基于主成分分析法的鹤地水库富营养状况评价

2024-02-13李晓芳刘亚平陈湛峰

当代化工研究 2024年1期

＊李晓芳刘亚平陈湛峰

（广东省生态环境监测中心广东 510308）

1.概述

富营养化是水体衰老的一种现象,在富营养化水体中，氮、磷营养元素富集，浮游藻类迅速繁殖，造成水生态系统结构和功能失衡，给人类生活和健康带来不良影响[6]。近年来，许多学者采用PCA对水体富营养化进行评价，杜乔乔等[3]借助PCA对于桥水库富营养化因子进行分析，明确了水温、pH、COD及DO是影响水库水体富营养化的主要驱动因子；廖宁等[7]采用PCA对西南山区典型河道型水库富营养化进行评价讨论，发现水库中藻类、营养状态变化的主控因子为DO、NH3-N、TP和TN；杨玖等[1]利用PCA对攀枝花胜利水库富营养化状况进行评价，发现库中营养状态变化的主要驱动因子为BOD5、TN、TP。

鹤地水库地处雷州半岛北部，库区跨两省四市三县，集水面积1440km2，总库容11.87亿m3，是广东省重要的饮用水水源地，对水库富营养状况进行综合评价，分析水库水质富营养化的影响因子，能为鹤地水库水资源保护、水污染防控及生态良好发展提供支撑。

2.材料与方法

(1)数据来源

本研究采用2012—2022年鹤地水库月均值数据，根据水质评价方法和特点，采用水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、总磷、总氮、透明度、叶绿素a等9项作为评价指标。

(2)评价方法

Spearman相关性分析是一种不依赖于总体分布的非参数检验，可以用来描述两者之间的关系。主成分分析法（PCA）本质是对高维变量系统进行最佳综合与简化，将多个相互关联的变量转化为少数互不关联的综合指标，这种综合指标可以用来寻找判断某种事物或现象，当对综合指标所包含的信息以适当的解释时，可以更好地揭示事物内在的关系和规律[1]。本文首先利用Spearman相关性分析判断鹤地水库主要污染指标间的显著性关系，再通过PCA对影响鹤地水库水体富营养化的主要指标进行主成分筛选，从而分析出表征水体富营养化的重要指标。

水库营养状态评价采用《地表水环境质量评价办法(试行)》中的综合营养状态指数法，评价指标包括叶绿素a（Chla）、总氮（TN）、总磷（TP）、透明度（SD）和高锰酸盐指数（CODMn）。

3.结果与讨论

(1)各指标间的Spearman相关性分析

鹤地水库主要污染指标的Spearman相关性见表1。Chla分别与COD、CODMn呈显著正相关，与TP、TN相关性较弱；综合营养状态指数与COD、CODMn、Chla及水温均呈显著正相关，与SD呈一定的负相关。可能原因是有机污染物COD、CODMn一定程度上能促进藻类繁殖，同时藻类大量繁殖排泄的有机物质又导致水体有机质增加，有机物质越多，使得水体有机耗氧物的污染越多；N、P等营养盐是浮游植物生长的营养盐条件，而浮游植物的生长，除了与氮、磷营养盐相关外，还与水库的水动力、气象等因素相关，故N、P等营养盐与Chla的关系较为复杂[2]。

表1 各监测指标相关性分析

(2)近11年水库水质主要影响因子分析

在进行主成分分析前，对9个评价指标进行KMO检验和Bartlett球形检验，KMO统计量为0.717，Bartlett球形检验验值小于0.001，结果表明该组指标有较强相关性，可进行主成分分析。主成分分析结果表明，前4个主成分的方差贡献率分别为37.495%、20.716%、10.639%和10.075%，累计反映了原始参数信息的78.925%，各主成分方差贡献率及累计方差贡献率见表2。对因子载荷矩阵按照方差最大化进行正交旋转，旋转后的主成分载荷矩阵见表3。由表3可知，第1主成分中CODMn、COD、水温和Chla的因子载荷比较大，说明第1主成分代表的信息比较丰富，体现了有机污染物的浓度，有机污染物浓度高会直接促进藻类繁殖，导致水体富营养化，适宜的水温是促进藻类生长的重要条件[3]，而叶绿素a直接反映水体的富营养化水平[3]；第2主成分中，DO和pH所占的载荷比较大，说明成分2代表的是体现了水体的酸碱环境和自净能力，溶解氧的含量与浮游植物生长密切相关，当浮游植物光合作用大于呼吸作用时，DO与Chla成正相关，当呼吸作用大于光合作用时，DO与Chla成负相关；TP在第3主成分中的载荷较高，TN在第4主成分中的载荷较高，说明第3、第4主成分体现的是水库富营养化的营养盐条件。

表2 主成分特征值及方差贡献率

(3)不同水期水库水质主要影响因子分析

鹤地水库各水期的主成分特征值和主成分载荷分别见表4和表5，根据主成分选取原则，选择特征值大于0.9对应的主成分。丰水期，第1、第2、第3主成分的特征值大于0.9，其方差贡献率分别为43.010%、16.137%和11.517%，累计方差贡献率为70.665%。根据主成分载荷矩阵，pH、DO、CODMn、COD、Chla在成分1有较大载荷，TP和透明度在成分2上有较大载荷，水温在成分3上有较大载荷。枯水期，选取3个主成分，各成分方差贡献率和累计方差贡献率分别为33.748%、19.205%、13.444%和66.397%，成分1的贡献率较大，由表5可知，CODMn、COD、Chla在成分1上有较大载荷。平水期，选取4个主成分，各成分方差贡献率和累计方差贡献率分别为33.932%、20.256%、14.564%、10.168%和82.920%，水温、CODMn、COD和Chla在成分1上有较大载荷。CODMn、COD和Chla在丰、枯、平水期的成分1上均有较大载荷，Chla直接反应水体的富营养化程度，CODMn、COD是表征水库富营养化程度的重要指标。

表4 不同水期主成分特征值及方差贡献率

(4)富营养化评价方法

根据各主成分得分与相应贡献率之积的和[4-5]，计算水库2012—2022年的营养状态综合得分,根据图1，主成分分析法和综合营养状态指数法两种评价方法的结果的变化趋势基本一致。对两种评价结果进行Spearman相关性分析，结果显示，主成分分析的综合得分与综合营养状态指数的相关性为0.885（p＜0.01），呈显著正相关关系，说明采用主成分分析法评价鹤地水库富营养化具有较高的可信度。