基于主成分分析的鐵山港水質(zhì)時空變化及驅(qū)動因素

孫 燕，申友利，石洪源，劉國強

（1.國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 北海 536026；2.魯東大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺 264025）

鐵山港位于廣西北海市東部，是廣西重要的出?？?，也是北海市的主要工業(yè)基地。鐵山港灣是北海市面積最大、水體最深的內(nèi)陸港灣，呈狹長的喇叭狀，灣內(nèi)有山口紅樹林和合浦儒艮兩個國家級自然保護區(qū)，分布著紅樹林、海草床等重要生態(tài)系統(tǒng)[1]，同時也是重要的養(yǎng)殖場所，對灣內(nèi)的海水質(zhì)量要求較高。隨著鐵山港沿岸港口碼頭建設(shè)、臨海工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的工業(yè)和生活污染物排入鐵山港灣，造成灣內(nèi)的海水質(zhì)量狀況自2003 年至2012年呈波動下降趨勢[2-3]，此后關(guān)于鐵山港灣水質(zhì)變化狀況的研究很少報道。但此后的幾年，鐵山港大規(guī)模圍填海及臨港工業(yè)持續(xù)發(fā)展，是否造成海域水質(zhì)的嚴重惡化，是一個值得研究的問題，分析鐵山港灣的海水質(zhì)量變化趨勢具有重要意義。

目前，一些學(xué)者對鐵山港灣水質(zhì)的營養(yǎng)鹽分布特征和富營養(yǎng)化狀況進行了大量研究[4-6]，但缺乏利用物理因子、營養(yǎng)鹽和重金屬等綜合指標進行水質(zhì)評價的研究。目前，常用的水質(zhì)評價方法有單因子指數(shù)法、富營養(yǎng)化指數(shù)法、有機污染指數(shù)法、模糊綜合評價法等[7-8]，上述評價方法在站位或監(jiān)測指標較多的情況下，計算工作量較大，有些在一定程度上受到主觀因素影響，存在一定的局限性[9]。主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA） 能夠保證在原始數(shù)據(jù)變量信息損失最小的情況下，利用變量之間存在的相互關(guān)系，通過統(tǒng)計分析方法將眾多變量轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)幾個綜合變量，并且能夠客觀地確定權(quán)重，避免了主觀隨意性[10]。目前PCA 方法已廣泛應(yīng)用在河流、湖泊及海灣的水質(zhì)評價中[11-14]，但應(yīng)用于鐵山港灣水質(zhì)評價及主要驅(qū)動因子的研究尚未見報道。

本文根據(jù)2016—2018 年夏季鐵山港灣海域環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)，運用主成分分析法對鐵山港灣的水質(zhì)狀況進行研究，分析影響該海域水質(zhì)的主要因素，通過主成分綜合得分研究鐵山港灣水質(zhì)時空變化格局，分析該海域水質(zhì)污染的主要來源，可為鐵山港灣海域環(huán)境保護和治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查時間和區(qū)域

鐵山港灣海域海水水質(zhì)調(diào)查的時間為2016—2018 年的8 月（夏季），分為3 個航次，調(diào)查范圍為109.52°E—109.65°E，21.36°N—21.64°N，共布設(shè)調(diào)查站位10 個，其中，內(nèi)灣布設(shè)2 個（T1—T2），灣口布設(shè)4 個（T3—T6），灣外布設(shè)4 個（T7—T10）。

1.2 樣品采集與分析方法

調(diào)查指標共17 項，分別為水溫（T）、pH、鹽度（S）、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（CODMn）、懸浮物（SS）、石油類（Oil）、葉綠素a（Chl-a）、無機氮（DIN，為亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和氨氮之和）、活性磷酸鹽（PO4-P），以及汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）等重金屬。水樣采用有機玻璃采水器進行采集，采樣層次按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378—2007） 的要求采集表層和底層；樣品現(xiàn)場處理和分析方法按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378—2007）執(zhí)行。

水溫采用表層水溫表測定；pH 采用pH 計測定；鹽度采用鹽度計測定；溶解氧采用碘量法測定；化學(xué)需氧量采用堿性高錳酸鉀法測定；懸浮物采用萬分之一電子天平測定；石油類采用紫外分光光度法測定；葉綠素a 采用熒光光度法測定；亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和氨氮均采用流動分析法測定；活性磷酸鹽采用磷鉬藍分光光度法測定；汞和砷采用原子熒光法測定；鉻采用原子吸收分光光度法測定；銅、鉛、鋅、鎘采用陽極溶出伏安法測定。各調(diào)查站位的指標值采用表層和底層的均值參與評價。

