鳴翠湖水環(huán)境因子分析與水質(zhì)評(píng)價(jià)

尹亮等

摘要：2014年1～10月，在對(duì)銀川市鳴翠湖水環(huán)境因子調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析方法分析研究影響鳴翠湖水質(zhì)的主要環(huán)境因子，運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)鳴翠湖的水質(zhì)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，造成鳴翠湖水環(huán)境污染的水環(huán)境因子分為3類，第1類是氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽與有機(jī)物引起的水體污染，包含的因子為葉綠素a（Chl.a）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）；第2類是氮營(yíng)養(yǎng)鹽引起的水體污染，包含的因子為氨氮（NH3-N）、五日生化需氧量（BOD5）；第3類為溶解鹽類引起的水體污染，包含的因子為pH。鳴翠湖水環(huán)境的主要因子依次為pH、NH3-N、TN、TP、Chl.a、CODMn、BOD5，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽在愛(ài)伊河水體中起主導(dǎo)作用。鳴翠湖水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ類。

關(guān)鍵詞：鳴翠湖；主成分分析；灰關(guān)聯(lián)；模糊綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X321；X8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）18-4455-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.017

水環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)由多因子構(gòu)成的多層次的復(fù)雜系統(tǒng)，水環(huán)境質(zhì)量受諸多因子的影響，每一個(gè)因子都從某一方面反映水質(zhì)質(zhì)量[1]。正確分析影響水質(zhì)的各因素特征信息以及各因素之間的相互作用，才能得到較為可靠的綜合分析結(jié)果。目前，常用的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法有指數(shù)評(píng)價(jià)法[2]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]、灰色識(shí)別法[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、主成分法[1，6]等。

鳴翠湖位于銀川市興慶區(qū)東側(cè)掌政鎮(zhèn)境內(nèi)，占地總面積6.67 km2，平均水深2 m，主要依靠黃河灌溉、農(nóng)田退水補(bǔ)水。2005年被寧夏回族自治區(qū)人民政府列為自治區(qū)濕地公園，2006年被國(guó)家林業(yè)局確定為國(guó)家濕地公園。近年來(lái)由于過(guò)度開發(fā)、利用，使鳴翠湖水生生物資源衰退，部分水域呈現(xiàn)生態(tài)荒漠化趨勢(shì)，水生生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，再加之農(nóng)田退水不可避免的外源性污染，導(dǎo)致湖水富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇，湖區(qū)水生生態(tài)系統(tǒng)功能下降。

本研究擬在分析鳴翠湖水環(huán)境因子時(shí)空分布特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析法對(duì)鳴翠湖水環(huán)境因子進(jìn)行研究，以期在眾多水質(zhì)因子中找出最具代表性的因子進(jìn)行深入地分析，并運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)鳴翠湖的水質(zhì)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在為鳴翠湖水體污染綜合防治提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)的布設(shè)與采樣時(shí)間

樣點(diǎn)的布設(shè)根據(jù)鳴翠湖水域特點(diǎn)、形態(tài)及進(jìn)出水狀況、考慮水力條件、水系分布設(shè)置春草堂（S01）、水車苑（S02）、湖中心（S03）、北岸（S04）4個(gè)采樣點(diǎn)，采樣時(shí)間分別為2014年春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）、冬季（1月）。

1.2 水樣采集與測(cè)定

水樣采集按照《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（HJ495-2009）》、《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)（HJ495-2009）》、《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定（HJ493-2009）》中的要求進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體水溫（WT）、pH、透明度（SD）和電導(dǎo)率（EC）。用5.0 L采水器采集水樣保存，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定懸浮物（SS）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、葉綠素a（Chl.a）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）及總磷（TP）的含量，水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定依照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，Chl.a測(cè)定依照參考文獻(xiàn)[7]進(jìn)行。

1.3 水環(huán)境因子分析的主成分分析法

主成分分析法是一種將多因子納入同一系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而找出關(guān)鍵影響因子的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。水環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)由多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，水質(zhì)受諸多因子的影響。主成分分析法應(yīng)用于水環(huán)境因子分析[1，6]主要有兩方面：一是建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)各采樣點(diǎn)間的相對(duì)污染程度，并對(duì)各采樣點(diǎn)的污染程度進(jìn)行分級(jí)；二是評(píng)價(jià)各單項(xiàng)指標(biāo)在綜合指標(biāo)中所起的作用，指導(dǎo)刪除那些次要的指標(biāo)，從而確定影響水質(zhì)的主要因子。

