基于主成分分析法的虞公廟、暴風(fēng)雨斷面水質(zhì)影響因子分析

基于主成分分析法的虞公廟、暴風(fēng)雨斷面水質(zhì)影響因子分析

洞庭湖位于湖南省北部，長(zhǎng)江中游南岸。湖南、湖南省、廣東省和湖南省的“四條河流”進(jìn)入湖泊，而湖南省的“北面”流入長(zhǎng)江歐池、松滋和太平的“三條河流”。這座湖流經(jīng)北方的城陵灘和長(zhǎng)江。由于多年的沉積物和沉積，湖泊分為東湖泊、南湖泊和西湖泊?，F(xiàn)有天然湖2691km2，洪水站1117km2。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湖區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)日益激烈，居民人口逐漸增加。大量工業(yè)廢水和生活廢水直接或間接流入湖泊（據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，洞庭湖區(qū)共有82個(gè)工業(yè)排污口，其中東洞庭湖41個(gè)，南洞庭湖33個(gè)，西洞庭湖8個(gè)）。湖泊水質(zhì)污染的特點(diǎn)和主要污染來(lái)源引起了有關(guān)部門的重視。在水質(zhì)評(píng)價(jià)中,表示水質(zhì)狀況的指標(biāo)眾多,但不同指標(biāo)間往往存在一定程度上的信息重疊,因此如何綜合這些因子的信息,成為水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)必須解決的問(wèn)題.PCA(主成分分析法)是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究且理論較完善的多元統(tǒng)計(jì)分析方法,在解決國(guó)內(nèi)外關(guān)于地表水污染、大氣污染、生態(tài)分區(qū)以及其他實(shí)際問(wèn)題時(shí)取得了較好效果.該文分析了洞庭湖不同湖區(qū)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)因子特征,并且結(jié)合PCA對(duì)湖區(qū)各斷面的水質(zhì)狀況進(jìn)行了多元分析和綜合評(píng)價(jià),以期為洞庭湖的持續(xù)健康發(fā)展提供參考.1材料和方法1.1調(diào)節(jié)河流水質(zhì)共設(shè)10個(gè)采樣斷面(見(jiàn)圖1),基本代表了洞庭湖水環(huán)境的總體特征.南嘴斷面屬于入湖口,緊接澧水和松澧洪道,掌握兩洪道河流水質(zhì);目平湖、萬(wàn)子湖斷面處于沅江市境內(nèi),水質(zhì)環(huán)境狀況良好;虞公廟及橫嶺湖斷面分別掌握湘資合流水質(zhì);鹿角斷面掌握南洞庭湖入東洞庭湖水質(zhì);東洞庭湖斷面掌握東洞庭湖水質(zhì);小河嘴斷面掌握西洞庭湖出口水質(zhì);岳陽(yáng)樓斷面掌握東洞庭湖出口水質(zhì);洞庭湖出口斷面掌握洞庭湖出湖水質(zhì).采樣時(shí)間為2011年1—12月,每月監(jiān)測(cè)1次.1.2生物污染分析方法各采樣斷面的水質(zhì)測(cè)定項(xiàng)目為pH、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(BOD5)、ρ(NH3-N)、ρ(TP)、ρ(TN)、糞大腸菌群及ρ(Chla),測(cè)定方法參照文獻(xiàn),分析結(jié)果由湖南省岳陽(yáng)市洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供.1.3水質(zhì)狀況分析利用PCA中的因子分析法,對(duì)各采樣斷面的10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,通過(guò)各斷面的主成分得分來(lái)判斷其水質(zhì)狀況;同時(shí),通過(guò)各水質(zhì)指標(biāo)在不同采樣時(shí)間的因子得分狀況來(lái)判斷各采樣斷面水質(zhì)的主要影響因子.