1.3 主成分分析

（1）用原數(shù)據(jù)建立樣本矩陣如下。

式中，n 為樣本個數(shù)，每個樣本有p 項指標。本文中n 為30（10 個站位，3 個航次），p 為17。

（2）對原數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除原數(shù)據(jù)間不同數(shù)量級和量綱的影響，標準化處理后數(shù)據(jù)如下。

（3）對標準化處理后的數(shù)據(jù)進行KMO（Kaiser-Meyer-Olkin-Measure of Sampling Adequacy） 檢驗和巴特萊特球形檢驗（Bartlett Test of Sphercity）。KMO 檢驗是對原始變量之間的簡相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的相對大小進行檢驗，KMO 值越接近于1，意味著變量間的相關(guān)性越強，原有變量越適合做因子分析。巴特萊特球形檢驗是通過判斷相關(guān)陣是否為單位陣來驗證各變量間的相關(guān)性，如果相關(guān)陣為單位陣，則各變量間相互獨立，不適合做因子分析，反之則適合做因子分析。當(dāng)KMO 檢驗值大于0.5，Bartlett 球形檢驗值小于0.001 時，表明該數(shù)據(jù)各變量存在相互關(guān)系，并非獨立，可以進行主成分分析。

（4）根據(jù)標準化數(shù)據(jù)矩陣，建立變量的相關(guān)系數(shù)矩陣R=（rij）p×p，根據(jù)特征方程|R-λI| =0，計算R 的特征值λi（i=1，2，…，p），即為主成分的方差，將特征值從大到小排列為λ1≥λ2≥…≥λp，則方差貢獻率為累計方差貢獻率為Ek=不同特征值對應(yīng)的特征向量為Ig=（Ig1，Ig2，…，Igp）T（g=1，2，…，p），通過特征向量將標準化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為主成分F。

（5）根據(jù)主成分方差累積貢獻率至少80%或者特征值大于1.0 的原則確定主成分個數(shù)m。

（6）計算主成分綜合得分，先求每個站位i 前m 個主成分的值，即

然后對前m 個主成分進行加權(quán)求和，每個主成分的權(quán)重系數(shù)為該主成分的方差貢獻率，因此每航次各個站位的綜合得分計算公式如下。

此外，本文通過斯皮爾曼檢驗（Spearman′s test）對主成分和監(jiān)測指標進行相關(guān)性分析，研究了該海域水質(zhì)污染的主要驅(qū)動因子。主成分分析和相關(guān)性分析利用IBM SPSS Statistics 25 軟件進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵山港水質(zhì)調(diào)查結(jié)果

表1 為2016—2018 年夏季鐵山港海域海水各監(jiān)測指標的濃度范圍和平均值的統(tǒng)計結(jié)果，由表可知，每年各監(jiān)測指標在不同區(qū)域含量變化較大，一是由于陸源生活污水、工業(yè)廢水和養(yǎng)殖業(yè)廢水的排入導(dǎo)致部分海域污染物濃度較高；二是由于陸源徑流作用，近岸海域水體被稀釋而使各監(jiān)測指標濃度發(fā)生變化；三是由于受潮汐作用和季風(fēng)的影響，灣內(nèi)和灣外水體交換強度的不同使污染物遷移擴散的能力不同。從年際變化上來看，水溫呈略微上升趨勢，這主要與調(diào)查時的氣候條件有關(guān)；鹽度不具有規(guī)律性，其大小主要與陸源徑流多少有關(guān)；pH、溶解氧和葉綠素a 呈波動狀態(tài)，主要與當(dāng)時的生物活動息息相關(guān)；化學(xué)需氧量、懸浮物和石油類呈逐年下降趨勢；無機氮含量變化為0.180～0.223 mg/L，活性磷酸鹽含量變化為0.006 7～0.010 3 mg/L，蔣清華等[3]對鐵山港灣營養(yǎng)鹽的研究報道中顯示，2012年無機氮的濃度為0.062 mg/L，活性磷酸鹽的濃度為0.001 2 mg/L，可見近幾年營養(yǎng)鹽有了較為明顯的升高；汞呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢但變化不顯著；砷、鉛和鎘呈逐年下降趨勢；2017—2018 年銅和鋅的含量相差不大，且相較于2016 年含量顯著降低；鉻不同于其他重金屬，呈現(xiàn)2017 年和2018年比2016 年含量高的狀況。

表1 鐵山港海域海水水質(zhì)調(diào)查結(jié)果

2.2 鐵山港灣水質(zhì)主成分分析

本研究中的KMO 檢驗值為0.646，巴特萊特球形檢驗值小于0.001，說明變量間存在相互關(guān)系，不相互獨立，主成分分析適用性好，可以進行主成分分析。根據(jù)特征值大于1 的原則篩選出5 種主成分，解釋了原始變量75.74%的信息。篩選出的5種主成分的特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率如表2 所示。通過軟件運行得出主成分的因子載荷見表3，該因子載荷反映了各監(jiān)測指標在主成分中所占的權(quán)重，其值除以對應(yīng)主成分特征值的平方根再乘以標準化后的數(shù)據(jù)即為各主成分得分。

