基于主成分分析法评价湛江市中小型水库丰水期水质状况

王晓辉

(广东省水文局湛江水文分局，广东 湛江 524037)



基于主成分分析法评价湛江市中小型水库丰水期水质状况

王晓辉

(广东省水文局湛江水文分局，广东 湛江 524037)

根据2014年4月和8月19宗中小型水库水质监测数据，运用主成分分析方法对这些水库丰水期水质进行分析与评价。结果表明19宗水库中的溶解氧与五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮以及高锰酸盐指数表现出较强的相关性；铁与锰、硫酸盐、氯化物相关性较强；挥发酚与氰化物有较强相关性。影响水库水质的主要指标为溶解氧、BOD5、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、氰化物和挥发酚，19宗水库以新坛水库水质最好，雷坡坑水库水质最差。

主成分分析；水库；湛江；丰水期

湛江市地处祖国大陆最南端，属北热带季风气候区，降雨量相对较少且时空分布不均，辖区内河流众多，但大多数河流短小，其中独立入海且集雨面积在1 000 km2以上的河流仅有鉴江、九洲江、南渡河、遂溪河4条；且该地区地下水的过度开采也将导致海水入侵。因此，水库在该地区的供水、灌溉功能将突显。

湛江地区建有大型水库3宗，中型水库23宗，小型水库457宗，对这些水库的水质分析与评价仅限3宗大型水库[1-4]，中小型水库的水质研究处于空白。近30 a来随着社会经济的快速发展、人口不断增长以及部分工业污水排放量大幅度增长，大多数水库水质日趋下降，且影响水环境质量的因子较多，而各种因子又从不同方面影响着水质，各因子相关性亦不同，对水质的污染程度不同。因此，选用一种实用而有效地分析方法对污染水体进行客观、全面地评价十分重要。主成分分析方法正是一种将多维因子纳入评价系统，借助SPSS软件进行数理统计的多元统计分析方法。本研究将利用主成分析方法对湛江地区19宗中小型水库水质进行分析，该分析成果可为本地区相关部门合理开发、优化配置、有效保护和综合治理水资源提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

选取陈铁、官昌、曾家、郑家、北铁门、草洋、大鹏、官节僚、红星、后湖、后滩、雷坡坑、新坛、北良、大黄、公里坑、梁村仔、包墩、大岭和红卫上19宗水库，2014年4月和8月各监测点溶解氧、总磷、总氮、氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数、挥发酚、氰化物、铁、锰、硝酸盐氮、氟化物、氯化物、硫酸盐14项水质指标数据进行分析。

1.2 分析方法与原理

运用SPSS中的主成分分析方法对数据进行分析。主成分分析是运用线性变换，将研究中遇到的多个存在一定相关性的指标组合成相互独立的少数几个能充分反映母体信息的指标，即对于某一问题同时要考虑几个因素时，并不对这些因素处理，而是将它们综合起来处理，用数据的本身来寻找对全部方差有影响力的方向、第二有影响力的方向，用一两个方向来解释大部分数据中的变异，从而得到“降低原始数据中的维数”的效果。

2 结果与分析

2.1 水质指标相关性分析

在软件中点击Analyze→Date→Factor，将数据导入Variable框中，点击Descriptives对话框，在Correlation Matrix框中选择Coefficents,然后点击Continue，返回factor analysis页面，点击OK，即可对19宗水库主要水质指标进行相关分析，建立相关系数矩阵(表1)。

各指标之间联系系数的绝对值越大，则两指标之间的联系越紧密[5]。由表1可知，溶解氧与五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮以及高锰酸盐指数相关性较强；铁与锰、硫酸盐、氯化物的相关性较强；挥发酚与氰化物的相关性较强。

表1 各水质指标相关系数矩阵

2.2 提取主成分

点击软件Extraction对话框，选择principal components方法，主成分个数的提取原则为其特征值大于1的前几个成分[6]。该特征值表征的是该成分的影响力度，如果特征值小于1，那么则舍弃该成分。

表2 水质指标总方差分解主成分提取

由表2可知，前3个主成分方差贡献率累达到75%以上，这3个主成分就能解释大部分数据，因此，可以选择这3个主成分进行提取分析。

2.3 碎石图解析

将软件中Display中的Scree plot 前的小方框勾上，然后点击Continue，返回factor analysis页面，点击OK，碎石图就会生成。碎石图是将各水质指标特征值显示在图上。从图1可以很清晰地看到指标1对应的特征值接近于8，而特征值大于1的总共有4个指标，其余特征值均小于1。

