢驗(yàn)顯著性均<0.05，表明原始變量之間存在相關(guān)性，適合做主成分分析。計(jì)算求出各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)及組成相關(guān)系數(shù)的矩陣。具體見(jiàn)表1、表2。

表2 KMO及Bartlett 的球形檢驗(yàn)Tab.2 KMO and Bartlett's spherical test

計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征根，從而得出貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，如表3所示。按照主成分分析法的提取原則，確定了兩個(gè)主成分，其特征值分別為4.861、1.334，前兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了77.44%，包含了原始數(shù)據(jù)的絕大部分有效信息，可以對(duì)滇池外海水質(zhì)空間特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 特征根、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率Tab.3 Characteristic root, contribution rate and cumulative contribution rate

通過(guò)主成分分析計(jì)算得到初始因子載荷矩陣，表示各主成分與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，數(shù)值越大說(shuō)明該指標(biāo)對(duì)主成分的影響越大，對(duì)污染程度的貢獻(xiàn)越大。從表4中可以看出，TP、CODMn、CODCr、TN、BOD5、NH3-N、葉綠素a，在第一主成分上具有較大載荷，DO在第二主成分上也具有較大載荷，兩個(gè)主成分反映出滇池外海水質(zhì)主要以富營(yíng)養(yǎng)化及有機(jī)物污染為主，對(duì)水質(zhì)污染貢獻(xiàn)較大的影響因子依次是總磷、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、化學(xué)需氧量等，其載荷分別是0.934、0.874、0.872、0.861，……，都大于0.8以上，其他具體詳見(jiàn)表4。

表4 初始因子載荷矩陣Tab.4 Initial factor load matrix

利用初始因子載荷矩陣除以各主成分對(duì)應(yīng)特征值的平方根，就可以求得相應(yīng)的特征向量，將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)和特征向量相乘，就得到如下的主成分表達(dá)式：

FK1=-0.3057X1+0.3964X2+0.3905X3

+0.3302X4+0.2853X5+0.4236X6

+0.3955X7+0.2658X8

FK2=-0.5437X1-0.3333X2-0.2833X3

+0.4745X4+0.3169X5+0.0753X6

+0.0511X7+0.4199X8

其中：X1(溶解氧)；X2(高錳酸鹽指數(shù))；X3(化學(xué)需氧量)； X4(五日生化需氧量)；X5(氨氮)；X6(總磷)；X7(總氮)；X8(葉綠素α)

FK=0.60764FK1+0.16672FK2

根據(jù)上述主成分F1與F2的得分表達(dá)式和綜合得分F評(píng)價(jià)表達(dá)式，計(jì)算得出2008～2019年滇池外海8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面評(píng)價(jià)結(jié)果，主成分綜合評(píng)價(jià)得分越高，說(shuō)明水質(zhì)污染程度越大，水質(zhì)狀況較差；綜合得分越低，水質(zhì)污染程度越小，水質(zhì)狀況較好。

從12年來(lái)滇池外海8個(gè)斷面的水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果(見(jiàn)表5)可看出，水質(zhì)類(lèi)別2008～2015年都為劣Ⅴ類(lèi)，2016～2019年在Ⅳ～劣Ⅴ類(lèi)波動(dòng)，由于單因子評(píng)價(jià)方法的局限性，雖然滇池外海的水質(zhì)存在一定的變化，但該評(píng)價(jià)方法通過(guò)最差水質(zhì)指標(biāo)評(píng)級(jí)掩蓋了其他水質(zhì)指標(biāo)的信息[7]，無(wú)法全面反映水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及規(guī)律；而對(duì)比按照主成分分析法綜合得分值的結(jié)果(表6)可知，主成分綜合得分值綜合了所有水質(zhì)指標(biāo)的信息[7]，并能定量化地體現(xiàn)外海水質(zhì)空間特征的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。從主成分綜合得分值的數(shù)值特征(表6和圖2) 來(lái)看，滇池外海8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)綜合得分值排序是：灰灣中>羅家營(yíng)>觀音山西>觀音山中>觀音山東>白魚(yú)口>?？谖?滇池南。由此可見(jiàn)北部灰灣中斷面水質(zhì)較差，綜合得分均值是1.16，是8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中分值最高的，而南部滇池南和?？谖鞯乃|(zhì)較好，綜合得分值分別是-0.33、-0.31，這反映出滇池外海南部的水質(zhì)優(yōu)于北部，總體呈現(xiàn)滇池外海水質(zhì)從北向南逐漸好轉(zhuǎn)的空間分布特征。從表5及圖3中的各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面12年的綜合得分值可知， 2008～2019年8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的綜合得分值總體呈從高到低逐漸降低的趨勢(shì)，2014年有4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面綜合得分值小于0,2015～2019年絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)斷面的綜合得分值都在負(fù)值并逐年降低，這說(shuō)明各個(gè)斷面的水質(zhì)污染有逐漸減輕趨勢(shì)。

