基于主成分分析法的虞公庙、暴风雨断面水质影响因子分析

基于主成分分析法的虞公庙、暴风雨断面水质影响因子分析

洞庭湖位于湖南省北部，长江中游南岸。湖南、湖南省、广东省和湖南省的“四条河流”进入湖泊，而湖南省的“北面”流入长江欧池、松滋和太平的“三条河流”。这座湖流经北方的城陵滩和长江。由于多年的沉积物和沉积，湖泊分为东湖泊、南湖泊和西湖泊。现有天然湖2691km2，洪水站1117km2。随着社会经济的发展，湖区工农业生产活动日益激烈，居民人口逐渐增加。大量工业废水和生活废水直接或间接流入湖泊（据调查和统计，洞庭湖区共有82个工业排污口，其中东洞庭湖41个，南洞庭湖33个，西洞庭湖8个）。湖泊水质污染的特点和主要污染来源引起了有关部门的重视。在水质评价中,表示水质状况的指标众多,但不同指标间往往存在一定程度上的信息重叠,因此如何综合这些因子的信息,成为水质监测与评价必须解决的问题.PCA(主成分分析法)是一种将多维因子纳入同一系统中进行定量化研究且理论较完善的多元统计分析方法,在解决国内外关于地表水污染、大气污染、生态分区以及其他实际问题时取得了较好效果.该文分析了洞庭湖不同湖区监测断面的水质因子特征,并且结合PCA对湖区各断面的水质状况进行了多元分析和综合评价,以期为洞庭湖的持续健康发展提供参考.1材料和方法1.1调节河流水质共设10个采样断面(见图1),基本代表了洞庭湖水环境的总体特征.南嘴断面属于入湖口,紧接澧水和松澧洪道,掌握两洪道河流水质;目平湖、万子湖断面处于沅江市境内,水质环境状况良好;虞公庙及横岭湖断面分别掌握湘资合流水质;鹿角断面掌握南洞庭湖入东洞庭湖水质;东洞庭湖断面掌握东洞庭湖水质;小河嘴断面掌握西洞庭湖出口水质;岳阳楼断面掌握东洞庭湖出口水质;洞庭湖出口断面掌握洞庭湖出湖水质.采样时间为2011年1—12月,每月监测1次.1.2生物污染分析方法各采样断面的水质测定项目为pH、ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(BOD5)、ρ(NH3-N)、ρ(TP)、ρ(TN)、粪大肠菌群及ρ(Chla),测定方法参照文献,分析结果由湖南省岳阳市洞庭湖生态环境监测中心提供.1.3水质状况分析利用PCA中的因子分析法,对各采样断面的10个指标进行主成分分析,通过各断面的主成分得分来判断其水质状况;同时,通过各水质指标在不同采样时间的因子得分状况来判断各采样断面水质的主要影响因子.所有的数据分析均在SPSS13.0下进行.2结果与讨论2.1h3-n、、chla的月变化为更好地了解洞庭湖各采样断面的水质状况,取各采样断面2011年1—12月的水质因子分析结果的平均值并作标准偏差分析,结果见图2.由图2可知,各采样断面pH平均值为7.65~7.87,ρ(DO)平均值均高于6mgue4d4L.南嘴、万子湖、小河嘴以及目平湖断面的ρ(CODMn)平均值均低于2.00mgue4d4L,其他断面的ρ(CODMn)平均值均小于2.23mgue4d4L.各采样断面的ρ(CODCr)平均值均低于10.63mgue4d4L,ρ(BOD5)平均值均低于2.0mgue4d4L.小河嘴断面的ρ(NH3-N)平均值低于0.15mgue4d4L,其他断面的ρ(NH3-N)平均值均在0.14~0.35mgue4d4L之间;虞公庙、鹿角、东洞庭湖以及岳阳楼断面的ρ(NH3-N)月间差异显著,其月变化范围分别为0.09~0.61、0.12~0.58、0.07~0.58和0.08~0.45mgue4d4L.各采样断面的ρ(TP)平均值均低于0.1mgue4d4L,鹿角、南嘴、目平湖、东洞庭湖以及岳阳楼断面的ρ(TP)月间差异显著,其月变化范围分别为0.05~0.14、0.06~0.13、0.05~0.12、0.02~0.13和0.02~0.11mgue4d4L.