基于主成分分析法在于桥水库水质评价中的应用

王娟娟 张素青 王宝峰 王德兴 王秀芹 杜乐

摘要：为评价天津市于桥水库水质状况，试验于2021年选取水库7个监测站位，对站位水样中的高锰酸盐指数、总氮、总磷、石油类、溶解氧、pH、叶绿素a进行监测。运用SPSS软件对监测数据进行主成分分析，结果显示，于桥水库污染程度从重到轻为：顶点＞下游（北）＞下游（南）＞上游（北）＞中游（北）＞上游（南）＞中游（南），顶点站位、水库下游及北部站位受高锰酸盐指数、氮、磷、石油类等污染影响较大，水库南部站位受污染影响较小。

关键词：主成分分析；水质；于桥水库

中图分类号：P343

文献标识码：A

于桥水库位于天津市蓟州区以东、蓟运河左支流州河的上游，始建于1959年12月，水库地形狭长，最大库容13亿m3，淹没面积为216 km2[1]，

控制流域面积2 060 km2。周围的淋河、沙河、黎河等河流在这里汇聚，是引滦入津工程重要的调蓄水库[2]，为天津市经济、社会发展做出了重要贡献，也对当地的水循环、水生生物的繁衍发挥了重要作用。

近几年，随着中国污染防治攻坚战的打响，生态环境保护从认识到实践都发生了历史性的改变，水环境评价已经成为中国环境保护领域的重要内容。中国的水质评价工作始于20世纪70年代[3]，目前常用的水质评价方法有多种，主要为单因子评价法、综合污染指数法、内梅罗水污染指数法、分级加权平均法、模糊评价法等。主成分分析法使用一种降维的统计方法，将多个变量信息压缩为少数几个能够反映原问题特征的综合变量，此方法能够最大限度地保留原始信息，并对多项变量进行综合与简化，减少了原始信息的损失，同时能避免人为主观因素的影响。本研究通过采用主成分分析法对于桥水库水质进行合理评价，研究水库水质状况，不仅对水库水质的生态修复提供数据支撑，也为大水面水域的可持续科学利用起到指导作用。

1  采样与监测项目

1.1   水质监测采样

在于桥水库共设置监测站位7个（图1）。采样时间为2021年5月、7月、9月。

图1  于桥水库水质监测区域及站位

1.2   水质监测

监测项目：高锰酸盐指数、总氮、总磷、石油类、溶解氧、pH、叶绿素a。

样品采集和检测方法按照《SC/T 9102.3-2007-渔业生态环境监测规范 第3部分：淡水》执行。

2  数据分析

通过统计软件SPSS对数据进行主成分分析。选取各监测站位5月、7月、9月的平均数据进行标准化处理，选取7个指标进行分析评价。分别为：高锰酸盐指数（X1）、总氮（X2）、总磷（X3）、石油类（X4）、pH（X5）、溶解氧（X6）、叶绿素a（X7）。各站位监测均值见表1，标准化处理后的数据见表2。

通过SPSS计算得到解释的总方差（表3）。按特征值大于1的选取原则，提取出相互独立的主成分，选取初始特征值累计百分比达到80%～85%以上的λ值，显示第1、第2、第3主成分其方差贡献率分别为48.063%、18.941%、14.665%，其累计方差贡献率为81.668%，即这3个主成分包含了监测指标的81.668%，可以较为全面地反映于桥水库的环境状况。

初始因子荷载矩阵由SPSS分析直接得到（表4）。由初始因子载荷矩阵除以主成分特征值的平方根可确定主成分载荷矩阵（表5）。主成分载荷矩阵表示各指标与主成分之间的相关性，某项指标与某一主成分荷载数值越大，说明该指标与该主成分的相关性越强。从表4可以看出，高锰酸盐指数、pH、溶解氧等指标在主成分1上的载荷较大，总氮、石油类、叶绿素a等在主成分2上的荷载较大，总磷在主成分3上的荷载较大。主成分1主要反映的是高锰酸盐指数、pH、溶解氧等指标的信息，主成分2主要反映的是总氮、石油类、叶绿素a等指标的信息，主成分3主要反映的是总磷的信息。

由主成分载荷矩阵及标准化数据可得出主成分得分及综合得分函数：

F1=0.285ZX1+0.448ZX2+0.272ZX3-0.198ZX4+

0.535ZX5+0.492ZX6-0.276ZX7

F2=0.327ZX1+0.197ZX2+0.225ZX3+0.773ZX4+

0.071ZX5-0.009ZX6+0.446ZX7

F3=-0.719ZX1+0.399ZX2+0.221ZX3-0.132ZX4+

0.078ZX5+0.048ZX6+0.457ZX7

F=[λ1/（λ1+λ2+λ3）]F1+[λ2/（λ1+λ2+

λ3）]F2+[λ3/（λ1+λ2+λ3）]F3=0.456F1+

0.287F2+0.257F3

3  结 论

根据评价得分函数，得到各监测站位水质综合评价结果（表6）。由表6可见，顶点、上游（北）、中游（北）站位F1得分较高，说明该部分站位受高锰酸盐指数、pH、溶解氧影响较

大；下游（北）、顶点、中游（北）站位F2得分较高，说明该部分站位受总氮、石油类、叶绿素a影响较大；下游（北）、顶点、上游（北）站位F3得分较高，说明该部分站位受总磷影响较大。从主成分综合得分可以看出，顶点站位综合得分排名第1，其主成分综合得分达到5.238，其次是下游监测站位，综合得分排名第2、第3。上游（南）和中游（南）站位综合得分为-1.441和-1.745，说明水质较好。

4  讨 论

根据主成分分析的综合得分，得分越高，污染越严重。于桥水库各站位污染程度从重到轻

为：顶点＞下游（北）＞下游（南）＞上游（北）＞

中游（北）＞上游（南）＞中游（南）。顶点站位和水库下游及水库北部站位受高锰酸盐指数、氮、磷、石油类等污染影响较大，水库南岸主要为山脉，人口数量相对较少，南部水域受污染影响较小。

影响于桥水库水质主要因素：一是流域污染源，于桥水库上游接受黎河、沙河、淋河输入，接纳了周围农业用水、生活污水及工业废水。二是库周环境，于桥水库下游及北部人口密度大的对应库区，受人为活动影响，在降雨期通过地表径流等方式接纳生活污水、畜禽养殖污水和农业污水，进而对水库的水质产生影响。

根据于桥水库实际情况，可对水库入库流域周边地区点源污染进行治理。一是控制水库下游及北部周边城镇生活污染源，包括农业、农村面源污染，养殖污水污染等；二是加强前置库的生物净化功能，通过人工湿地建设，利用水生植物等对水质进行净化；三是提高水库自净化能力，根据水库天然饵料情况，适当投放细鳞斜颌鲴等土著刮食性鱼类；在污染较严重库区适当移植水生植物等。通过综合治理，进一步恢复于桥水库生态系统的良性健康循环。

參考文献

[1]孙金辉，乔之怡，冯洪超，等．于桥水库浮游动物调查研究[J]．安徽农业科学，2011，39（23）：14141-14143，14151.

[2]吕豪朋，申丽娜．天津于桥水库流域河流表层沉积物中碳·氮·磷分布及污染评价[J]．安徽农业科学，2017，45（27）：98 -102，167.

[3]廉铁辉，王钊，王洪翠，等．主成分分析法在海河流域多条河流水质评价分析中的应用[J]．海河水利，2017（2）：29-31，37.