图1 碎石示意

2.4 主成分载荷矩阵的获得

表3显示的是各水质指标与主成分之间的关系，当指标与某一主成分的联系系数的绝对值越大，则代表该水质指标与主成分的联系越紧密。从表3可知，溶解氧、BOD5、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、氰化物和挥发酚8个指标在第1主成分上的载荷较高，硫酸盐、氯化物、铁和锰4个指标在第2主成分上的载荷较高，氟化物和硝酸盐氮2个指标在第3主成分上的载荷较高。该信息说明影响20 宗水库水质的主要指标为溶解氧、BOD5、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、氰化物和挥发酚，其次为硫酸盐、氯化物、铁和锰，氟化物和硝酸盐氮影响相对较小。溶解氧、BOD5、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、氰化物和挥发酚这些指标主要为工农业污染因子，表明20 宗水库水质状况主要受工农业面源污染影响。

表3 各水质指标主成分载荷矩阵

2.5 各水库主成分得分及综合得分

主成分得分值利用Transfor→compute，在对话框中输入A1=FACT1*SQR(X1), A2=FACT2*SQR(X2), A3=FACT3*SQR(X3)， X1、 X2, 和X3,分别代表第1主成分至第3主成分的贡献值，主成分得分与之方差贡献率之积的和即可算出各水库的综合得分，各得分情况见表4。从表4可知：19宗水库以新坛水库、大黄水库、官节僚水库和大鹏水库水质情况较好，而雷坡坑水库、官昌水库、红卫上水库和北良水库水质较差。

表4 各水库主成分得分及综合得分

3 结语

综上所述，通过主成分析方法，可以确定影响19 宗中小型水库水质的主要指标为溶解氧、BOD5、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、氰化物和挥发酚，其次为硫酸盐、氯化物、铁和锰，氟化物和硝酸盐氮总氮的影响相对较小。19宗水库以新坛水库水质最好，雷坑坡水库水质最差。

[1] 韩博平.广东省大中型水库富营养化现状与防治对策研究[M]. 北京:科学出版社. 2003.

[2] 胡韧, 林秋奇, 段舜山，等.热带亚热带水库浮游植物叶绿素与磷分布的特征[J]. 生态科学, 2002, 21(4): 310-315.

[3] 王伟,顾继光,韩博平,等.华南沿海地区小型水库叶绿素 a 浓度的影响因子分析[J].应用与环境生物学报,2009,15 ( 1 ): 64-71.

[4] 王晓辉, 李秋华. 大水桥水库浮游植物群落结构特征研究[J]. 水生态学杂志, 2013, 34(2): 40-45.

[5] 姚焕玫, 黄仁涛, 刘洋, 等. 主成分分析法在太湖水质富营养化评价中的应用[J]. 2005, 25(2): 248-250.

[6] 杨苏才,南忠仁,牛亚萍, 等. 因子分析在水质评价与成因分析中的应用[J]. 2006,28(5): 37-39.

(本文责任编辑 王瑞兰)

The Water Quality Assessment of Small-middle Reservoir in Flood Season Based on Principal Component Analysis in Zhanjiang City

WANG Xiaohui

(The Hydrographic Office of Hydrology Station in Zhanjiang, Zhanjiang 524037，China)

The water quality of 19 small-middle reservoir was analyzed in this paper based on April, August in 2014, Zhanjiang City. The correlation and principal component analysis between physical factors and chemical factors were studied. The results showed that Significant correlations were found between dissolved oxygen and five-day bio-chemical oxygen demand, permanganate index, ammonia nitrogen, total phosphorus, total nitrogen. The correlation of Phenol concentration and total cyanide concentration, Fe, Mn Sulphate and Chloride were obvious. DO and BOD5, CODMn, NH3-N, TP, TN, Phenol and TCN were key factors, which influenced the water quality of these reservoirs. The water quality of Xintan Reservoir was the best one, and Leipokeng Reservoir was the worst one.

principal component analysis; reservoir; flood season; Zhanjiang

2016-07-22;

2016-09-06

广东省湛江市科技计划项目(编号：2014A01008)。

王晓辉(1977 )，女，博士，高级工程师，主要从事水环境监测与水域生态学研究。

TV62+1

A

1008-0112(2016)010-0009-04