所有的數(shù)據(jù)分析均在SPSS13.0下進(jìn)行.2結(jié)果與討論2.1h3-n、、chla的月變化為更好地了解洞庭湖各采樣斷面的水質(zhì)狀況,取各采樣斷面2011年1—12月的水質(zhì)因子分析結(jié)果的平均值并作標(biāo)準(zhǔn)偏差分析,結(jié)果見(jiàn)圖2.由圖2可知,各采樣斷面pH平均值為7.65~7.87,ρ(DO)平均值均高于6mgue4d4L.南嘴、萬(wàn)子湖、小河嘴以及目平湖斷面的ρ(CODMn)平均值均低于2.00mgue4d4L,其他斷面的ρ(CODMn)平均值均小于2.23mgue4d4L.各采樣斷面的ρ(CODCr)平均值均低于10.63mgue4d4L,ρ(BOD5)平均值均低于2.0mgue4d4L.小河嘴斷面的ρ(NH3-N)平均值低于0.15mgue4d4L,其他斷面的ρ(NH3-N)平均值均在0.14~0.35mgue4d4L之間;虞公廟、鹿角、東洞庭湖以及岳陽(yáng)樓斷面的ρ(NH3-N)月間差異顯著,其月變化范圍分別為0.09~0.61、0.12~0.58、0.07~0.58和0.08~0.45mgue4d4L.各采樣斷面的ρ(TP)平均值均低于0.1mgue4d4L,鹿角、南嘴、目平湖、東洞庭湖以及岳陽(yáng)樓斷面的ρ(TP)月間差異顯著,其月變化范圍分別為0.05~0.14、0.06~0.13、0.05~0.12、0.02~0.13和0.02~0.11mgue4d4L.南嘴、小河嘴和萬(wàn)子湖斷面的ρ(TN)平均值低于1.5mgue4d4L,鹿角、橫嶺湖、目平湖和岳陽(yáng)樓斷面的ρ(TN)平均值在1.5~2.0mgue4d4L之間,其他斷面的ρ(TN)平均值均在2.0~2.5mgue4d4L之間.小河嘴與目平湖斷面的糞大腸菌群數(shù)平均值均等于或低于200L-1,其他斷面在200~423L-1之間;南嘴和東洞庭湖斷面的糞大腸菌群數(shù)的月間差異顯著,其月變化范圍分別為80~886和72~580L-1.各斷面的ρ(Chla)平均值均在2.27~3.86mgue4d4L之間;虞公廟、目平湖與東洞庭湖斷面的ρ(Chla)的月間差異顯著,其月變化范圍分別為1.53~6.18、0.13~5.83和1.59~6.07μgue4d4L.總的來(lái)看,洞庭湖水體呈弱堿性,各采樣斷面均呈中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),水質(zhì)狀況基本良好.然而,洞庭湖水體的ρ(TN)及ρ(TP)超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重,這與秦迪嵐等研究提出的氮、磷為洞庭湖區(qū)主要污染物的結(jié)果相符,與郭建平等得出的洞庭湖水質(zhì)多年以ρ(TP)和ρ(TN)為超標(biāo)項(xiàng)目的結(jié)論相吻合,同時(shí)也與楊國(guó)兵等得出的洞庭湖水體中的ρ(TP)、ρ(TN)較高的結(jié)論一致.2.2指示污染物含量將各斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[其中ρ(DO)先進(jìn)行倒數(shù)變換,然后再標(biāo)準(zhǔn)化]后,在SPSS13.0中進(jìn)行PCA.為使每個(gè)主成分的意義更加明確,采用Varimax最大方差法對(duì)因子進(jìn)行旋轉(zhuǎn),按照特征值(λ)大于1的原則提取出3個(gè)主成分,其中PC1(主成分1)攜帶的信息最多,達(dá)到40%以上,PC1、2、3的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)84.424%.表1為旋轉(zhuǎn)后提取出的前3個(gè)主成分的因子載荷量.由表1可知,與PC1相關(guān)聯(lián)的主要是ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)和ρ(TN),載荷絕對(duì)值變化范圍為0.702~0.948;與PC2(主成分2)相關(guān)聯(lián)的是ρ(BOD5)和ρ(Chla),其載荷值分別為0.958和0.892;與PC3(主成分3)相關(guān)聯(lián)的主要是ρ(TP),其載荷值達(dá)到0.919.