基于主成分分析的近海水質(zhì)評價模型及其應(yīng)用研究
——以雷州半島海域為例

付東洋,張 瑩*,劉大召,丁又專,欒 虹,楊 鋒,梁曉軍,黃一平

(1.廣東海洋大學(xué) 海洋遙感與信息技術(shù)實驗室，廣東 湛江 524088；2.湛江市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 湛江 524039)

基于主成分分析的近海水質(zhì)評價模型及其應(yīng)用研究
——以雷州半島海域為例

付東洋1,張 瑩*1,劉大召1,丁又專1,欒 虹1,楊 鋒2,梁曉軍2,黃一平2

(1.廣東海洋大學(xué) 海洋遙感與信息技術(shù)實驗室，廣東 湛江 524088；2.湛江市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 湛江 524039)

為建立適用于近岸海域水質(zhì)的評價模型，依照《國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》構(gòu)建了1個包含13種水質(zhì)指標(biāo)信息、共計400個假設(shè)采樣站位的數(shù)據(jù)樣本。通過計算其KMO統(tǒng)計量、球形檢驗及相關(guān)矩陣發(fā)現(xiàn)，各水質(zhì)指標(biāo)間存在較大相關(guān)性，故可利用主成分分析方法進行分析。針對13個水質(zhì)指標(biāo)，僅前2個特征根大于1的主成分是有效的，且它們可以代表原假設(shè)數(shù)據(jù)81.25%的信息。利用前2個主成分建立了可完全區(qū)分四類水質(zhì)的自動分類圖版，即水質(zhì)評價模型。根據(jù)上述水質(zhì)評價模型繪制了2010年雷州半島近岸海域的水質(zhì)類型專題圖。分析表明，雷州半島的湛江港灣、鑒江口海域及鐵山港區(qū)為第四類水質(zhì)，東海島西南、鑒江口外海、徐聞東北角海域、流沙灣及江洪港海域為三類水質(zhì)，其它區(qū)域為一、二類水質(zhì)。本研究較好地反應(yīng)了雷州半島近岸海域水質(zhì)分布狀況，可為該海域海洋環(huán)境綜合治理及利用提供一定參考。

雷州半島海域；近海水質(zhì)；自動評價模型；主成分分析

0 引言

水質(zhì)系統(tǒng)是一個多維因子組成的復(fù)雜系統(tǒng)[1]。依據(jù)《海水水質(zhì)國家標(biāo)準(zhǔn)》，考慮海水水質(zhì)分類問題所涉及到的指標(biāo)多達35項，且這些指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性，如總磷和總氮的增加會引起藻類的大量繁殖，勢必引起水體pH值的變化。水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的眾多及指標(biāo)間的相關(guān)性都給水質(zhì)評價工作帶來一定的困難。以往的水質(zhì)評價方法主要有單因子指數(shù)法[2-4]、綜合指數(shù)法[5-6]、分級評價法[7]、模糊理論、灰色系統(tǒng)理論、投影尋蹤等方法[8-12]。然而上述方法都是盡可能利用較多的水質(zhì)指標(biāo)建立水質(zhì)評價模型，在站位數(shù)據(jù)較多的情況下，不僅計算量大，而且由于水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性，影響了評價模型的效果。除此之外，對海洋水質(zhì)狀況的研究主要集中在渤海灣、長江口及珠江口海域[13-15]，尚缺少對雷州半島近岸海域水質(zhì)狀況的研究。

本文針對上述問題，建立了適用于近岸海域尤其是雷州半島(約20°00′N～21°70′N， 109°20′E～111°00′E范圍)的近海水體的水質(zhì)評價模型：首先依據(jù)《海水水質(zhì)國家標(biāo)準(zhǔn)》建立一個四類水質(zhì)的假設(shè)樣本(共400個站位組成，每個站位包含13個水質(zhì)指標(biāo)信息)；繼而利用KMO統(tǒng)計和球形檢驗對該樣本中13個指標(biāo)的相關(guān)性進行探討；再基于正交變換思想，利用主成分分析(PCA)將相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)量化為少數(shù)不相關(guān)的主成分；最后利用得到的主成分建立水質(zhì)評價模型，從而實現(xiàn)近岸海域水質(zhì)狀況的自動分析評價。

1 水質(zhì)評價模型的建立

1.1 水質(zhì)假設(shè)樣本

根據(jù)研究區(qū)實測水質(zhì)數(shù)據(jù)所涉及到的13個指標(biāo)，這13個指標(biāo)通常也是我國近海環(huán)境監(jiān)測采用的指標(biāo)，按照GB3097—1997《國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[16](表1)建立包含400個數(shù)據(jù)點的假設(shè)樣本，即以這13個水質(zhì)指標(biāo)各級的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間值作為樣本值，每類水質(zhì)100個數(shù)據(jù)點，共四類水質(zhì)。