表2 主成分的特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率

表3 主成分中各因子載荷

主成分1 對總方差的貢獻率為31.27%，鹽度和溶解氧占有較高權(quán)重，因子載荷分別為-0.879和-0.878；其次為pH 和活性磷酸鹽，因子載荷分別為-0.803 和0.793，主成分1 既反映了與浮游植物生長相關(guān)的鹽度、溶解氧、pH 等物理環(huán)境因子，也反映了浮游植物生長過程中受磷營養(yǎng)鹽的制約作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)，物理環(huán)境因子與主成分1 呈現(xiàn)的是負載荷，而磷酸鹽和無機氮呈現(xiàn)的是正載荷，反映了兩者之間存在一定的相關(guān)性，鹽度低的海域主要是由于陸源淡水的注入所致，同時陸源徑流攜帶大量的營養(yǎng)鹽和有機物排放入海，導(dǎo)致該海域氮、磷營養(yǎng)鹽含量上升；另外，該海域需要消耗大量的溶解氧分解有機物并釋放出CO2，導(dǎo)致水體中溶解氧含量下降而pH 值降低。除此之外，葉綠素a 在主成分1 中的載荷相對較高（0.693），直接表征了浮游植物生物量的大小[15]。因此，主成分1可以概括為浮游植物生長理化環(huán)境指標。

主成分2 可以描述原始變量信息的20.71%，其中銅（0.823）、鉛（0.799）、鎘（0.763）占有較高權(quán)重，鐵山港臨海分布有冶煉、電鍍等企業(yè)和重金屬堆場等，還有金鯧魚、大蠔等海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，工業(yè)廢水和養(yǎng)殖業(yè)廢水的排放為該海域重金屬的污染防治帶來一定的壓力[16-17]，因此，主成分2 可概括為重金屬對鐵山港水質(zhì)質(zhì)量的影響。

主成分3 對總方差貢獻率為8.88%，主要代表為懸浮物和石油類，反映了沿岸工程項目以及船舶排污等對該海域水質(zhì)質(zhì)量的影響。主成分4 和主成分5 對總方差的貢獻率分別為8.16%和6.72%，分別代表汞和砷。

2.3 鐵山港灣水質(zhì)時空變化特征

鐵山港灣3 個航次各站位的主成分綜合得分見表4，主成分綜合得分越大，表明該站位的水質(zhì)污染越嚴重。通過繪制箱線圖分析鐵山港灣水質(zhì)的年際變化（圖1），箱體的頂部、底部和中部的橫線表示數(shù)據(jù)的上、下四分位數(shù)和中位數(shù)，箱體向上下延伸的垂直線表示非異常數(shù)據(jù)的最大值和最小值，圖中的小方框表示數(shù)據(jù)的平均值。2016 年8 月、2017年8 月、2018 年8 月鐵山港灣水質(zhì)主成分綜合得分中位數(shù)分別為1.22、-0.47 和-1.13，總體呈逐年下降趨勢，表明鐵山港灣夏季的水質(zhì)污染程度有所下降，水質(zhì)狀況有所好轉(zhuǎn)，反映了近年來鐵山港海域的海洋環(huán)境保護工作取得了一定成效。

圖1 各年主成分綜合得分箱線圖

表4 各站位主成分綜合得分

鐵山港灣各站位的主成分綜合得分空間分布狀況見圖2，由圖可知，鐵山港灣各站位主成分綜合得分總體呈由灣內(nèi)向灣外遞減的趨勢。2016 年8月主成分綜合得分最大值出現(xiàn)在灣內(nèi)的T2 站位（2.08），最小值出現(xiàn)在灣外的T10 站位（-0.15），由于鐵山港灣內(nèi)水動力交換能力較弱導(dǎo)致灣內(nèi)水質(zhì)污染較重，而在灣外隨著潮流和波浪等動力作用，水體中各水質(zhì)因子迅速擴散，灣外水質(zhì)污染狀況普遍較輕；另外，處于灣口處的站位主成分綜合得分呈現(xiàn)中部比兩側(cè)偏高的現(xiàn)象，主要是由于中部為航道，過往船只較多，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示T5 站位油類濃度為0.111 0 mg/L，明顯高于其他站位（0.011 7～0.070 7 mg/L）；再者，在灣外海域西側(cè)呈現(xiàn)比東側(cè)偏高的現(xiàn)象，主要由于營盤鎮(zhèn)附近海域養(yǎng)殖業(yè)較多，養(yǎng)殖自身產(chǎn)生的污染對該區(qū)域水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。2017 年8 月主成分綜合得分最大值出現(xiàn)在灣內(nèi)的T1 站位（0.76），最小值出現(xiàn)在灣外的T9 站位（-1.11），與2016 年相比，各監(jiān)測站位的主成分綜合得分均有所降低但分布狀況與2016 年極為相似，其中，灣內(nèi)的2 個站位主成分綜合得分明顯高于灣口和灣外；灣口處中部高于兩側(cè)，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，無機氮的最高值出現(xiàn)在T5 站位（0.353 mg/L），其他站位的無機氮濃度分布于0.060 7～0.318 mg/L之間；灣外海域水質(zhì)分布較為均勻。2018 年8 月灣內(nèi)2 個站位主成分綜合得分明顯高于灣口和灣外站位，相比于2016 和2017 年，2018 年鐵山港灣水質(zhì)污染狀況較輕，特別是灣口和灣外區(qū)域水質(zhì)較為接近，有了較為明顯的改善。

