基于主成分分析的湖泊水环境质量评价——以磁湖为例

周 杰，葛绪广*，陈成忠，潘 朝

(湖北师范学院城市与环境学院，湖北黄石435002)

黄石是一个多湖泊的城市，市区内的磁湖、青山湖以及远城区的大冶湖、仙岛湖等都是极具代表性的水生生态系统。随着城市化的不断发展，日趋频繁、剧烈的人类活动使这些湖泊面临着许多严峻的问题，如磁湖面积萎缩、水体污染等。客观而准确的评价，对于了解磁湖生态环境现状、存在的问题及未来发展的规划、决策具有重要的意义。水环境评价主要包括针对不同水域进行水质评价和针对不同用途进行水环境质量评价2个方面［1-2］。常用的评价方法有指数法、模糊综合评价法、灰色数学法、神经网络法等，可是这些均无法回避多因子这个问题［3］。而主成分分析是把原来多个变量划为少数几个综合指标的统计分析方法，是一种将多维因子纳入同一系统进行定量化研究、理论比较完善的多元统计分析方法，在解决很多实际问题时已取得较好效果［4］。在此，笔者基于该方法对磁湖的水质指标进行对比研究，以期为磁湖乃至其他湖泊的研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 磁湖是黄石市区内最大的浅水湖泊，位于黄石市区中心(115°01＇～ 115°05＇E、30°11＇～ 30°14＇N)。磁湖的水域面积约为10 km2，大于著名的杭州西湖，居全国市区内湖之首，磁湖以湖边盛产磁铁而得名［5］。汇水面积为62.8 km2，平均水深为1.75 m。湖体容量1 748×104m3，是集黄石市防洪、排涝、养殖和游览为一体的多功能的水资源地［6］。随着城市人口增加及工业的发展，水质污染日趋严重，湖面面积逐年减少。近几年来对磁湖沿岸已进行了部分整治，清除了陈家湾、牧羊湖两片水域的100万m3的淤泥，截流了磁湖南岸的部分工业和生活污水，磁湖面积缩小得到遏制。但由于磁湖与长江水域隔开，水体不能得到置换，加之长期受到污染，水体生态已非常脆弱。

1.2 主成分分析方法简介

1.2.1 基本思想。主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)是研究多个定量(数量)变量间相关性的一种多元统计方法。它是研究如何通过少数几个主分量(即原始变量的线性组合)来解释多变量的方差——共变量结构。具体地说，就是导出少数几个主分量，使它们尽可能多地完整保留原始变量信息，且彼此间不相关。主成分常被用来寻找判断某种事物或现象的综合指标，并将综合指标所蕴藏的信息适当地解释，以便更深刻地表现事物内在的规律。

1.2.2 分析步骤。为排除量纲和数量级的不同，首先要对原始数据进行标准化处理;然后，计算相关矩阵尺，从相关矩阵R出发求主成分;再计算相关矩阵尺的特征值、方差贡献率、累积方差贡献率、因子载荷矩阵;最后，选择m个主成分，计算相应的单位特征向量，结合专业知识对所选择的主成分给出解释［7］。以上所有计算过程均在SPSS20.0软件中进行。

1.3 资料选取 遵循科学性和可比性原则，在此运用SPSS20.0软件以磁湖水环境监测中心2011年的水质监测站的监测数据，选取了13个监测项目作为评价数据(表1)。

2 结果与分析

2.1 水质指标相关系数矩阵 利用SPSS20.0软件求得2011年整个磁湖区13个指标的相关系数矩阵(表2)。根据两指标之间相关系数的绝对值越大，说明两指标之间的联系越紧密。由表2可知，溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、化学需氧量、石油类之间具有较强的相关性，这些指标均为有机污染指标;而氨氮、总氮、叶绿素等均为营养性污染指标。

2.2 主成分的提取 通过进一步计算，得出水质指标方差分解主成分提取分析(表3)，从表3可以看出，第1、第2、第3、第4主成分特征值占总方差的百分比已经大于80%，且第5个主成分特征值为0.894，小于1。因此，前4个主成分已经对13个监测指标涵盖的大部分污染物信息进行了概括，其中第1个主成分携带的信息最多，达34.049%，第1、第2、第3、第4主成分的累积贡献率达80.340%。其他主成分对总方差的贡献很小，为了以尽可能少的指标反映尽量多的信息，选取前4个因子作为主成分，代表磁湖水环境评价中原始指标提供的大部分信息。

表1 磁湖水质影响因子指标

表2 磁湖各水质指标相关系数矩阵

表3 水质指标方差分解主成分提取分析

2.3 主成分的载荷矩阵 用4个新变量代替原来的13个变量，从各水质指标与主成分之间的关系(表4)可以看出，指标与某一主成分的载荷系数的绝对值越大，则该主成分之间的联系越紧密。pH、氨氮、电导率、水温这些指标在第1主成分上的荷载较高，其中pH、电导率、水温是水体污染中的理化指标;叶绿素、五日生化需氧量、总氮这些指标在第2主成分上的荷载较高，总磷在第3主成分上的荷载较高，化学需氧量在第4主成分上的荷载较高。氨氮、叶绿素、总氮、总磷属于营养性污染物指标，五日生化需氧量、化学需氧量属于有机污染物指标。

