基于主成分分析法的鶴地水庫富營養(yǎng)狀況評價(jià)

＊李曉芳 劉亞平 陳湛峰

（廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 廣東 510308）

1.概述

富營養(yǎng)化是水體衰老的一種現(xiàn)象,在富營養(yǎng)化水體中，氮、磷營養(yǎng)元素富集，浮游藻類迅速繁殖，造成水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能失衡，給人類生活和健康帶來不良影響[6]。近年來，許多學(xué)者采用PCA對水體富營養(yǎng)化進(jìn)行評價(jià)，杜喬喬等[3]借助PCA對于橋水庫富營養(yǎng)化因子進(jìn)行分析，明確了水溫、pH、COD及DO是影響水庫水體富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子；廖寧等[7]采用PCA對西南山區(qū)典型河道型水庫富營養(yǎng)化進(jìn)行評價(jià)討論，發(fā)現(xiàn)水庫中藻類、營養(yǎng)狀態(tài)變化的主控因子為DO、NH3-N、TP和TN；楊玖等[1]利用PCA對攀枝花勝利水庫富營養(yǎng)化狀況進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)庫中營養(yǎng)狀態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子為BOD5、TN、TP。

鶴地水庫地處雷州半島北部，庫區(qū)跨兩省四市三縣，集水面積1440km2，總庫容11.87億m3，是廣東省重要的飲用水水源地，對水庫富營養(yǎng)狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，分析水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化的影響因子，能為鶴地水庫水資源保護(hù)、水污染防控及生態(tài)良好發(fā)展提供支撐。

2.材料與方法

(1)數(shù)據(jù)來源

本研究采用2012—2022年鶴地水庫月均值數(shù)據(jù)，根據(jù)水質(zhì)評價(jià)方法和特點(diǎn)，采用水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷、總氮、透明度、葉綠素a等9項(xiàng)作為評價(jià)指標(biāo)。

(2)評價(jià)方法

Spearman相關(guān)性分析是一種不依賴于總體分布的非參數(shù)檢驗(yàn)，可以用來描述兩者之間的關(guān)系。主成分分析法（PCA）本質(zhì)是對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳綜合與簡化，將多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)互不關(guān)聯(lián)的綜合指標(biāo)，這種綜合指標(biāo)可以用來尋找判斷某種事物或現(xiàn)象，當(dāng)對綜合指標(biāo)所包含的信息以適當(dāng)?shù)慕忉寱r(shí)，可以更好地揭示事物內(nèi)在的關(guān)系和規(guī)律[1]。本文首先利用Spearman相關(guān)性分析判斷鶴地水庫主要污染指標(biāo)間的顯著性關(guān)系，再通過PCA對影響鶴地水庫水體富營養(yǎng)化的主要指標(biāo)進(jìn)行主成分篩選，從而分析出表征水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)。

水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)辦法(試行)》中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，評價(jià)指標(biāo)包括葉綠素a（Chla）、總氮（TN）、總磷（TP）、透明度（SD）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。

3.結(jié)果與討論

(1)各指標(biāo)間的Spearman相關(guān)性分析

鶴地水庫主要污染指標(biāo)的Spearman相關(guān)性見表1。Chla分別與COD、CODMn呈顯著正相關(guān)，與TP、TN相關(guān)性較弱；綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與COD、CODMn、Chla及水溫均呈顯著正相關(guān)，與SD呈一定的負(fù)相關(guān)?？赡茉蚴怯袡C(jī)污染物COD、CODMn一定程度上能促進(jìn)藻類繁殖，同時(shí)藻類大量繁殖排泄的有機(jī)物質(zhì)又導(dǎo)致水體有機(jī)質(zhì)增加，有機(jī)物質(zhì)越多，使得水體有機(jī)耗氧物的污染越多；N、P等營養(yǎng)鹽是浮游植物生長的營養(yǎng)鹽條件，而浮游植物的生長，除了與氮、磷營養(yǎng)鹽相關(guān)外，還與水庫的水動(dòng)力、氣象等因素相關(guān)，故N、P等營養(yǎng)鹽與Chla的關(guān)系較為復(fù)雜[2]。

