武汉东湖水体营养物质含量变化趋势分析

2014-12-30刘志文王一峰王全益张虎

科技创新导报 2014年31期

刘志文+王一峰+王全益+张虎

摘要：引用武汉东湖2000—2010年的高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮4个营养化因子的实测数据，用主成分法在保留原始变量的绝大部分信息（方差）的前提下，将4个因子“浓缩”成一个表征东湖水质营养物质含量的综合关键因子—— 主成分，进而对主成分数值进行变化趋势分析。得出10年间水质受4种营养物质的综合污染程度非稳定改善的结论。

关键词：水质营养物质含量主成分变化趋势武汉东湖

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0115-02

武汉市东湖位于中心城区东部，是首批国家重点风景名胜区。作为武汉市的地标东湖在全国具有一定的知名度。东湖水面面积33 m2，集水面积119 m2，是全国最大的城中湖。自20世纪80年代以来，随着经济社会的发展东湖逐渐成为城中湖。湖周的城市化导致湖泊水质恶化，东湖的生态和水环境问题已引起社会各界和政府的高度重视。10年来政府采取多种措施治理东湖水环境修复水生态。由于湖泊生态系统是个复杂的综合体系，其生态恢复需要制定科学的修复方案和较长时间的修复过程。

该文依据《武汉市水资源公报》、《21世纪前十年武汉市地表水功能区水资源质量变化调查评价》，对2000—2010年东湖水体中高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮等营养化指标（以下称为关键因子）的年际变化趋势进行了分析，评价东湖治理工程的效应，为实施最严格的水资源管理提供科学依据。

1 监测点和监测时段

出于对东湖水质变化的代表性和敏感性考虑，监测点分别设在湖心、九孔桥和水上运动中心。均匀的布设在西北部湖周人口密集、受污染程度严重的水域。监测时段兼顾水期和季节每年6～8次。

2 分析评价方法

采用主成分分析法探究东湖水体营养化指标的年际变化趋势。方法的实质是通过多维空间坐标轴的旋转实现降维的目的，由正交变换把n个变量转化为q个主成分（q<

Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n Xn i=1……n

式中：Z 主成分;

n 关键因子个数;

V 特征向量;

X 关键因子的均值

本文分析的思路是用较少甚至单个新的指标（主成分），最大限度地综合反映影响东湖营养水平的多个关键因子的信息，进而计算主成分的得分，并分析各年得分的变化趋势。同时结合关键因子所对应的特征向量数值的分布特点确定各主成分的水质理化解释。从而得出东湖水体营养物质综合水平的年际变化趋势和主要污染因子的结论。

2.1 年际得分计算

计算东湖逐年的水质变化得分的过程是：对原始变量数据进行标准化处理，以消除由于量纲的不同可能对计算结果的影响，用n年水质监测数据样本的4种关键因子的各年平均值建立协方差矩阵并进行正交变换后，计算各主成分的特征值和特征向量得到4个主成分Zi。然后计算各主成分的累计方差贡献率。

根据方差贡献率的大小，确定满足分析精度要求能反映样本综合信息的前q个主成分。然后取这前q个主成分计算综合主成分F。具体为：

若第一主成分Z1的累计方差贡献率大于70%，则第一主成分已包括了原始变量足够多的方差信息，可视Z1为综合主成分F。

若第一主成分Z1的累计方差贡献率不足70%，则纳入第二主成分Z2。以贡献率为权数，将Z1和Z2线性组合即构造出综合主成分F。

将相应关键因子数据代入F的方程求得F得分，进而根据得分的大小进行年际排序。

一般地，在特征向量为正载荷的前提下，综合主成分F得分越低，相应评价年营养化水平越低，水质越优;特征向量为负载荷时相反。

2.2 营养化水平得分变化趋势识别

计算2000—2010年得分P的变化幅度△P：

△P= P2010-P2000

统计2000—2010年的得分年际变化升高年份数Nup和下降年份数Ndn。并计算得分年际变化升高和降低年份的比例Kup和Kdn：

Kup = Nup / Nsum

Kdn = Ndn / Nsum

式中Nsum为评价阶段总年份数减1。

变化趋势识别标准：

当，Kup≥66.6%且△P>0%，判定为稳定上升;

