基于主成分分析的桂林漓江水质特征研究_蒋灵芝.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）目前，评价水环境质量的方法有多种，单因子评价法、模糊综合评价法、综合污染指数法、灰色聚类法、内梅罗污染指数法、主成分分析法等。其中，水利部门多采用单因子法进行水环境评价，即以水质最差的单项指标所属类别作为水体的水质等级，方法简单易懂，但只充分显示了最严重的污染因子，无法直观地表示诸多污染因子对水质的影响。而主成分分析法能够从众多水质监测指标中识别污染因子，最大范围的保留主要原始信息，简化原始变量繁冗复杂的数据，同时有效减少主观误差，已被广泛应用于水质评价1。本文利用主成分分析法对桂林漓江 20172021年7个断面的7个水质指标原始数据统计分析，探讨了漓江不同时期不同河段的水质变化特征及各断面水质变化的主要影响因子，为漓江水环境质量进一步提高，保护漓江生态提供参考依据。1研究区概况漓江发源于广西桂林市兴安县华江乡猫儿山的老山界南侧，向南流至溶江镇与灵渠汇合，然后流经灵川县、桂林市城区、阳朔县至平乐县与荔浦河、恭城河汇合，再流经昭平县、苍梧县至梧州市汇入西江干流浔江。漓江段全长164 km，主要支流有黄柏江、川江、灵渠、小溶江、白云江、桃花江等。流域内属亚热带季风气候，多年平均降雨量为1 889.4mm，漓江上游存在多个暴雨区，降雨主要集中在汛期，约占年降水量的75%。2数据与方法2.1数据来源本次数据来自桂林水文中心。研究河段为漓江干流大溶江至平乐段，河段内设置了7个监测断面，从上至下分别为大溶江、大面、桂林、冠岩、阳朔、福兴、平乐。监测项目为 地表水环境质量标准（GB 3838-2002）表1中的24项指标，监测频次为每月1次。本次研究筛选了20172021年7个主要水质指标进行主成分分析，即溶解氧、pH、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮和总磷等指标；同时加入了这7个指标在 地表水环境质量标准（GB 3838-2002）中IV类的标准值，以便对各断面的水环境质量进行分级。2.2研究方法主成分分析法在损失较少信息的前提下，把多个指标纳入同一系统中，将其转化为几个互不相关的综合指标进行定量化研究的多元统计方法，转化生成的综合指标称之为主成分，其中每个主成分都是原始变量的线性组合1，2。本次主成分分析计算由SPSS 27软件完成。首先对选取的原始数据进行标准化，然后利用SPSS27软件执行主成分分析，系统自动计算出特征值、基于主成分分析的桂林漓江水质特征研究蒋灵芝，赵童（桂林水文中心，广西桂林541100）摘要对桂林漓江20172021年间7个断面的7个主要水质指标进行主成分分析，得到2个主成分，解释了73.5%的原始变量。结果表明，20172021年，漓江水质整体趋势向好；2021年漓江大面至平乐段水质汛期好于非汛期，大溶江段反之；空间上，漓江上段水质最优，下段次之，中段最差，污染源主要来自生活、工业及农业的污水、废水。关键词主成分分析；污染因子；水质时空特征；漓江中图分类号X824文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0138-04收稿日期2022-12-12基金项目广西科学研究与技术开发计划重点研发项目 基于卫星遥感影像的河流水库水质污染预警应用技术研究（桂科AB22080046）作者简介蒋灵芝（1991-），女，广西全州人，桂林水文中心四级主任科员，硕士，主要从事水文分析预报工作。水质监测与评价 138DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.035广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）初始因子相关系数矩阵等，通过KMO和Bartlett的球形度检验，确定主成分分析的适用性。