南嘴、小河嘴和万子湖断面的ρ(TN)平均值低于1.5mgue4d4L,鹿角、横岭湖、目平湖和岳阳楼断面的ρ(TN)平均值在1.5~2.0mgue4d4L之间,其他断面的ρ(TN)平均值均在2.0~2.5mgue4d4L之间.小河嘴与目平湖断面的粪大肠菌群数平均值均等于或低于200L-1,其他断面在200~423L-1之间;南嘴和东洞庭湖断面的粪大肠菌群数的月间差异显著,其月变化范围分别为80~886和72~580L-1.各断面的ρ(Chla)平均值均在2.27~3.86mgue4d4L之间;虞公庙、目平湖与东洞庭湖断面的ρ(Chla)的月间差异显著,其月变化范围分别为1.53~6.18、0.13~5.83和1.59~6.07μgue4d4L.总的来看,洞庭湖水体呈弱碱性,各采样断面均呈中营养状态,水质状况基本良好.然而,洞庭湖水体的ρ(TN)及ρ(TP)超标现象严重,这与秦迪岚等研究提出的氮、磷为洞庭湖区主要污染物的结果相符,与郭建平等得出的洞庭湖水质多年以ρ(TP)和ρ(TN)为超标项目的结论相吻合,同时也与杨国兵等得出的洞庭湖水体中的ρ(TP)、ρ(TN)较高的结论一致.2.2指示污染物含量将各断面的水质数据进行标准化处理[其中ρ(DO)先进行倒数变换,然后再标准化]后,在SPSS13.0中进行PCA.为使每个主成分的意义更加明确,采用Varimax最大方差法对因子进行旋转,按照特征值(λ)大于1的原则提取出3个主成分,其中PC1(主成分1)携带的信息最多,达到40%以上,PC1、2、3的累计贡献率达84.424%.表1为旋转后提取出的前3个主成分的因子载荷量.由表1可知,与PC1相关联的主要是ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)和ρ(TN),载荷绝对值变化范围为0.702~0.948;与PC2(主成分2)相关联的是ρ(BOD5)和ρ(Chla),其载荷值分别为0.958和0.892;与PC3(主成分3)相关联的主要是ρ(TP),其载荷值达到0.919.由此可知,PC1反映洞庭湖理化特性以及来自工业废水和生活污水的有机污染物,PC2反映洞庭湖水体的富营养化程度以及耗氧性有机污染物,PC3反映水体营养型污染物.表2反映了各主要因子的得分系数,根据表2得出各因子得分的回归方程:式中:F1、F2、F3分别指PC1、PC2和PC3三个主成分的得分值;ai1~ain为表1中每一列值依次除以为各采样点经过标准化的数据.将各采样点的水质数据(标准化的数据)代入方程,即可得出各采样点的主成分得分.如图3所示,主成分得分在洞庭湖各采样断面间呈显著的空间变化.虞公庙和鹿角断面的F1、F2与F3均较高,表明这2个断面的指示污染物含量均较高;3个主成分间得分差异较小,表明这2个断面受指示污染物的影响较为均衡.南嘴和目平湖断面的F3显著高于F1,表明这2个断面水质受ρ(TP)的影响较强,而受ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)和ρ(TN)的影响较弱.小河嘴断面的F2与F3显著高于F1,表明该断面水质受ρ(TP)、ρ(BOD5)和ρ(Chla)的影响较强,而受ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)和ρ(TN)的影响较弱.横岭湖和万子湖断面的F3显著高于F1和F2,表明这2个断面水质受ρ(TP)的影响较强.东洞庭湖断面的F2明显高于F3,表明该断面水质受ρ(BOD5)和ρ(Chla)的影响较强,而受ρ(TP)的影响较弱.岳阳楼和洞庭湖出口断面的F1显著高于F3,表明这2个断面水质受ρ(DO)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)和ρ(TN)的影响较强,而受ρ(TP)的影响较弱.