当，Kup<66.6%且△P>0%，判定为非稳定上升;

当，Kup<33.3%且△P<0%，判定为稳定下降;

当，Kup≥33.3%且△P<0%，判定为非稳定下降。

根据各年得分的变化趋势判定营养物质含量年际变化趋势。

3 东湖水体2000—2010年营养物质含量变化趋势分析

3.1 主成分得分计算

运用2000—2010年各年监测值的年平均值，共10年资料数据。将实测原始数据标准化后求得其协方差矩阵，进而计得其协方差矩阵的特征值、特征向量和贡献率见表1。

3.2 主成分的解释

第一主成分Z1贡献率达到了74.1%，其4个特征向量绝对值相近且都是正载荷。说明Z1表征该功能区水质受高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮的综合污染程度。Z1较大意味水体营养物质含量较高，反之较低。endprint

第二主成分Z2贡献率达13.3%，其特征向量在VTP上有较大的正载荷。所以Z2表征该功能区水质受总磷污染程度。较大的Z2意味总磷污染程度较重，反之较轻。

第一主成分Z1和第二主成分Z2的累计贡献率已达到87.4%，说明Z1、Z2已经概括了4个关键因子87.4%的信息，可作综合评价指标。

3.3 得分计算

由式Zi=Vi，1 X1+ Vi，2 X2+…+ Vi，n Xn 分别计算第一主成分Z1和第二主成分Z2的各年得分。

以贡献率占累积贡献率的百分比为权数，将所求得的东湖水质第一、二主成分得分进行线性组合，得综合主成分F的各年得分见表2。

3.4 东湖水体营养物质含量年际变化趋势定性

统计综合主成分F得分的2000—2010年变化趋势参数：

Nup= 3

Nsum=9

Kup = Nup / Nsum=33.3%

△P=-3.8672

由前述判别公式确定：

由Fup=33.3%、△P=-3.8672<0%，判定表征其水质综合污染程度的综合主成分F得分的变化趋势为非稳定减少。

分析结果显示东湖2000—2010年水体受高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮等营养物质的综合污染程度非稳定改善。

4 结语

2005年10月，国家批准武汉市为水生态系统保护与修复试点城市，2006年8月，国家水利部批准了《武汉市水生态系统保护与修复试点工作实施方案》，“大东湖”生态水网构建是其中的重要支撑项目。2008年3月市政府批复了《大东湖地区生态水网控制规划》。至2012年底，“大东湖”水系即东湖、沙湖、杨春湖、严西湖、严东湖、北湖6个湖泊截污工程基本完成，部分湖泊进行了底泥清淤、重建动植物生长及实施湖湖、江湖连通等举措。东湖水质根据2000—2010年的监测资料分析表明，水体受高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮等营养物质的综合污染程度呈非稳定改善，证明水生态系统保护与修复工作成效开始显现，但也要充分认识到水污染治理和修复是一个长期而艰巨的过程。据调查东湖污染的主要来源为生活污水，应建立完善分流制系统，在有效降低点源污染量的同时，利用现有的分散式截流系统收集初期雨水。形成较分流制更高效的先进的分流制系统，一定程度降低东湖面源入湖污染物的量，保障东湖水体持续稳定的改善。经3～5年建设实现湖湖、江湖连通。利用江水补给与东湖进行换水，让死水变活水，形成良性循环的生态水网。同时大力发展水经济，实现在污染中治理，在治理中发展，在发展中美化环境。

参考文献

[1] 彭文启.张祥伟.现代水环境质量评价理论与方法[M].化学工业出版社，2005.

[2] 宋新山.MATLAB在环境科学中的应用[M].化学工业出版社，2008.

[3] 丁桑岚.环境评价概论[M].化学工业出版社，2005.