由此可知,PC1反映洞庭湖理化特性以及來(lái)自工業(yè)廢水和生活污水的有機(jī)污染物,PC2反映洞庭湖水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度以及耗氧性有機(jī)污染物,PC3反映水體營(yíng)養(yǎng)型污染物.表2反映了各主要因子的得分系數(shù),根據(jù)表2得出各因子得分的回歸方程:式中:F1、F2、F3分別指PC1、PC2和PC3三個(gè)主成分的得分值;ai1~ain為表1中每一列值依次除以為各采樣點(diǎn)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù).將各采樣點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)(標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù))代入方程,即可得出各采樣點(diǎn)的主成分得分.如圖3所示,主成分得分在洞庭湖各采樣斷面間呈顯著的空間變化.虞公廟和鹿角斷面的F1、F2與F3均較高,表明這2個(gè)斷面的指示污染物含量均較高;3個(gè)主成分間得分差異較小,表明這2個(gè)斷面受指示污染物的影響較為均衡.南嘴和目平湖斷面的F3顯著高于F1,表明這2個(gè)斷面水質(zhì)受ρ(TP)的影響較強(qiáng),而受ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)和ρ(TN)的影響較弱.小河嘴斷面的F2與F3顯著高于F1,表明該斷面水質(zhì)受ρ(TP)、ρ(BOD5)和ρ(Chla)的影響較強(qiáng),而受ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)和ρ(TN)的影響較弱.橫嶺湖和萬(wàn)子湖斷面的F3顯著高于F1和F2,表明這2個(gè)斷面水質(zhì)受ρ(TP)的影響較強(qiáng).東洞庭湖斷面的F2明顯高于F3,表明該斷面水質(zhì)受ρ(BOD5)和ρ(Chla)的影響較強(qiáng),而受ρ(TP)的影響較弱.岳陽(yáng)樓和洞庭湖出口斷面的F1顯著高于F3,表明這2個(gè)斷面水質(zhì)受ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)和ρ(TN)的影響較強(qiáng),而受ρ(TP)的影響較弱.虞公廟斷面掌握湘資合流水質(zhì),其所在的湘陰縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá),加之其以農(nóng)產(chǎn)品加工、板材建材、輕紡服裝以及造紙化工四大產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo),境內(nèi)產(chǎn)生的大量點(diǎn)源和非點(diǎn)源有機(jī)污染物直接或間接排入湘資流域中,致使水體各水質(zhì)指標(biāo)偏高,來(lái)自非點(diǎn)源污染的ρ(TP)、ρ(TN)以及ρ(NH3-N)與來(lái)自點(diǎn)源污染的ρ(BOD5)、ρ(CODMn)及ρ(CODCr)對(duì)虞公廟斷面的水質(zhì)產(chǎn)生了較大的影響,最終導(dǎo)致水體中ρ(DO)下降以及ρ(Chla)升高.同樣,鹿角斷面處于岳陽(yáng)縣境內(nèi),緊鄰鹿角鎮(zhèn)和麻塘鎮(zhèn),承接的工、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水較多,受到各種點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物的影響均較強(qiáng).小河嘴、萬(wàn)子湖及目平湖斷面處于旅游城市沅江市境內(nèi),由于地方政府保護(hù)有力,湖泊水體外來(lái)污染壓力及人為干擾較小,因此受各種點(diǎn)源及非點(diǎn)源污染物的影響均較小.南嘴斷面屬于澧水和松澧洪道的交匯處,受外來(lái)營(yíng)養(yǎng)物及當(dāng)?shù)厝祟惿钗鬯绊戄^大,導(dǎo)致水體中ρ(TP)較高.橫嶺湖被湘陰縣規(guī)劃為旅游區(qū),主要受人類生活污水的影響,因此其水體中營(yíng)養(yǎng)型污染物質(zhì)量濃度較高,ρ(DO)偏低.