虞公庙断面掌握湘资合流水质,其所在的湘阴县农业生产发达,加之其以农产品加工、板材建材、轻纺服装以及造纸化工四大产业为主导,境内产生的大量点源和非点源有机污染物直接或间接排入湘资流域中,致使水体各水质指标偏高,来自非点源污染的ρ(TP)、ρ(TN)以及ρ(NH3-N)与来自点源污染的ρ(BOD5)、ρ(CODMn)及ρ(CODCr)对虞公庙断面的水质产生了较大的影响,最终导致水体中ρ(DO)下降以及ρ(Chla)升高.同样,鹿角断面处于岳阳县境内,紧邻鹿角镇和麻塘镇,承接的工、农业废水和生活污水较多,受到各种点源和非点源污染物的影响均较强.小河嘴、万子湖及目平湖断面处于旅游城市沅江市境内,由于地方政府保护有力,湖泊水体外来污染压力及人为干扰较小,因此受各种点源及非点源污染物的影响均较小.南嘴断面属于澧水和松澧洪道的交汇处,受外来营养物及当地人类生活污水影响较大,导致水体中ρ(TP)较高.横岭湖被湘阴县规划为旅游区,主要受人类生活污水的影响,因此其水体中营养型污染物质量浓度较高,ρ(DO)偏低.东洞庭湖断面所在区域渔业较多而工农业生产相对较少,主要污染物为人类活动产生的生活污水以及养殖废水,致使水体中营养型污染物质量浓度较高,也使得ρ(BOD5)和ρ(Chla)较高.岳阳楼和洞庭湖出口断面紧邻岳阳市,受工业废水和生活污水的影响较大,导致ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NH3-N)及ρ(TN)较高.由此可见,主成分得分的筛选结果与各断面的实际水质状况基本一致,主成分分析法基本适用于洞庭湖水质因子的特征分析与水质评价.最后通过公式F=(λ1F1+λ2F2+λ3F3)ue4d4(λ1+λ2+λ3)计算出10个采样断面的主成分综合得分(F),给予各断面水质污染程度的定量化描述,对各采样断面的污染程度进行排序和分级.综合得分越高的断面水质状况越差.结果见图4.由图4可知,10个采样断面中虞公庙断面的水质状况最差,鹿角、东洞庭湖和岳阳楼断面次之,万子河断面的水质最好.从评价得分来看,南嘴、小河嘴、万子湖和目平湖断面属于西洞庭湖区,该湖区的水质状况最好;虞公庙、横岭湖、鹿角断面属于南洞庭湖区,该湖区的水质状况较差;东洞庭湖、岳阳楼和洞庭湖出口断面属于东洞庭湖区,该湖区的水质状况亦较差.钟振宇等研究表明,西洞庭湖区水质污染程度最轻,而南洞庭湖区和东洞庭湖区的水质污染相对较重,这与该研究的结果基本相符.周泓等研究也表明,西洞庭湖区的水质状况要优于南洞庭湖区和东洞庭湖区,并且入湖口水质要比出湖口水质状况好,这与该研究得出的作为入湖口的南嘴断面水质优于洞庭湖出口断面水质的结果基本相符.结合洞庭湖流域水系分布分析可知,以虞公庙断面为代表的上游湘江和资江来水污染较重,对洞庭湖水质影响较大;以南嘴断面为代表的澧水和“三口”来水污染次之,以小河嘴断面为代表的上游沅江来水污染较轻.此外,戴友芝等研究表明,洞庭湖采样断面的受污染程度为万子湖<虞公庙<鹿角<南嘴,而该研究的结果则为万子湖<南嘴<鹿角<虞公庙.可见,近年来随着我国社会经济的不断发展,工农业生产和人类活动的逐渐增多,产生的大量点源和非点源污染物直接或间接地排入洞庭湖水体中,造成不同断面的水质有所下降,其中以虞公庙断面的水质变化最为明显.随着社会经济的进一步发展,洞庭湖水体中可能会出现更多不同类型的污染物,其水质安全状况令人堪忧,值得有关部门重视.3水系分布分析a)洞庭湖水体呈弱碱性,各采样断面均呈中营养状态,然而,洞庭湖水体的ρ(TN)及ρ(TP)超标现象不容乐观.c)主成分综合得分对各断面水体受污染程度排序为虞公庙>鹿角>东洞庭湖>岳阳楼>洞庭湖出口>南嘴>横岭湖>目平湖>小河嘴>万子湖.结合洞庭湖水系分布分析可知,上游湘江、资江来水污染相对较重,对洞庭湖水