應(yīng)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)鳴翠湖水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，運(yùn)用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法對(duì)因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按照85%的累積方差貢獻(xiàn)率提取主成分，然后選擇旋轉(zhuǎn)后載荷值大于0.6的指標(biāo)作為主要因子進(jìn)行分析[8-10]。各水質(zhì)因子主成分得分值與對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率乘積的總和即為各水質(zhì)因子的綜合得分[11]，計(jì)算各水質(zhì)因子的綜合得分，按照分值大小排序，確定鳴翠湖的主要水質(zhì)因子及其影響程度。

1.4 水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的灰色關(guān)聯(lián)法

在水環(huán)境因子主成分分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取主要水環(huán)境因子做為評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法對(duì)鳴翠湖水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)[12，13]。各參數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）規(guī)定的5類水質(zhì)。以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)為比較數(shù)列，各樣站水體實(shí)測(cè)值為參考數(shù)列，分別將水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)測(cè)值歸一化處理，計(jì)算各樣點(diǎn)與各水質(zhì)級(jí)別的關(guān)聯(lián)度，按關(guān)聯(lián)度大小排序，得灰色關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度越大，表明越接近某一級(jí)別，由此可判斷某一樣點(diǎn)水質(zhì)的級(jí)別[14]。

1.5 水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)價(jià)法

在水環(huán)境因子主成分分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取主要水環(huán)境因子做為評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)鳴翠湖水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)[15，16]。各參數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）規(guī)定的5類水質(zhì)，確定評(píng)價(jià)集為：V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定的限值，即根據(jù)每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的5級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定5個(gè)級(jí)別的隸屬函數(shù)[17]，分別計(jì)算10個(gè)樣點(diǎn)評(píng)價(jià)因子的隸屬度矩陣。采用主成分分析法確定各指標(biāo)權(quán)重的大小。計(jì)算隸屬度（B）=權(quán)重集（A）×模糊矩陣（R），根據(jù)最大隸屬度原則判定各樣點(diǎn)水質(zhì)隸屬級(jí)別。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于主成分的鳴翠湖水環(huán)境因子分析

因各樣點(diǎn)水溫差別不大，故不做主成分分析。將鳴翠湖4個(gè)樣點(diǎn)的各水質(zhì)指標(biāo)年平均值進(jìn)行主成分分析，運(yùn)用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法對(duì)因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按照85%的累積方差貢獻(xiàn)率共提取出3個(gè)主成分（表1），然后選擇旋轉(zhuǎn)后載荷值>0.6的指標(biāo)作為主要水質(zhì)因子進(jìn)行分析（表2）。主成分分析結(jié)果將鳴翠湖的水環(huán)境因子區(qū)分為3類，主成分1的貢獻(xiàn)率為76.50%，對(duì)水質(zhì)起主導(dǎo)作用，包含的水質(zhì)因子為Chl.a、TN、TP、CODMn，可以認(rèn)為是氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽與有機(jī)物引起的水體污染；主成分2的貢獻(xiàn)率為7.05%，包含的因子為NH3-N、BOD5，可以認(rèn)為是氮營(yíng)養(yǎng)鹽與藻類引起的水體污染；主成分3的貢獻(xiàn)率為6.24%，包含的因子為pH，可以認(rèn)為是溶解鹽類引起的水體污染。

鳴翠湖各水質(zhì)因子的綜合得分見表3，按照分值大小排序，可確定影響鳴翠湖水環(huán)境的主要因子依次為pH、NH3-N、TN、TP、Chl.a、CODMn、BOD5，綜合分析，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽在鳴翠湖水體中起主導(dǎo)作用，氮、磷含量的變化是引起鳴翠湖水質(zhì)變動(dòng)的主要原因。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果

鳴翠湖各樣點(diǎn)水體實(shí)測(cè)值與各水質(zhì)級(jí)別的關(guān)聯(lián)度如表4所示，4個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)級(jí)別均為Ⅳ類，綜合評(píng)價(jià)鳴翠湖的水質(zhì)為Ⅳ類。