表1 海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[16]

1.2 水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性

表2為13個水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)矩陣。從表中可以看出，13個水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性較高，基本保持著0.7～0.8的相關(guān)度，因此如果直接使用這13個指標(biāo)建立評價模型，會帶來嚴重的共線性問題。

表2 13個水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)矩陣

同時，計算該樣本各指標(biāo)間的偏相關(guān)性KMO統(tǒng)計量(Kaiser-Meyer-Olkin)值為0.97，也說明了各水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)度較大；而該樣本的球形假設(shè)檢驗被拒絕，說明各水質(zhì)指標(biāo)并非獨立，取值是有較大相關(guān)性的。

1.3 基于PCA的水質(zhì)評價模型

通過計算相關(guān)矩陣、KMO統(tǒng)計量及球形檢驗可知，上述13個水質(zhì)指標(biāo)間存在較大的相關(guān)度。而主成分分析(PCA)恰是一種可以通過少數(shù)幾個主成分來解釋多個變量的方差-協(xié)方差結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)變換方法，因此可利用PCA建立近海水質(zhì)評價模型。

1.3.1 主成分的提取

利用主成分分析方法，對水質(zhì)假設(shè)樣本中的13個指標(biāo)進行提取，最多可以提取13個主成分。觀察提取結(jié)果(表3)可知：第1個主成分的特征根為9.42，它解釋了總變異的72.48%；第2個主成分的特征根為1.14，它解釋了總變異的8.77%；再繼續(xù)看第3個主成分，它的特征根為0.82，至此之后的各個主成分的特征值均小于1，說明該主成分的解釋力度還不如直接引入原變量參數(shù)。因此，可見只提取前2個主成分即可，可解釋總變異的81.25%。

表3 主成分分析表

為了更好地體現(xiàn)這種提取方式是否可以有效表征原始的水質(zhì)參數(shù)，可以計算公因子方差比(表4)，由此看出原始各水質(zhì)指標(biāo)中信息分別被提取出的比例。由表4可見，除pH的信息未能較充分地提取，其余12個水質(zhì)指標(biāo)的信息都被充分提取了，可達到71%～91%的提取程度。

表4 公因子方差比

1.3.2 水質(zhì)評價圖版

通過上述討論可知，13個水質(zhì)指標(biāo)可以通過主成分分析方法轉(zhuǎn)化為2個主成分。對于假設(shè)樣本總體而言，這2個主成分可以代表原假設(shè)樣本數(shù)據(jù)81.25%的信息。所提取的2個主成分與原13個水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系式如下：

F1=0.1XN+0.094XP-0.098XDO+0.1XCOD-0.037XpH+0.096XOil+0.091XHg+0.091XCd+0.089XPd+0.097XCr+0.091XAs+0.084XCu+0.089XZn

(1)

F2=-0.104XN+0.111XP+0.132XDO-0.099XCOD+0.469XpH+0.196XOil+0.286XHg-0.285XCd+0.313XPd+0.159XCr-0.329XAs-0.255XCu+0.33XZn

(2)

其中，XN,XP,XDO,XCOD,XpH,XOil,XHg,XCd,XPd,XCr,XAs,XCu和XZn分別代表海水中無機氮、活性磷酸鹽、溶解氧、化學(xué)需氧量、pH、石油類、汞、鎘、鉛、總鉻、砷、銅和鋅的含量。

由此，將這400個假設(shè)數(shù)據(jù)按照上述關(guān)系式進行轉(zhuǎn)換，得到F1和F2值進行交會投點以建立水質(zhì)類型自動分類圖版(圖1)。該圖版對于依照《國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》所建立的400個假設(shè)數(shù)據(jù)點，四類水質(zhì)能夠完全正確地區(qū)分開，說明該圖版具有良好的水質(zhì)分類能力。

圖1 水質(zhì)自動分類圖版

表5給出了各類水質(zhì)F1和F2取值范圍。對于待判站位水質(zhì)類型的歸屬，即可以通過上述關(guān)系式將眾多水質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為F1和F2這2個主要成分，再根據(jù)表5中F1和F2的范圍判斷其所歸屬的水質(zhì)類型，從而實現(xiàn)水質(zhì)的自動判別。