根据特征值i大小及方差累计贡献率筛选出主成分，计算主成分的载荷矩阵Ui，最后根据各主成分得分Fi及其权重计算出水质综合评价得分F，从而对各监测断面及其不同时段的水质进行评价。相关计算公式为：Ui=fi/i（1）Fi=i=1mUiZxi=U1Zx1+U2Zx2+U3Zx3+.+UmZxm（2）F=1(1+2+.+m)F1+2()1+2+.+mF2+.+m()1+2+.+mFm（3）式中：F为综合评价得分；Fi为各主成分得分（即F1得分为F1，F1为第一主成分，下同）；Ui为主成分载荷矩阵；fi为初始因子相关系数矩阵；i为特征值（主成分对原始样本的权重）；Zxi为标准化值。3结果与讨论3.1漓江水质主成分分析结果本次研究中，KMO值为0.878，显著性为0.000，满足KMO值大于0.6，显著性小于0.05的要求1，3，说明变量间存在相关性，主成分分析适用。根据特征值大于1的原则，得到2个主成分（见表1），第一主成分F1的贡献率为59.0%，第二主成分F2的贡献率为14.5%，累积贡献率为73.5%，表明这两个主成分能够反应原始变量73.5%的信息，符合主成分分析基本要求。初始因子相关系数见表2。表1特征值及主成分贡献率主成分1234567特征值4.1311.0130.8870.2930.2610.2530.162方差贡献率/%59.01114.46612.6784.1793.7323.6192.315方差累积贡献率/%59.01173.47786.15690.33594.06697.685100.000初始因子相关系数反映了各指标与所属主成分相关性，系数越大相关越紧密。由表2可知，高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷与F1的相关系数都超过了0.85，表明F1主要反映这几个指标对水质的作用。其中，化学需氧量、高锰酸盐指数是衡量水体中还原性物质和有机物相对含量多少的指标，五日生化需氧量是间接表示水体中有机物含量的指标4，氨氮和总磷则对水体富营养化具有一定的影响，它们主要来源于生活污水、工业废水以及农田化肥中2，故F1主要反应了人类活动对水质的直接影响。F2则代表了溶解氧和pH，反应了人类活动对水质的间接影响，其中，溶解氧指溶解在水中的O2的量，它反映水体受有机物污染的程度，pH则是反映水的酸碱度。3.2讨论与分析根据公式（1）、（2）、（3），计算得出漓江20172021年每月各断面的2个主成分得分F1、F2及综合主成分得分F。为便于分析，本次采用各年度的月均值进行对比研究，各断面在20172021年月均主成分以及综合得分见图1和图2。图1各断面20172021年月均综合成分得分柱状图3.2.1污染因子识别主成分分析中，得分值大小表示水质污染程度，值越大则程度越高，反之越小。通过对比各断面F1和F2大小，以了解其在不同时期的主要污染因子。由图2可知，大溶江和大面F2在5年间均比F1大，两个断面的污染因子相对稳定，主要为F2中的指标，即溶解氧或pH；冠岩在5年间F1均大于F2，河段水质主要受有机物及氮磷营养物的影响；桂林、阳朔和福兴20172018年F1较大，污染因子为F1表2初始因子相关系数矩阵水质指标pH溶解氧高锰酸盐指数化学需氧量五日生化需氧量氨氮总磷F10.292-0.3520.9040.8660.8810.9060.870F20.6920.7060.0050.0980.111-0.066-0.093139蒋灵芝，赵童:基于主成分分析的桂林漓江水质特征研究中高锰酸盐指数、氨氮、总磷等相关指标，20192020 年为 F2 中溶解氧、pH 指标；平乐在 20172019年和20202021年污染因子分别以F1和F2中的指标为主导。可见，在不同时期，大溶江、大面、冠岩水质污染因子基本一致，桂林、阳朔、福兴及平乐各不相同，这主要与它们的地形特征、周边环境、降雨周期以及受人类活动影响程度等因素有关4。