表4 各水质指标主成分载荷矩阵

2.4 理化指标 磁湖中pH(X1)、水温(X13)、电导率(X9)在第1主成分中的相关系数分别为-0.882、-0.839、0.802，是磁湖水环境重要的影响因素。pH直接影响植物的光合作用和各类微生物的生命活动，从而影响磁湖水体的整个物质代谢。2011年磁湖水体夏季pH平均值为8.23，冬季为7.35，年平均值为7.73，可见磁湖水体略偏碱性。电导率是磁湖水体中电解质程度的反映，2月磁湖水体电导率为最大值(511 μs/cm)，7 月磁湖水体为最小值(403 μs/cm)。从局部来看电导率变化与水温变化不一致，从总的趋势看电导率的变化符合与水温变化的关系。但电导率在湖泊水电导率的正常范围，反映了磁湖水质较好，这也是近几年黄石市大力治理的结果。水温影响磁湖水中的溶解性气体(如氧、二氧化碳等)的溶解度、非离子氨、pH、电导率以及其他溶质，进而影响磁湖中水生生物的生命活动。

2.5 有机污染综合物及营养性污染物 氨氮(X2)在第1主成分上的相关系数为0.852，仅次于pH的影响;叶绿素(X11)、五日生化需氧量(X5)、总氮(X3)在第2主成分上的相关系数分别为0.892、0.876、0.796。磁湖水中的氨氮来源主要为生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物、工业废水、农田排水。研究中发现磁湖中NH3-N、NO2-N和NO3-N和总氮基本呈负释放，说明磁湖大部分氮元素向底泥沉积，容易导致磁湖富营养化［8］。总磷(X4)在第3主成分上的相关系数为0.561。叶绿素对磁湖的影响也从另一方面反映出磁湖富营养化的程度，磁湖水体中过量的氮、磷等营养物质致使磁湖营养平衡破坏，导致藻类的大量繁殖污染水环境;其主要来源于未加处理或处理不完全的工业废水和生活污水、有机垃圾、家畜家禽粪便以及农施化肥。化学需氧量(X7)在第4主成分上的相关系数为0.758。化学需氧量、生化需氧量均反映了磁湖水体受有机污染物的污染程度，生活污水与工业废水中含有大量各类有机物污染物，有机污染物在磁湖水体中分解时要消耗大量的溶解氧，从而破坏磁湖水体氧的平衡，使水质恶化，因而缺氧造成磁湖中鱼类及其他水生生物的死亡，这也与事实相一致。

3 对策

综上所述，磁湖水体富营养化程度高，有机污染较严重，其主要影响指标为pH、电导率、水温、叶绿素、五日生化需氧量、氨氮、化学需氧量、总磷;其他指标对磁湖水质的影响较小;其中，氨氮、总磷指数代表水体引起湖泊富营养化的营养元素的污染状况，而五日生化需氧量、化学需氧量是磁湖水体中的有机污染的反映。可见，改善磁湖水质是迫切需要的，且改善磁湖水环境的方法及途径也是很重要的，现针对上述磁湖水环境存在的问题提出部分治理建议。

3.1 磁湖水体富营养化问题的治理措施 就磁湖水体富营养化的问题，可使用微生物降解的方法［9］，如向磁湖水中投加以光合细菌为主的复合细菌群，该方法能够有效地降低磁湖水浊度，并能维持较长时间，可以有效地降低磁湖水藻类生物量和湖水中氨氮及总磷污染。强化磁湖水体生物自净能力、净化水体，最终达到控制磁湖水体富营养化的目的。

3.2 磁湖水体有机污染问题的治理措施 就磁湖水环境中有机污染物的问题，可以用光催化氧化法处理有机污染物。光催化氧化法在足够的反应时间内通常可以将有机物污染物完全矿化为CO2和H2O等简单无机物，避免了二次污染。使用该方法可以降低磁湖水体中有机污染物的含量，可进一步改善磁湖水环境的质量。

3.3 磁湖整体治理措施 对生活污水和工业废水可以采取先处理再排放，在磁湖周围可以多建设污水处理厂，扩大污水处理厂的覆盖范围，提高污水处理率;严格控制磁湖水体的水温、pH、电导率等污染指标，来控制磁湖水环境质量的变化。另一方面，要控制内源性污染，尤其是对于湖泊的底泥，要尽量减少对其的扰动;在此基础上也要充分利用自然之力恢复磁湖水环境质量，这样不仅节约了人力和物力，还能够达到节能减排的目的。

［1］白云鹏，陈永健.常用水环境质量评价方法分析［J］.环境水利，2007(6):8-10.

［2］李恒，王海玲，张峥嵘.浅谈水环境评价方法和水环境影响预测［J］.广东化工，2008，35(10):62-64.

［3］李惠明，尚广平.水质现状评价数学模型综合研究［J］.中国环境科学，1991，11(5):356-360.

［4］徐建华.现代地理学中的数学方法［M］.2版.北京:高等教育出版社，2002:37-93.

［5］肖文胜，杨开，郭建林，等.磁湖底泥重金属污染与潜在生态风险评价［J］.环境工程，2008(26):320-322.

［6］陈瑞庭，谢志勇.磁湖富营养化评价［J］.黄石高等专科学校学报，2004，20(4):61-63.

［7］冯利华.环境质量的主成分分析［J］.数学的实践与认识，2003，33(8):32-35.

［8］朱世安，骆新容.磁湖底泥氮释放通量的研究［J］.环境科学与管理，2012，37(8):44-47.

［9］李佐荣.微生物在湖泊富营养化治理中的应用［J］.安徽农学通报，2007，13(3):63.