主成分分析在洱海水质评价中的应用

李 萍

（昆明理工大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650000）

0 引言

洱海是云南省第二大淡水湖泊，大理市饮用水源地，苍山洱海国家级自然保护区和风景名胜区，具有提供工农业生产用水和保持生物多样性等多种功能，是大理市乃至大理州经济社会可持续发展的基础[1]。

近年来由于洱海周围人口急剧增加，农业、旅游业迅速发展，大量营养物质排入洱海，致使洱海富营养化严重[2]。面对日益严峻的洱海保护形势，开启了洱海保护抢救模式，通过“七大行动”、流域转型发展等各项措施，洱海水质下滑趋势得到遏制，但洱海水质尚未得到根本性改善，水生态环境仍然脆弱，仍处在敏感的富营养化转型期[1]。随着洱海流域人口增长、空间开发强度加大、水资源利用量增加，洱海的保护治理仍然面临着严峻挑战。

本文选取洱海2011—2020年的监测数据，采用主成分分析法进行水质评价，分析研究洱海水质时空变化特征，对洱海保护治理工作提供一定的参考。

1 材料和方法

1.1 采样点位置

根据洱海的地理情况、入出湖特点，在洱海北部、中部、南部设置了11个测点，其中北部设置桃源（631）、湖心0（632）、双廊（633）、喜洲（280）、湖心1（281）共5个测点，中部设置龙龛（283）、湖心（284）、塔村（285）3个测点，南部设置小关邑（286）、湖心3（287）、石房子（288）3个测点，详见图1。

图1 洱海采样布点图

1.2 监测时间及监测指标

2011—2020年每月1—10日对洱海11个测点进行采样监测，监测指标为pH、DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TP、TN、chla、SD等10项。

1.3 主成分分析法

主成分分析法本质上是一种简化数据和降低数据维数的方法，广泛应用于包括水质评价在内的多个领域。对于十几种水质因子变量描述的数据结果，变量多可以更加细致地描述水质状况，但变量多，处理难度增大，增加分析的复杂程度。主成分分析通过先找到含信息量最大的水质变量，然后考察该水质变量包含的信息量，当其不足以表达水质数据包含的信息时，继续找下一个变量，直到满足相关表达要求为止[3-6]。

2 分析结果与讨论

2.1 数据分析

（1）标准化处理及相关系数计算

通过SPSS 23.0对洱海11个测点监测数据进行标准化处理[7]，对标准化后的数据进行主成分分析，进行变量相关性检验（见表1）、KMO和Bartlett检验（见表2）。由表2可知KMO 取样适切性量数为0.669，＞0.5， Bartlett形度检验显著性均＜0.05，表明各个变量具有相关性，适合进行主成分分析。

表1 监测指标相关性矩阵

表2 KMO和BartIett检验结果

（2）主成分的确定

计算各成分特征值、方差百分比和累计方差百分比（见表3）。确定了三个主成分，累计方差百分比达到74.377%，可以对洱海水质空间特征进行评价。

表3 主成分分析总方差分布表

分析发现在初始主成分载荷矩阵中，各因子差异不明显，载荷反映信息过多。为了更好地解释主成分，采用方差最大旋转（ Varimax） 的方法对初始载荷矩阵进行旋转，得到旋转后的主成分载荷矩阵（见表4）。

从表4来看，与第一主成分密切相关的是CODCr、NH3-N、TN，与第二主成分密切相关的是pH、TP，与第三主成分密切相关的是DO、SD。可将洱海污染物主要分三类，一类为有机物污染，另一类为富营养化物质，然后以pH、DO、SD为代表的因子，将其视为藻类生境指标。

（3）主成分得分

利用旋转后的成分矩阵除以各主成分对应特征值的平方根，求得相应特征向量，将标准化后的数据和特征向量相乘[8]，得到如下的主成分表达式：

其中：X1（pH）、X2（DO）、X3（CODMn）、X4（CODCr）、X5（BOD5）、X6（NH3-N）、X7（TP）、X8（TN）、X9（chla）、X10（SD）。