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

鳴翠湖的補(bǔ)水水源主要來(lái)自于農(nóng)田溝道排水，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽在鳴翠湖水體中起主導(dǎo)作用，也是鳴翠湖水體逐漸呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)的主要原因。結(jié)合鳴翠湖主要水環(huán)境因子的分析結(jié)果，選取CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP等5種污染物指標(biāo)做為評(píng)價(jià)因子。采用主成分分析法確定的各指標(biāo)權(quán)重見表5。

根據(jù)每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的5級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定5個(gè)級(jí)別的隸屬函數(shù)，分別計(jì)算4個(gè)樣點(diǎn)，按CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP排序的隸屬度矩陣如下：

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模糊評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

模糊綜合評(píng)價(jià)方法充分考慮了各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在總體評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)大小和評(píng)價(jià)等級(jí)的不確定性[18]，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，在水質(zhì)評(píng)價(jià)方面取得了一定的進(jìn)展并得到了廣泛的應(yīng)用[19，20]。模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，賦權(quán)方法不同，權(quán)重值也有差別，評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)有較大差異[21]。主成分賦權(quán)法強(qiáng)調(diào)水質(zhì)污染因子之間的內(nèi)在聯(lián)系，可提高權(quán)重值的準(zhǔn)確性以及定權(quán)方法的實(shí)用性[22]。因此，本研究采用主成分賦權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重。

在水體環(huán)境中，影響水體水質(zhì)的因素很多，不同時(shí)期、不同指標(biāo)對(duì)水質(zhì)類別的貢獻(xiàn)程度是處于變化過(guò)程中的，具有不精確、不確定和不完全性的特征[23]。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法與模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)鳴翠湖的評(píng)價(jià)的結(jié)果有差異，灰關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)鳴翠湖4個(gè)樣點(diǎn)及綜合均為Ⅳ類，模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)S03號(hào)樣點(diǎn)為Ⅳ類，S01、S02為Ⅲ類，S04為Ⅱ類，綜合評(píng)價(jià)為Ⅲ類。綜合兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及鳴翠湖水體的實(shí)際情況，本研究認(rèn)為，對(duì)于鳴翠湖而言，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法所得的評(píng)價(jià)結(jié)果較為符合實(shí)際。鳴翠湖補(bǔ)水水源為農(nóng)業(yè)灌溉退水，其氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)是造成鳴翠湖水體污染的主要原因，因此，鳴翠湖水體污染防治主要應(yīng)以降低外源性氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的含量為主。

3 小結(jié)

在水體環(huán)境中，影響水體水質(zhì)的影響因素很多，不同指標(biāo)對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)程度不同，在眾多水環(huán)境因子中選取主導(dǎo)因子，然后再進(jìn)行水質(zhì)分析和評(píng)價(jià)，其結(jié)果比較客觀、符合實(shí)際。本研究在分析鳴翠湖水環(huán)境因子時(shí)空分布特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析法研究確定影響鳴翠湖水質(zhì)的主要因子之后，再對(duì)鳴翠湖的水質(zhì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

主成分分析結(jié)果將鳴翠湖的水環(huán)境因子區(qū)分為3類，主成分1的貢獻(xiàn)率為76.50%，對(duì)水質(zhì)起主導(dǎo)作用，包含的水質(zhì)因子為Chl.a、TN、TP、CODMn，可以認(rèn)為是氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽與有機(jī)物引起的水體污染；主成分2的貢獻(xiàn)率為7.05%，包含的因子為NH3-N、BOD5，可以認(rèn)為是氮營(yíng)養(yǎng)鹽與藻類引起的水體污染；主成分3的貢獻(xiàn)率為6.24%，包含的因子為pH，可以認(rèn)為是溶解鹽類引起的水體污染。鳴翠湖各水質(zhì)因子的綜合得分按照分值大小排序，可確定影響鳴翠湖水環(huán)境的主要因子依次為pH、NH3-N、TN、TP、Chl.a、CODMn BOD5，綜合分析，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽在鳴翠湖水體中起主導(dǎo)作用，氮、磷含量的變化是引起鳴翠湖水質(zhì)變動(dòng)的主要原因，總體評(píng)價(jià)鳴翠湖水質(zhì)為Ⅳ類。

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