基于主成分分析法的贵阳市百花湖流域河流水质评价

林 涛，朱生亮，江 波，周文龙，瓦云莹

(1.贵州科学院 山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；2. 贵阳市河滨小学，贵州 贵阳 550002)

1 研究区概况

百花湖位于贵阳市西北郊，地处贵阳市观山湖区朱昌镇和百花湖乡之间，属于喀斯特峡谷型深水水库。百花湖与红枫湖、阿哈水库并称为两湖一库[1]。百花湖作为贵阳市主要饮用水水源地，供应120万贵阳人民日常生活用水，对城市居民卫生健康和社会发展具有基础性作用。根据我们的监测数据：因为实施“两湖一库水体污染治理工程”，2014～2018年百花湖水质到低营养化的标准[2]。通过2019年的调查研究，对最近一年的水质进行了全面分析。

2 采样点和指标方法选取

2.1 取样点位置

根据百花湖水文地质图，出入湖水系图和近10年来的水质污染情况，在百花湖上游设置了9个水样取样点：大坝、泵房、麦西河口、岩脚寨、花桥、高笋塘、竹林水坝、龙潭泉、百花湖村,见图1。采集每个采样点水面下1 m处水样。

2.2 方法选取

根据主成分分析法的原理，由主成分特征值和主成分载荷矩阵可得出相关矩阵的特征向量，并根据特征向量得出各指标与主成分之间的线性组合关系确定污染物，建立综合评价体系，划分污染级别。分析步骤如下。

(1)标准化：

(2)计算相关系数矩阵R=(rij)[3]。

(3)计算特征值与特征向量。解特征方程|λI-R|=0求出特征值λ1(i=1,2…p)，按大小顺序排列，分别求出特征值：λ1=4.253,λ2=3.061,λ3=0.889。

图1 百花湖水质采样点分布

3 过程与分析结果

3.1 主成分分析

把上游的8个取样点12类原始数据按时间顺序使用主成分评价。分析之前，先进行Barlett和KMP检验[5]，结果显示湖泊上游水质12项数据呈正态分布，KMO值0.692，证明可进行主成分分析。

10项指标的主成分分析结果说明，主成分中的前三项累计为原始参数的82.1%。为了降低了因子的维数，将原有的10项指标减少为3个。从表1可知，Z1方差贡献率达到38.275%。Z2方差贡献率27.545%，Z3方差贡献率8.103%。主成分方差贡献率及累计方差贡献率见表1。

表1 主成分方差贡献率 %

由表2显示，信息载荷量最大的是F1。F1关系最为密切的因子是COD、高锰酸盐指数、透明度、水温和叶绿素a，各因子载荷量为0.8551、0.7245、-0.7146、-0.7101、0.789、0.6813；F2关系最为密切的是TP、DO和氨氮；F3关系最为密切的是pH值和TN。由表1中的方差贡献率，F1贡献率38.275%，其包含的信息远大于F2、F3。所以，湖泊上游的水质由F1相关因子决定。

表2 因子载荷量

3.2 因子分析

结合表1和表2，发现百花湖上游水质的主要影响因子是与F1紧密相关的COD、高锰酸盐指数、透明度、水温和叶绿素a。除了透明度，其余因子均为正相关。综合指数反映富营养化程度、水质，将综合指数和3个主成分、10个监测项目进行相关分析，见表3。叶绿素a、透明度、COD、高锰酸盐指数、水温、溶解氧6个因子与综合营养指数的影响最大。F1和综合指数呈显著相关性，相关系数为0.826。所以得到结论：与F1密切相关的主要因子决定湖泊上游营养状态，是主控因子。

化学需氧量会导致水体富营养化程度研究上升，爆发“水华”。样品分析显示，2019年百花湖高锰酸盐指数浓度的低值为1.101 mg/L，高值为3.37 mg/L。高锰酸盐远低于4.05 mg/L的贵州省湖泊控制指标。因此，百花湖上游水质处于中富营养化，水体质量正常。

叶绿素a是湖泊营养的主控因子，透明度是浮游藻和悬浮物数量的反映，水温是藻类生长的基本条件[6]。百花湖上游河流水质研究显示：百花湖主要藻类为微囊藻，其适宜温度区间为27.5～30.5 ℃。这一温度区间为夏秋两季微囊藻生长提供了有利条件。

以上论述说明，百花湖入湖河流的微囊藻和有机物共同导致湖泊富营养化[7]。由表2，TP是F2主要因子，TN是F3主要因子。由表1方差贡献率，F2方差贡献率为27.54%，F3方差贡献率只有8.10%，所以F2大于F3重要性。TP影响程度远远大于TN。由表3，TP、TN综合营养指数在P<0.05情况呈显著相关，相关系数低，这说明TP、TN对营养指数影响小。然而对于藻类，TN、TP是微囊藻繁殖的主要限制因子。N/P是营养盐结构的主要指标。研究显示，N/P>16时，限制因子是TP；N/P<16时，限制因子是TN。百花湖上游河流N/P全年大于雷德菲尔德值[8]，所以只有TP是富营养化限制因子，TN却不是。贵州湖区富营养化控制指标TN为1.00 mg/L，TP为0.045 mg/L，百花湖2019年TN为0.03 mg/L，TP低于富营养化控制指标，限制TN利用，可能会导致藻类增长。2019年百花湖TP为限制因子，且浓度偏低，微囊藻生长受限，呈中营养状态。

分析表2和表3，pH值是F3主要因子，F3贡献率低达8.10%，综合营养指数与pH值不相关，所以pH值不是百花湖富营养化的影响因子。百花湖上游河流2019年pH变化区间为7.81～8.49，偏碱性，初步形成富营养化条件，pH值变化较小，说明上游入湖河流尚未富营养化，与百花湖水样中营养数据一致。

3.3 百花湖水质时空变化

研究通过综合评价函数得到每个点水质的F综合得分，见表4。F综合得分是水质污染的整体量化，得分越低，水质越好，得分越高，水质越差。

由图2(b)可见，水质综合得分第一季度<第二季度<第四季度<第三季度，说明采样点四个季度中第三季度水质最差。大坝四个季度得分都小于其他采样点，说明大坝水质优良。原因为是大坝位于出湖口，污染物经过湖泊稀释和沉积[9]后浓度降低，水质变好。采样点中竹林和高笋塘位于入湖口，综合分数很高，水质较差，到三、四季度后得分变化趋于平稳。

由图2(a)可见，在时间分布上，百花湖采样点的综合营养指数季节变化显著。采样点得分随时间呈现先升后降趋势，原因是，夏季和秋季水温升高，光照强烈，叶绿素a升高，二、三季度降雨增加，带来上游大量氮、磷、有机物，使得藻类夏、秋季大量生长，富营养化程度加重。冬、春季气温降低、光照减弱，暴雨和上游入库流量减少，带来的氮、磷、有机物减少，水质变好。

表3 主成分、营养指数与检测指标的相关性

表4 百花湖各取样点2019年水质综合得分(F综合)

图2 百花湖采样点水质综合指数变化

4 结论与对策

(1)百花湖水体富营养化主控因子为COD、高锰酸盐指数、透明度、水温和叶绿素a，是藻类和有机物共同作用的结果，来源为百花湖周边生活污染、农业面源污染。

(2)百花湖2019年水质四季变化明显，一二季度优于三四季度水质，三季度最差，一季度最好。水温升高，水质变差；水温降低，水质变好。

(3)百花湖入湖口采样点的水质污染程度大于出湖口采样点的污染，需要减少上游氮磷盐类和有机物的入库量。