洪泽湖水质状况的主成分分析和聚类分析

吴延东，刘绪庆，陈飞龙

(淮阴工学院数理学院，江苏 淮安 223003)

0 引言

洪泽湖是我国五大淡水湖之一，根据江苏省淮安市水功能区划分，洪泽湖为淮安调水保护区，是淮安市城区、涟水、洪泽等地区供水水源地，同时供给洪泽湖周边包括盱眙、洪泽、淮阴区及泗洪在内的8个中小型灌区共计110.9万亩耕地的灌溉用水;另外，通过二河实施“送清水工程”向连云港送水。所以，洪泽湖水质的好坏直接影响淮安、连云港两市人民的用水质量与安全。而随着工农业生产的发展、人口的增加，区域内部分县区工业废水和生活污水排入洪泽湖，农、牧、渔业使用的化肥、农药、饵料等，在降雨径流的作用下汇入洪泽湖，影响了洪泽湖水质，湿地生态环境受到破坏，沿湖居民的生活和生产受到极大影响，特别是营养盐已达富营养化程度，如不加强防治，将直接影响到其开发利用及下游居民的生活质量。

从淮安市环保局网站获悉:洪泽湖目标断面包括蒋坝镇、成河乡、临淮乡、老山乡、高涧镇、龙集乡，水质评价执行地面水环境质量标准GB3838—2002，监测项目主要包括pH值、溶解氧(Dissolved oxygen;DO)、高锰酸盐指数(Permanganate index;PI)、生化需氧量(Biochemical oxygen demand;BOD)、氨氮(ammonia nitrogen;NH－N)、石油类、挥发酚、汞、总磷(TP)、总氮(TN)共10项。各目标断面内总磷、总氮均超标，洪泽湖水质较差，大部分水域超五类，水体受污染严重。此时，从总体上把握各断面造成湖水污染严重的主要因素以便针对性地对污染严重断面加强管理措施、提高整体湖泊环境质量具有积极地意义。

本文亦即从此角度出发选取2006年至2008年(少数月份缺失)蒋坝镇、成河乡、临淮乡、老山乡、高涧镇、龙集乡，其编号分别为1，2，3，4，5，6。这6个监测断面每月上述10项监测指标数据作为水质样本(数据来源:淮安市环保局监测中心，表1是洪泽湖蒋坝镇断面取水口监测结果的数据)，利用多元统计方法中的“主成分分析”并借助Maltab软件对淮河流域淮安段河流水质监测数据各断面进行考查，利用“聚类分析”方法分析各取水口之间水质变化关系，对这6个监测断面水质进行评价，以期为淮安市水利局与环保局对未来水质状况宏观掌握，积极采取有效措施治理好洪泽湖提供依据。

表1 洪泽湖蒋坝镇断面水质监测数据

1 水质状况的主成分分析

主成分分析的主要目的就是对原变量加以“改造”，在不致损失变量太多信息的前提下尽可能地降低原变量的维数，即用维数较少的“新变量”代替原来的各变量。为使主成分所含信息互不重叠，应要求它们之间互不相关。设原始指标矩阵X=(X1，X2，…，Xp)T为 p维样本数据，则主成分分析步骤如下:

(3)求相关矩阵的特征值与特征向量。用雅可比法求相关阵特征值 λi，i=1，2，…，p，并记作λ1≥λ≥…λp≥0，同时求得相应的特征向量 βi=(βi1，βi2，…，βip)T。

(5)计算主成分得分值Zi。计算方法有回归法、Bartlette法、Anderson－Rubin法等。将主成分表示为原变量的线性组合，并代入样本标准化数据计算出相应的主成分得分。Zi= βiYi，j，i=1，2，…，n;j=1，2，…，p为第i个主成分得分值…为

(6)水质污染综合指标评价。将各断面计算得到的各主成分得分Zi以其相对的主成分得分的方差贡献率Pj为权重求和，即得各断面的水质综合评价得分Wi为:

采用主成分分析的方法对表1中数据进行了分析，分别得到了表2和表3。

表2 洪泽湖蒋坝镇水质10项指标监测对水质污染的贡献率

表3 洪泽湖蒋坝镇水质10项指标监测结果标准化数据的主成分分析

由表2和表3可知:洪泽湖的水质污染主要是由有机污染物以及重金属污染造成的;水体富营养化和无机污染情况不容忽视;另外，湖水受油类污染。

如果将各断面计算得到的各主成分得分Zi以其相对的主成分得分的方差贡献率Pj为权重求和，即得断面每月水质综合评价得分各断面水环境质量状况以定量化描述，得分越大，表明污染程度越严重。

2 水质状况的聚类分析

聚类分析的基本思想是在样品之间定义距离，在变量之间定义相似系数，距离或相似系数代表样品或变量之间的相似程度。按相似程度的大小，将样品(或变量)逐一归类，关系密切的类聚到一个小的分类单位，然后逐步扩大，使得关系疏远的聚合到一个大的分类单位，直到所有的样品(或变量)都聚集完毕，形成一个表示亲疏关系的谱系图，依次按照某些要求对样品(或变量)进行分类。