3.2.2水质时间变化特征由图1和图2可知，20172021年各断面月均水质综合得分均较低，其中最高为2018年冠岩断面，F 为 0.94，最低为 2020 年大溶江断面，F 为-1.47，最高得分与I类标准综合得分2.94相差3倍，说明漓江水质优良，5年内月平均水质均为I类。从 20172021 年来看，水质总体趋势向好，20192021 年各断面综合得分基本低于 20172018年，其中桂林断面最为显著，20172018年其综合得分均为正值，20192021年均为负值，表明桂林市政府开展漓江综合治理与生态保护工程，对漓江水域进行全流域治理，以及深入推行河长制取得了良好成效。为研究各断面汛期与非汛期的水质特征，选取2021年为样本，分别以2021年各断面13月及1012月的主成分得分之和、综合得分之和作为非汛期的主成分得分和综合得分，49月为汛期，得到表3。从表3可知，2021年除大溶江外，其余6个断面非汛期综合得分均高于汛期，说明非汛期水质较汛期差，考虑为流域内污染形式为点源污染，污染物质量相对稳定，由于非汛期来水量减少，污染物稀释度变差，水体净化能力降低，造成水质较差3。大溶江断面水质汛期劣于非汛期，且汛期F1大于图2各断面20172021年月均主成分及综合得分点线图表32021年各断面汛期、非汛期得分情况断面名称大溶江大面桂林冠岩阳朔福兴平乐汛期F1-3.66-4.64-1.27-0.22-1.421.02-0.43F2-5.44-2.75-5.82-5.17-3.38-2.93-3.09F-4.00-4.25-2.16-1.20-1.800.24-0.94非汛期F1-7.84-4.642.662.49-2.900.16-0.27F2-0.300.24-3.090.323.971.005.89F-6.36-3.701.532.06-1.560.330.95140广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）F2，污染因子为F1中指标，主要为汛期强降雨较多，大溶江处于暴雨区，强降雨形成径流，将生活区的污水及农田中的氮磷等营养物质带入河道，造成面源污染，导致水质变差5。3.2.3水质空间变化特征由图2可知，2017年各断面月均综合得分大小为大面大溶江平乐阳朔冠岩福兴桂林，表明大面水质最好，桂林最差，水质特征表现为漓江上段水质最好，下段次之，中段最差；2018年各断面得分为大面、大溶江断面最低，福兴、桂林、阳朔、平乐居中，冠岩最高，水质特征与2017年基本一致；20192021年，大溶江、大面水质综合得分分别为第七、第六，平乐、阳朔、冠岩依次排名各年第一。可见，漓江上段大溶江与大面水质最好，其余断面得分排名每年上下波动，但总体遵循漓江水质上段好于下段，下段好于中段的规律。大溶江断面位于兴安县溶江镇外围，与居民主要聚集区尚有距离，大面为国家重点饮用水水源地，附近无大型工业区，受人类活动影响较少，所以两个断面水质常年较好；而桂林和冠岩取样点在市中心河段，人口密集，受居民生活污水和生产废水的影响较大，故水质较差；到下段时，随着水量的增加，河流的纳污能力增强，污染物得到稀释，水质整体转好，因此河流来水量也是影响漓江下段水质的关键因素。4结语（1）桂林漓江水质优良，水质时空分布特征差异较大。时间上，20172021年漓江水质变化总体向好；2021年漓江大溶江段水质非汛期好于汛期，大面至平乐段水质汛期好于非汛期。空间上，20172021年水质特征表现为漓江上段水质最优，下段次之，中段最差。（2）漓江流域污染因子各河段表现不同，上段污染因子为溶解氧、pH，污染形式主要为径流造成的面源污染；中下段污染因子较复杂，不同时期为不同的因子，污染形式以点源污染为主。（3）漓江水质主要受人类活动的影响，为进一步改善水质，建议加强监管沿江生活污水及工业废水的排放，改善流域周边农村污水收集处理方式，调节农业种植结构提升化肥及农药的利用率等。参考文献1黄伟，张钘，罗晓佼，等.三峡库区高阳平湖水体富营养化主要驱动因子研究基于主成分分析法J.三峡生态环境监测，2022，7（1）：1-7.2梁明奇，王敏，朱江龙.基于主成分分析法的五