圖2 不同年份主成分綜合得分空間分布

2.3 水質(zhì)污染的驅(qū)動因子

各監(jiān)測指標與主成分之間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)如表5 所示，鹽度與主成分1 的相關(guān)系數(shù)最高（-0.871），且呈顯著負相關(guān)，為影響該海域水質(zhì)狀況的主要驅(qū)動因子，這是由于陸源淡水注入導(dǎo)致鐵山港灣近岸海域鹽度降低，而陸源淡水一般會帶來較為豐富的營養(yǎng)鹽，使得鐵山港灣灣內(nèi)的水質(zhì)污染程度較重。溶解氧與主成分1 的相關(guān)系數(shù)也較高，且呈負相關(guān)（-0.854），這是由于溶解氧的高低影響海洋生物的新陳代謝和生長[18]，溶解氧含量低，有機物的分解速度被抑制，造成有機物含量在水體中累積增多，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降；相反，溶解氧含量高，有利于浮游植物的繁殖生長，從而可以加快有機物的分解速度，調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)，起到海水凈化的功能。

表5 各監(jiān)測指標與主成分之間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)

鉛與主成分2 的相關(guān)系數(shù)最大（0.859），其次為銅，其相關(guān)系數(shù)為0.832，為影響該海域水質(zhì)污染程度的重要驅(qū)動因子，鐵山港灣臨海工業(yè)廢水的排放為該海域水質(zhì)重金屬含量增加的主要原因，徐健淞等[17]早期對2011—2012 年鐵山港工業(yè)排污的調(diào)查結(jié)果顯示，鉛為工業(yè)廢水中的主要污染因子，本文的研究結(jié)果顯示鉛對鐵山港灣水質(zhì)仍具有較大的影響，需要加強對重金屬排放總量的控制。

懸浮物與主成分3 的相關(guān)系數(shù)為0.769，表明懸浮物是驅(qū)動主成分3 的關(guān)鍵因子。另外，與主成分4 和主成分5 最為相關(guān)的環(huán)境指標分別為水溫和砷，其相關(guān)系數(shù)分別為0.496 和0.492，進一步反映了物理因子和重金屬類為影響該海域水質(zhì)狀況的重要驅(qū)動因子。

3 結(jié) 論

（1）2016—2018 年鐵山港海域海水各監(jiān)測指標含量分布較不均勻，受排污、徑流和水動力等多種因素影響，17 項監(jiān)測指標年際變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律性，相較于2016 年，2017 年和2018 年大部分監(jiān)測指標的含量均有所降低。

（2）本文運用主成分分析法將鐵山港海域的17個水質(zhì)綜合指標轉(zhuǎn)為5 種主成分，能夠解釋原始數(shù)據(jù)75.74%的結(jié)果，基本能夠反映原指標信息。其中，主成分1 反映了鐵山港海域水質(zhì)與浮游植物生長的各項理化指標有關(guān)，主成分2 反映了鐵山港海域水質(zhì)受重金屬的影響較大，兩者的貢獻率達51.98%。

（3）通過主成分分析法的綜合得分，得出鐵山港灣水質(zhì)的時空變化狀況，鐵山港灣的水質(zhì)總體呈現(xiàn)灣內(nèi)比灣外污染嚴重的趨勢，且不同于以往慣例，2016—2018 年夏季水質(zhì)反而逐年變好。

（4） 鐵山港灣水質(zhì)污染的主要驅(qū)動因子為鹽度、鉛、懸浮物、水溫和砷，陸源輸入、臨海工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)是影響該海域水質(zhì)變化的主要因素，政府部門需重視對臨海工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)廢水排放的管控，避免鐵山港灣水質(zhì)的惡化。