表5 各類水質(zhì)F1和F2取值范圍

2 雷州半島近岸海域水質(zhì)狀況應(yīng)用研究

2.1 研究區(qū)概況

雷州半島(約20°00′N～21°70′N， 109°20′E～111°00′E范圍)位于中國大陸最南端，東臨南海，西靠北部灣，南與海南省隔海相望，是我國第三大半島，有東海島、南三島和硇洲等島嶼。該區(qū)域的湛江港不僅是我國大西南及東南亞地區(qū)重要的年吞吐能力近億噸的出海大通道，同時也是國家級紅樹林、珊瑚礁的自然保護區(qū)，該區(qū)域生境多樣，生物區(qū)系復(fù)雜，是多種經(jīng)濟魚、蝦、貝類的繁育所，因而也是我國尤其是廣東省最重要的海產(chǎn)品養(yǎng)殖區(qū)。據(jù)廣東省海洋環(huán)境質(zhì)量公報報道，隨著近幾年湛江市(雷州半島所轄行政區(qū))經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，特別是隨著湛江港吞吐量的增加以及臨港工業(yè)的高速發(fā)展，尤其是湛江石化產(chǎn)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的進一步發(fā)展，湛江灣海水污染日趨明顯，富營養(yǎng)化加重，赤潮時有發(fā)生。其中湛江港、流沙灣等海域富營養(yǎng)化異常嚴重，部分區(qū)域富營養(yǎng)化指數(shù)達到幾十甚至超過100[17]，湛江港灣內(nèi)部分區(qū)域呈三類甚至四類水質(zhì)[18-19]，海洋水質(zhì)環(huán)境呈明顯下降趨勢，因而加強該區(qū)域海洋水質(zhì)環(huán)境調(diào)查與研究日益緊迫。

2.2 結(jié)果與分析

本文以雷州半島近岸海域為示范研究區(qū)域，基于2010年夏季該海域55個采樣站位，每站位13個水質(zhì)要素指標(biāo)為實驗樣本，利用本文建立的水質(zhì)自動評價方法對雷州半島近岸海域的水質(zhì)狀況進行了分析，繪制了2010年雷州半島近岸海域水質(zhì)分類專題圖(圖2)。結(jié)果表明，總體上2010年雷州半島外海海域水質(zhì)狀況較好，主要呈一類和二類水質(zhì)環(huán)境，但近岸海域尤其港灣內(nèi)水質(zhì)狀況較差，不少區(qū)域呈三、四類水質(zhì)，且半島以東海域較以西海域水質(zhì)狀況更差一些。其中，湛江港口及鄰近海域均為第四類水質(zhì)，包括麻斜海、石龍海、鑒江出?？诩皷|海島跨海大橋西南淺灘海域，一方面，這些區(qū)域不僅受湛江市城市生活污染物排放的影響，同時也受湛江港及湛江石化企業(yè)等工業(yè)排放的影響;另一方面，湛江港口是一個半封閉狀、港口處受特呈島及東海島的阻擋因而出海通道相對狹小的港口，港區(qū)內(nèi)海水動力交換能力弱，這正是該區(qū)域水質(zhì)狀況呈四類水質(zhì)的主要原因。另一四類水質(zhì)區(qū)域主要集中在湛江與廣西北海交界的區(qū)域，即鐵山港區(qū)及山口紅樹林保護區(qū)，這一區(qū)域水質(zhì)較差的主要原因可能是由于受港口排污的影響，同時由于灣口淺而狹長，水交換相對較弱所致。鑒江口外海、東海島灣內(nèi)海域、徐聞縣東北角海域、流沙灣海域以及江洪港鄰近海域均呈三類水體，其中鑒江口外海、東海島附近及鐵山港區(qū)外?？赡苤饕転硟?nèi)四類水質(zhì)擴散的影響；而流沙灣、江洪港及徐聞東北角海域均是重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，尤其是流沙灣附近海域，是我國海水珍珠貝苗和海水珍珠的重要生產(chǎn)基地, 也是我國“南珠”的主要產(chǎn)區(qū)之一，水體懸浮泥沙及富營養(yǎng)化程度較高[20]，這可能是這些區(qū)域水質(zhì)較差的主要原因。從圖2可見，流沙灣及鄰近海域三類水質(zhì)面積較大，并呈楔形向西南擴展，惡劣的水質(zhì)環(huán)境對該區(qū)域珍珠貝養(yǎng)殖業(yè)會帶來較大負面影響。

圖2 2010年雷州半島近岸海域水質(zhì)類型專題圖

除湛江與北海交界的海灣區(qū)域的水質(zhì)研究鮮有報道外，其他學(xué)者研究表明，湛江港及鄰近區(qū)域常呈三類、四類水質(zhì)[17-19]，與本文的分類結(jié)果較為一致，而流沙灣等區(qū)域一般呈二類水質(zhì)狀況[21]。根據(jù)我們獲得的分類結(jié)果來看，湛江港附近海域三類、四類水質(zhì)的面積較早期研究結(jié)果有明顯的增大[22-23]，且流沙灣附近海域也由二類水質(zhì)下降為三類水質(zhì)區(qū)域，山口紅樹林自然保護區(qū)近海水質(zhì)狀況更不容樂觀，上述分析表明，雷州半島近岸海域近年水質(zhì)狀況呈進一步惡化趨勢。