文中选用谱系聚类法，为简单起见，以i，j分别表示样品 xi，xj，以 dij简记 i，j之间的距离 d(xi，xj)。Gp，Gq分别表示两个类，设它们分别含有np，np个样品。若类 Gp中有样品 x1，x2，…，xn，则其均值称为类Gp的重心。类Gp与Gq之间的距离记为Dpq，有多种多样定义方式:最短距离:Dpq=最长距离:

对各断面经主成分分析所得每月水质综合评价得分W利用7.0进行聚类分析得:

图1 蒋坝镇聚类分析结果

3 洪泽湖整体水质评价及治理建议

从表4聚类结果可见，蒋坝镇、成河乡、临淮乡水质较老山乡、高涧镇、龙集乡好但也存在严重的污染状况，部分指标(如TN，TP)严重超标。2006年至2008年期间洪泽湖总体水质超五类标准，水质较差，不符合功能区划的要求，影响水质的主要污染物为总磷(TP)、总氮(TN)、石油类、汞、高锰酸盐指数(PI)和生化需氧量(BOD)，老山乡水质最差，总磷(TP)、总氮(TN)超标频繁，临淮乡水质较好但其水质也没有达到功能标准。2007年后湖泊水质有所改善，但仍超五类标准，部分甚至劣Ⅴ类，超标项目仍为总磷(TP)、总氮(TN)，这说明湖泊营养化情况严重。

该研究评价结果与淮安市环保局网站公布中的结果基本一致。从实际情况来看，蒋坝镇、成河乡监测断面位于洪泽湖上游，洪泽湖上游受蚌埠闸等控制，下游受到二河闸、三河闸等控制，保证了洪泽湖持有较高的水位，使淮河下泄的污水由三河闸导向下游，减轻了对洪泽湖的污染。蚌埠闸开闸放水时尽量以小流量的方式进行，污水在由淮河主干道流向洪泽湖的过程中，充分利用河流的自净能力，减少对洪泽湖的污染负荷。

由于水体中总氮(TP)，总磷(TN)等营养元素含量过高，超过湖泊本身自净能力，大量水藻繁殖，湖泊原有生态遭破坏，湖泊水体富营养化，其不仅给湖泊所在地基于湖泊的产业如旅游、水产养殖等产生影响，而且也给当地居民生活健康、饮水安全等产生影响。针对洪泽湖水体富营养污染及有机污染，结合洪泽湖自身地理环境和生态环境，在文献［9］的基础上总结出改善洪泽湖水质的如下措施:

表4 洪泽湖各断面水质污染综合指标评价得分及分类

图2 洪泽湖部分断面06年至08年每月水质聚类结果

(1)控制城乡生活污水的排入以防止湖泊继续富营养化。城镇的污水、工业废水和废物须集中处理，在城镇建立污水处理厂和垃圾处理厂，粪便运往市郊作农作物有机肥。

(2)控制船舶航运污染。主要是控制船民生活污水排放入湖，以及入湖船只的渗、漏、溢，以确保航道的优良水质。

(3)与淮河治理相结合，对整个流域采取水污染总量控制方法，并要求相关部门促进相关排放标准的颁布、实施。采取合理的方式控制上下游闸坝运行;同时与南水北调工程相结合。洪泽湖是南水北调东线工程的重要节点，国家对沿途各地的治理有利于推动污染治理工作，有利于提高洪泽湖的自净能力。

(4)采取政策制止植被破坏，种植防护林，发展湖区水生植物种植，保护鱼类、水禽;通过放养鲢鱼、青鱼等收获经济底栖动物，使氮磷等营养盐通过食物链的转化而最终输出，防止湖泊富营养化。

(5)通过湿地功能实现对污染的治理、控制，保护野生动物等。

(6)加强对湖区营养盐的检测，及时根据掌握的湖区水污染状况和水文特征，对湖区生态系统进行研究，采取对策促进生态系统的良性循环的措施。

(7)通过报纸、新闻网络等媒体手段向居民宣传生态环境保护知识，劝导居民在淮河流域不使用含磷洗涤用品，提高群众生态环保意识。

［1］高惠璇.应用多元统计分析［M］.北京:北京大学出版社，2006.

［2］梅长林，范金城.数据分析方法［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］蒋群，许光泉.主成分和聚类分析应用于淮南矿区地下水水质评价［J］.能源环境保护，2007，(4):51－54.

［4］李传哲，于福亮.基于多元统计分析的水质综合评价［J］.水资源与水工程学报，2006，(8):36－40.

［5］周丰，郭怀成.基于多元统计分析和RBFNNs的水质评价方法［J］.环境科学学报，2007，(5):846－853.

［6］冯梅，徐浙峰.京杭大运河淮安段水质的多元统计分析［J］.环境科学与管理，2008，(33):113－116.

［7］鲁斐，李磊.主成分分析法在辽河水质评价中的应用［J］.水利科技与经济，2006，(12):660－ 662.

［8］郝达平.洪泽湖水环境现状评价及水污染分析［J］.环境水利，2005，(11):32－34.

［9］陈飞龙.洪泽湖断面水质状况评价及分析［J］.中国西部科技，2009，(8):44－46.