根据公式（1）~（4），计算得出2011—2020年洱海水质主成分分析得分值（见表5），综合得分越高，说明样品污染物含量越高。

表5 2011—2020年洱海水质空间变化主成分分析得分值统计表

2.2 水质时空特征分析

从2011—2020年洱海11个测点的水质单因子评价结果 （见表6） 来看，水质类别在Ⅱ~Ⅲ类波动。由于单因子评价法是通过最差水质指标来确定水质类别，尽管洱海11个测点的水质存在一定的变化，但通过单因子评价法不能充分反映水质的动态变化过程和规律；根据主成分分析的结果（表5），所有水质指标的资料已纳入主成分分析内，可定量反映洱海水质的空间特征。从主成分综合得分值的数值特征（表5和图2）来看，洱海11个测点的水质综合得分值排序是: 桃源＞龙龛＞双廊＞湖心0＞喜洲＞小关邑＞石房子＞湖心3＞塔村＞湖心1＞湖心。由此可见北部桃源水质较差，综合得分值是0.55，是11个测点中分值最高的；而中部湖心的水质较好，综合得分值是-0.52，反映出洱海中部的水质最好，南部次之，北部最差。

表6 2011—2020年洱海水质空间综合评价结果

图2 洱海主成分综合得分均值空间变化图

洱海流域传统农业发达，种植面积较大，随着经济发展及人口增加，肥料使用的加大，而灌溉及耕作还在沿用传统模式，导致农业面源污染成为洱海流域重要污染源。洱海入湖河流集中在北部和南部区域，北部弥苴河、罗时江、永安江、南部波罗江流经大面积人口集中地区，受农业面源污染、散养畜禽养殖、生活污水等干扰较重，同时北部弥苴河、罗时江、永安江是洱海入湖水量最大的三条河流，大量入湖河水带入污染物，导致北部水质最差，南部次之，中部最好[9-11]。

从图3中可以看出2011—2014年洱海水体污染变轻，水质变好，在2014年值最低，综合得分-1.57；2015—2018年水质污染逐步加重，在2018年达到峰值，综合得分1.56，为近10年最差年份；随后2019年、2020年水质有持续改善趋势。

图3 2011—2020年洱海主成分综合得分均值变化趋势

综合来看，呈现这一变化趋势的主要原因是近10年来，井喷式的旅游带动洱海流域餐饮客栈服务业的发展，也带来人口聚集和生产生活方式的变化，而洱海流域截污治污设施建设投入不足，管网覆盖率和污水收集处理率低。同时，受农业面源污染、生产生活污水影响，主要入湖河流水质较差，清水入湖量大幅减少，湖水不能良性循环。虽然多次采取整治措施，却一直不能根除污染源，导致洱海陷入边治理边污染、水质污染不断加重的恶性循环，保护治理已经迫在眉睫。通过截污治污、生态搬迁、流域转型发展、面源污染控制等措施，洱海流域生活污水得有效处置，餐饮客栈等得到有效管控，流域大蒜全面禁种，化肥使用量减少，面源污染得到一定控制，三库连通工程实施及苍山十八溪无序取水整治使得清水补充进入洱海，增加清水入湖量，使洱海2019—2020年水质有了一定的改善，但是要达到水功能目标还任重道远，需要持续推进洱海保护治理工作[12]。

3 结论

（1）洱海水质污染情况主要取决于CODCr、NH3-N、TN、TP、pH、DO、SD等指标，水体污染主要以有机物污染及富营养化为主。

（2）2011—2020年洱海北部桃源水质较差，而中部湖心的水质较好，总体呈现洱海中部的水质最好，南部次之，北部最差。

（3）2011—2014年洱海水质污染逐渐变轻，在2014年值最低；2015—2018年水质污染有加重趋势，在2018年值最高；2019年、2020年水质持续改善。