3 結(jié)論

(1)本研究根據(jù)《國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中各水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間值建立假設(shè)采樣數(shù)據(jù)，研究共假設(shè)400個數(shù)據(jù)點，每類水質(zhì)100個數(shù)據(jù)點，每個數(shù)據(jù)點包含13個水質(zhì)指標(biāo)信息。計算該假設(shè)數(shù)據(jù)的KMO統(tǒng)計量值為0.97，球形檢驗被拒絕。

(2)為了消除各水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性，基于正交變換的思想，引入主成分分析方法將13個水質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為2個主要成分，繼而利用這2個主成分制作交會圖版，實現(xiàn)水質(zhì)類型的自動評價，該評價方法可以完全正確地區(qū)分400個數(shù)據(jù)點水質(zhì)類型。

(3)利用2010年雷州半島近岸海域?qū)崪y數(shù)據(jù)，對本文采用的方法進行了應(yīng)用研究，該分類方法較好地反應(yīng)了雷州半島近岸海域水質(zhì)環(huán)境實際情況。湛江港口、鑒江口海域及鐵山港區(qū)附近海域均為第四類水質(zhì)，而東海島、雷州灣、流沙灣和江洪港附近海域呈三類水質(zhì)，與早期研究結(jié)果相比，該區(qū)域水質(zhì)環(huán)境有進一步惡化的趨勢。

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Evaluation model of coastal water quality and application research based on principal component analysis ——a case of Leizhou Peninsula waters

FU Dong-yang1, ZHANG Ying*1, LIU Da-zhao1, DING You-zhuan1, LUAN Hong1, YANG Feng2, LIANG Xiao-jun2, HUANG Yi-pin2

(1.LaboratoryofOceanRemoteSensing&InformationTechnology,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,China; 2.ZhanjiangOceanicandFisheryEnvironmentalMonitoringStation,Zhanjiang524039,China)

In this study, a data sample has been established including 13 sorts of water quality indexes and 400 stations of hypothesis sampling according to the for the evaluation model of coastal water quality. By calculating the KMO, sphericity test as well as the correlation matrix of all indexes, it was found that there were good correlation among indexes, which indicated that the principal component analysis (PCA) could be applied to extract information. For 13 indexes of water quality, only the first two principal components with eigenvalues greater than 1 were effective, which could represent 81.25% information of the samples. As a result, a quality automatic classification layout (evaluation model) which could accurately classify four kinds of waters had been set up. A thematic map of water quality classification in the coastal waters of Leizhou Peninsula in 2010 was drawn according to the water quality automatic evaluation method. In this map, case IV waters were in the Zhanjiang Harbor, Jianjiang Estuary and Tieshan Harbor sea areas, and case III waters were mainly in the southwest of Donghai Island, offshore areas of Jianjiang Estuary, northeast of Xuwen, Liusha Bay and Jianghong Harbor sea areas, and on the other sea areas of Leizhou Peninsula, they were case I and II waters in 2010. This study provides a better distribution in water quality environment of the coastal waters of Leizhou Peninsula, which offers some references for the comprehensive treatment and utilization in this area.

Leizhou Peninsula; coastal water quality; automatic evaluation model; principal component analysis

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.007.

2014-07-02

2014-12-30

國家海洋重大公益專項項目資助(201305019)；浙江省博士后基金項目資助(BSH1301015)；國家海洋局第二海洋研究所博士后基金項目資助(JG1319)；衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室開放基金項目資助(SOED1202)；廣東省社會科學(xué)規(guī)劃項目資助(GD12YGL04)；廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新計劃項目資助(2012WYM_0077)；廣東海洋大學(xué)博士啟動基金項目資助(E11043, E11332, E11097)

付東洋(1969-)，男，四川閬中市人，副教授，主要從事海洋遙感與環(huán)境方面的研究。E-mail:fdy163@163.com

*通訊作者:張瑩(1982-)，女，講師，主要從事海洋遙感與環(huán)境方面的研究。E-mail: zhangying198206@126.com

X824

A

1001-909X(2015)01-0045-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.007

付東洋,張瑩,劉大召，等.基于主成分分析的近海水質(zhì)評價模型及其應(yīng)用研究——以雷州半島海域為例[J].海洋學(xué)研究,2015,33(1):45-50,

FU Dong-yang, ZHANG Ying, LIU Da-zhao, et al. Evaluation model of coastal water quality and application research based on principal component analysis——a case of Leizhou Peninsula waters[J]. Journal of Marine Sciences,2015,33(1):45-50, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.01.007.