表1 各監(jiān)測指標(biāo)相關(guān)性分析

(2)近11年水庫水質(zhì)主要影響因子分析

在進(jìn)行主成分分析前，對9個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)，KMO統(tǒng)計(jì)量為0.717，Bartlett球形檢驗(yàn)驗(yàn)值小于0.001，結(jié)果表明該組指標(biāo)有較強(qiáng)相關(guān)性，可進(jìn)行主成分分析。主成分分析結(jié)果表明，前4個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為37.495%、20.716%、10.639%和10.075%，累計(jì)反映了原始參數(shù)信息的78.925%，各主成分方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率見表2。對因子載荷矩陣按照方差最大化進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷矩陣見表3。由表3可知，第1主成分中CODMn、COD、水溫和Chla的因子載荷比較大，說明第1主成分代表的信息比較豐富，體現(xiàn)了有機(jī)污染物的濃度，有機(jī)污染物濃度高會直接促進(jìn)藻類繁殖，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，適宜的水溫是促進(jìn)藻類生長的重要條件[3]，而葉綠素a直接反映水體的富營養(yǎng)化水平[3]；第2主成分中，DO和pH所占的載荷比較大，說明成分2代表的是體現(xiàn)了水體的酸堿環(huán)境和自凈能力，溶解氧的含量與浮游植物生長密切相關(guān)，當(dāng)浮游植物光合作用大于呼吸作用時(shí)，DO與Chla成正相關(guān)，當(dāng)呼吸作用大于光合作用時(shí)，DO與Chla成負(fù)相關(guān)；TP在第3主成分中的載荷較高，TN在第4主成分中的載荷較高，說明第3、第4主成分體現(xiàn)的是水庫富營養(yǎng)化的營養(yǎng)鹽條件。

表2 主成分特征值及方差貢獻(xiàn)率

(3)不同水期水庫水質(zhì)主要影響因子分析

鶴地水庫各水期的主成分特征值和主成分載荷分別見表4和表5，根據(jù)主成分選取原則，選擇特征值大于0.9對應(yīng)的主成分。豐水期，第1、第2、第3主成分的特征值大于0.9，其方差貢獻(xiàn)率分別為43.010%、16.137%和11.517%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為70.665%。根據(jù)主成分載荷矩陣，pH、DO、CODMn、COD、Chla在成分1有較大載荷，TP和透明度在成分2上有較大載荷，水溫在成分3上有較大載荷?？菟?，選取3個(gè)主成分，各成分方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率分別為33.748%、19.205%、13.444%和66.397%，成分1的貢獻(xiàn)率較大，由表5可知，CODMn、COD、Chla在成分1上有較大載荷。平水期，選取4個(gè)主成分，各成分方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率分別為33.932%、20.256%、14.564%、10.168%和82.920%，水溫、CODMn、COD和Chla在成分1上有較大載荷。CODMn、COD和Chla在豐、枯、平水期的成分1上均有較大載荷，Chla直接反應(yīng)水體的富營養(yǎng)化程度，CODMn、COD是表征水庫富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)。

表4 不同水期主成分特征值及方差貢獻(xiàn)率

(4)富營養(yǎng)化評價(jià)方法

根據(jù)各主成分得分與相應(yīng)貢獻(xiàn)率之積的和[4-5]，計(jì)算水庫2012—2022年的營養(yǎng)狀態(tài)綜合得分,根據(jù)圖1，主成分分析法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法兩種評價(jià)方法的結(jié)果的變化趨勢基本一致。對兩種評價(jià)結(jié)果進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，主成分分析的綜合得分與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)性為0.885（p＜0.01），呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明采用主成分分析法評價(jià)鶴地水庫富營養(yǎng)化具有較高的可信度。

圖1 主成分分析法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)法評價(jià)水庫營養(yǎng)狀態(tài)得分

4.結(jié)論

（1）通過主成分分析法，發(fā)現(xiàn)CODMn、COD是表征鶴地水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)。

（2）主成分分析法和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價(jià)鶴地水庫營養(yǎng)狀態(tài)的結(jié)果具有顯著相關(guān)性，說明采用主成分分析法評價(jià)鶴地水庫富營養(yǎng)化具有較高的可信度。