表5 2008～2019 年滇池外海水質(zhì)的空間變化單因子評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Results of single factor assessment on spatial variation of water quality in the Waihai of Dianchi Lake from 2008 to 2019

表6 2008～2019 年滇池外海水質(zhì)空間變化主成分分析得分值統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Statistical table of principal component analysis scores of spatial variation of water quality in the Waihai of Dianchi Lake from 2008 to 2019

圖2 滇池外海主成分綜合得分均值空間變化圖Fig.2 Spatial variation of mean value of principal component comprehensive scores in the Waihai of Dianchi Lake

圖3 2008～2019年滇池外海主成分綜合得分值空間特征及變化趨勢(shì)Fig.3 Spatial characteristics and change trend of principal component comprehensive score in the Waihai of Dianchi Lake from 2008 to 2019

2.2 滇池外海變化趨勢(shì)分析

采用主成分法對(duì)2008～2019年12年滇池外海年均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算其綜合得分值，根據(jù)綜合得分值研究滇池外海水質(zhì)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。具體步驟與上述相同，先對(duì)2008～2019年滇池外海年均值的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，經(jīng)過(guò)KMO及Bartlett的球形檢驗(yàn)，KMO等于0.75>0.5，球形檢驗(yàn)顯著性均為0<0.05，說(shuō)明可以進(jìn)行主成分分析，求出特征根、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，確定其主要影響指標(biāo)。滿足提取原則提取了2個(gè)主成分，2個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了80.2%，包含了原始數(shù)據(jù)的絕大部分有效信息，可以作為滇池外海水質(zhì)時(shí)間變化特征綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體詳見(jiàn)表7、表8。

表7 KMO及Bartlett 的球形檢驗(yàn)Tab.7 KMO and Bartlett's spherical test

表8 特征根、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率Tab.8 Characteristic root, contribution rate and cumulative contribution rate

通過(guò)主成分分析計(jì)算得到初始載因子荷矩陣(見(jiàn)表9)中可以看出，在第一主成分F1上具有較大載荷從高到低依次是TP、CODMn、CODCr、TN、BOD5、NH3-N、葉綠素a，載荷值分別是0.944、0.910、0.903、0.876 、0.750 、0.734、0.616，其中TP、CODMn、CODCr、TN等指標(biāo)都在0.8以上，對(duì)F1上的貢獻(xiàn)最大；DO在第二主成分F2上也具有較大載荷，綜上所述都反映出滇池外海水質(zhì)主要以富營(yíng)養(yǎng)化及有機(jī)物污染為主，也是影響滇池外海水質(zhì)的主要控制因子。

表9 初始因子載荷矩陣Tab.9 Initial factor load matrix

利用初始因子載荷矩陣與主成分對(duì)應(yīng)特征值進(jìn)行計(jì)算，最終得到如下的主成分得分值表達(dá)式：

FS1=-0.310X1+0.3957X2+0.3926X3

+0.3261X4+0.3192X5+0.4105X6

+0.3809X7+0.2741X8

FS2=0.5925X1-0.3052X2-0.2063X3

+0.5011X4+0.4324X5+0.0245X6

+0.0019X7+0.2741X8

FS=0.66119FS1+0.14087FS2

將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)代入上述公式計(jì)算就得到2008～2019年滇池外海水質(zhì)主成分綜合得分。