東洞庭湖斷面所在區(qū)域漁業(yè)較多而工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相對(duì)較少,主要污染物為人類活動(dòng)產(chǎn)生的生活污水以及養(yǎng)殖廢水,致使水體中營(yíng)養(yǎng)型污染物質(zhì)量濃度較高,也使得ρ(BOD5)和ρ(Chla)較高.岳陽(yáng)樓和洞庭湖出口斷面緊鄰岳陽(yáng)市,受工業(yè)廢水和生活污水的影響較大,導(dǎo)致ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)及ρ(TN)較高.由此可見(jiàn),主成分得分的篩選結(jié)果與各斷面的實(shí)際水質(zhì)狀況基本一致,主成分分析法基本適用于洞庭湖水質(zhì)因子的特征分析與水質(zhì)評(píng)價(jià).最后通過(guò)公式F=(λ1F1+λ2F2+λ3F3)ue4d4(λ1+λ2+λ3)計(jì)算出10個(gè)采樣斷面的主成分綜合得分(F),給予各斷面水質(zhì)污染程度的定量化描述,對(duì)各采樣斷面的污染程度進(jìn)行排序和分級(jí).綜合得分越高的斷面水質(zhì)狀況越差.結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可知,10個(gè)采樣斷面中虞公廟斷面的水質(zhì)狀況最差,鹿角、東洞庭湖和岳陽(yáng)樓斷面次之,萬(wàn)子河斷面的水質(zhì)最好.從評(píng)價(jià)得分來(lái)看,南嘴、小河嘴、萬(wàn)子湖和目平湖斷面屬于西洞庭湖區(qū),該湖區(qū)的水質(zhì)狀況最好;虞公廟、橫嶺湖、鹿角斷面屬于南洞庭湖區(qū),該湖區(qū)的水質(zhì)狀況較差;東洞庭湖、岳陽(yáng)樓和洞庭湖出口斷面屬于東洞庭湖區(qū),該湖區(qū)的水質(zhì)狀況亦較差.鐘振宇等研究表明,西洞庭湖區(qū)水質(zhì)污染程度最輕,而南洞庭湖區(qū)和東洞庭湖區(qū)的水質(zhì)污染相對(duì)較重,這與該研究的結(jié)果基本相符.周泓等研究也表明,西洞庭湖區(qū)的水質(zhì)狀況要優(yōu)于南洞庭湖區(qū)和東洞庭湖區(qū),并且入湖口水質(zhì)要比出湖口水質(zhì)狀況好,這與該研究得出的作為入湖口的南嘴斷面水質(zhì)優(yōu)于洞庭湖出口斷面水質(zhì)的結(jié)果基本相符.結(jié)合洞庭湖流域水系分布分析可知,以虞公廟斷面為代表的上游湘江和資江來(lái)水污染較重,對(duì)洞庭湖水質(zhì)影響較大;以南嘴斷面為代表的澧水和“三口”來(lái)水污染次之,以小河嘴斷面為代表的上游沅江來(lái)水污染較輕.此外,戴友芝等研究表明,洞庭湖采樣斷面的受污染程度為萬(wàn)子湖<虞公廟<鹿角<南嘴,而該研究的結(jié)果則為萬(wàn)子湖<南嘴<鹿角<虞公廟.可見(jiàn),近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)的逐漸增多,產(chǎn)生的大量點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物直接或間接地排入洞庭湖水體中,造成不同斷面的水質(zhì)有所下降,其中以虞公廟斷面的水質(zhì)變化最為明顯.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,洞庭湖水體中可能會(huì)出現(xiàn)更多不同類型的污染物,其水質(zhì)安全狀況令人堪憂,值得有關(guān)部門重視.3水系分布分析a)洞庭湖水體呈弱堿性,各采樣斷面均呈中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),然而,洞庭湖水體的ρ(TN)及ρ(TP)超標(biāo)現(xiàn)象不容樂(lè)觀.c)主成分綜合得分對(duì)各斷面水體受污染程度排序?yàn)橛莨珡R>鹿角>東洞庭湖>岳陽(yáng)樓>洞庭湖出口>南嘴>橫嶺湖>目平湖>小河嘴>萬(wàn)子湖.結(jié)合洞庭湖水系分布分析可知,上游湘江、資江來(lái)水污染相對(duì)較重,對(duì)洞庭湖水