從主成分分析法綜合得分值的結(jié)果可知(見(jiàn)表10、圖4)，該評(píng)價(jià)方法能全面直觀地反映出隨時(shí)間變化滇池外海的水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，從圖中可以看出2008～2019年主成分綜合得分值總體呈下降趨勢(shì)，表明水質(zhì)污染逐漸變輕，水質(zhì)呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。2008～2013年水質(zhì)污染有持續(xù)加重趨勢(shì)，在2013年達(dá)到峰值，綜合得分值是1.68，2014年綜合得分值是0.43，得分變化幅度是1.25，可見(jiàn)2014年之后水質(zhì)污染大幅改善，2015～2019年綜合得分值在0.001～-2.822范圍，2018年綜合得分值最低(是-2.822)，排名12， 2019年綜合得分值僅次于2018年低(是-2.595)，排名11，說(shuō)明水質(zhì)呈逐年持續(xù)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)；而對(duì)比單因子評(píng)價(jià)結(jié)果(見(jiàn)表11)可看出，水質(zhì)類(lèi)別2008～2015年沒(méi)有變化都為劣Ⅴ類(lèi)，2016～2019年在Ⅳ～劣Ⅴ類(lèi)波動(dòng)，2018年為Ⅳ類(lèi)。由此可見(jiàn)，主成分分析法比單因子評(píng)價(jià)法更能全面地體現(xiàn)滇池外海水質(zhì)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。滇池外海水質(zhì)從2014年開(kāi)始大幅改善的原因初步分析主要是由于“十二五”以來(lái)，昆明市政府實(shí)施了環(huán)湖截污、生態(tài)修復(fù)與建設(shè)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源治理、生態(tài)清淤、入湖河道整治等內(nèi)源污染治理，特別是牛欄江外流域引水入滇池等六大工程治理工程，使流域污染得到了有效控制[12]。加之引水工程加速了滇池水循環(huán)，縮短了水體的置換時(shí)間，使滇池外海水質(zhì)有了明顯的改善，但是要達(dá)到水功能目標(biāo)(Ⅲ類(lèi)水)還任重道遠(yuǎn)，仍應(yīng)加大流域污染治理力度，嚴(yán)格控制入湖污染物總量，從多方面、多舉措持續(xù)推進(jìn)滇池治理的工作。

表10 2008～2019年滇池外海主成分分析綜合得分評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.10 Statistical table of comprehensive score evaluation results of principal component analysis in the Waihai ofDianchi Lake from 2008 to 2019

表11 2008～2019年滇池外海單因子評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.11 Single factor evaluation results of Waihai of Dianchi from 2008 to 2019

圖4 2008～2019 年滇池外海主成分綜合得分值變化趨勢(shì)Fig.4 Change trend of comprehensive score of principal components in the Waihai of Dianchi Lake from 2008 to 2019

通過(guò)以上的研究表明，將滇池外海的水質(zhì)指標(biāo)提取為2個(gè)主成分進(jìn)行解釋?zhuān)鞒煞职嗽紨?shù)據(jù)的絕大部分有效信息，并計(jì)算主成分的綜合得分值，通過(guò)其綜合得分值的變化，定量化的反映外海水質(zhì)空間特征及隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及變化趨勢(shì)。而對(duì)比單因子評(píng)價(jià)法，由于該評(píng)價(jià)法的局限性，它通過(guò)最差水質(zhì)指標(biāo)評(píng)級(jí)掩蓋了其他水質(zhì)指標(biāo)的信息，特別是水質(zhì)連續(xù)多年評(píng)價(jià)為同類(lèi)水質(zhì)類(lèi)別時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果不能體現(xiàn)水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此，相比而言體現(xiàn)出主成分分析法獨(dú)特的優(yōu)越性，可以為滇池水質(zhì)的評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)研究提供新思路。

3 結(jié) 論

本文選用主成分分析法的綜合得分值對(duì)滇池外海2008～2019年水質(zhì)的空間變化特征進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并研究其12年的水質(zhì)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，研究結(jié)果如下。

3.1 通過(guò)主成分分析法評(píng)價(jià)結(jié)果表明滇池外海水質(zhì)的時(shí)空變化主要綜合控制指標(biāo)為T(mén)P、TN、葉綠素a及有機(jī)污染指標(biāo)，因此水體污染主要以富營(yíng)養(yǎng)化及有機(jī)污染為主。

3.2 根據(jù)主成分法綜合得分值可知，2008～2019年滇池外海水質(zhì)空間分布為北部的灰灣中斷面的水質(zhì)較差，南部的滇池南和海口西的水質(zhì)較好，總體呈現(xiàn)滇池外海水質(zhì)從北向南逐漸好轉(zhuǎn)的空間分布特征；2008～2019年8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的綜合得分值總體呈從高到低逐漸降低的趨勢(shì)，這說(shuō)明各個(gè)斷面的水質(zhì)污染有逐漸減輕趨勢(shì)。

3.3 2008～2019年滇池外海水質(zhì)的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為水質(zhì)污染逐漸減輕，水質(zhì)呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，2008～2013年水質(zhì)污染有持續(xù)加重趨勢(shì)，在2013年達(dá)到峰值，而從2014年開(kāi)始水質(zhì)大幅改善，并呈逐年持續(xù)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。