張軍莉，嚴(yán)谷芬

(1.云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室，云南昆明650034;2.云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南昆明650034)

滇池水質(zhì)的時空變化特征一直是滇池保護研究的熱點，可揭示滇池水質(zhì)的變化規(guī)律，已成為滇池水體研究不可缺少的內(nèi)容，為滇池的保護和治理提供科學(xué)依據(jù)。然而，滇池水質(zhì)長時間系列時空變化的研究不多，見報道的研究成果多以短期高密度的監(jiān)測對個別或者多個水質(zhì)指標(biāo)為研究對象進行。如方濤等關(guān)注了五個水質(zhì)指標(biāo)一年內(nèi)的變化規(guī)律［1］。劉輝寧等［2］、李蒙等［3］著重分析了葉綠素a在短期內(nèi)的時空變化。劉永川等［4］對磷在2004至2005年1年內(nèi)的年內(nèi)變化進行觀測和分析。上述研究均側(cè)重于某個或者某幾個水質(zhì)指標(biāo)短期內(nèi)的時空變化特征。

滇池長時間系列水質(zhì)時空變化的研究多以某個特定指標(biāo)為研究對象，采用不同的研究方法，從不同的角度解析滇池水質(zhì)時空變化的規(guī)律。王紅梅等以滇池富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)為研究對象，考察了將近20年滇池富營養(yǎng)化的時空變化規(guī)律［5］。粱中耀等應(yīng)用 STL(Seasonal－Trend Decomposition LOESS)方法對滇池近12年來多個水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢進行了分析［6］。黎海林等采用水質(zhì)綜合污染指數(shù)法對滇池水質(zhì)進行綜合評價［7］。以上研究更多關(guān)注的是滇池水質(zhì)時間上的年際變化特征，水質(zhì)空間上的變化規(guī)律以單點定性研究為主。陳聯(lián)君運用遙感技術(shù)對滇池水質(zhì)的不同年份間的變化進行了比較［8］，然而此方法暫未見定量的對比研究。因此，鐘艷霞等提出天然湖泊水質(zhì)分析應(yīng)進一步開展多點位綜合評價和污染物空間分布研究［9］。

綜上所述，滇池水質(zhì)長時間系列的時空變化研究對于了解湖泊長期的水質(zhì)變化規(guī)律至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的多個研究均側(cè)重于短期的水質(zhì)時空變化研究，采用空間技術(shù)方法定量研究滇池水質(zhì)空間變化的研究不多。滇池由于常規(guī)監(jiān)測采樣點位少，以單點為基礎(chǔ)分析水質(zhì)的空間分布，不足以準(zhǔn)確反映其空間分布的狀況。本文采用因子分析法以滇池1999—2008年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合評價滇池的水質(zhì)數(shù)據(jù)，計算滇池每個監(jiān)測點位和每年的水質(zhì)綜合評價得分，以此綜合評價得分作為滇池水質(zhì)監(jiān)測點位的空間屬性數(shù)據(jù)，采用ArcGIS軟件的空間插值法，嘗試定量分析10年間滇池水質(zhì)的時空分布變化特征。

1 研究區(qū)域概況

滇池屬長江流域金沙江水系，位于昆明市城區(qū)西南面，屬斷陷構(gòu)造湖泊，是云貴高原上湖面最大的淡水湖泊。滇池平均水深4.4m，湖水面積309km2，湖容12.9億m3。多年平均水資源量9.7億m3，扣除多年平均蒸發(fā)量4.4億m3，實有水資源量5.3億m3。湖泊補給系數(shù)9.9，湖水滯留期約為981d。滇池水域分為草海、外海兩部分，現(xiàn)由人工閘分隔。草海位于滇池北部，外海位于滇池中南部，為滇池的主體，面積大約占全湖的96.7%，草海、外海各有一個人工控制出口，分別為西北端的西園隧道和西南端的海口中灘閘。

2 研究方法

2.1 因子分析法

因子分析由Charles Spearman在1904年首次提出，通過研究多個變量間相關(guān)系數(shù)矩陣 (或協(xié)方差矩陣)的內(nèi)部依賴關(guān)系，找出能綜合所有變量主要信息的少數(shù)幾個隨機變量，通常稱為因子。各個因子間互不相關(guān)，所有變量都可以表示成公因子的線性組合。因子分析的目的就是減少變量的數(shù)目，用少數(shù)因子代替多個變量去分析整個問題［10］。

水質(zhì)評價是一個多指標(biāo)的綜合評價。因子分析法廣泛用于水質(zhì)的綜合評價中，以解決水質(zhì)多指標(biāo)綜合評價帶來的難度和工作量。因子分析法可確保原始數(shù)據(jù)所攜帶的信息量丟失最少，同時在盡量保留所有變量對綜合水質(zhì)貢獻的情況下，能減少評價指標(biāo)，達到綜合評價的目的，客觀反映不同水質(zhì)間的差異。同時，在水質(zhì)的綜合評價中，根據(jù)提取的公因子的累積貢獻率大小和公因子中變量載荷的大小，對影響水質(zhì)的主要污染類型進行分析。多個運用多因子法進行水質(zhì)綜合評價的結(jié)果均顯示:因子分析法是一種將多變量納入同一系統(tǒng)中進行定量化研究且理論較完善的多元統(tǒng)計分析方法，在解決國內(nèi)外關(guān)于地表水污染等其他實際問題時取得了較好效果，且方法簡便，準(zhǔn)確率高［11～18］。該方法盡管無法對應(yīng)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)綜合類別進行判定，但可揭示水質(zhì)的性質(zhì)和時空變化規(guī)律，同時對水質(zhì)的主要污染類型進行定性分析。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，采用IBM SPSS Statistics 21軟件對滇池10個常規(guī)監(jiān)測點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多元分析處理，綜合評價研究期內(nèi)滇池每年的主要污染物類型，并計算每個監(jiān)測點位的綜合評價得分。分析采用的方法和步驟參考上述文獻和《SPSS統(tǒng)計分析高級教程 (第2版)》［10］，文內(nèi)不再贅述。

2.2 反距離加權(quán)插值法 (Inverse Distance Weighted，簡寫為:IDW)

IDW是用于散亂數(shù)據(jù)插值的技術(shù)之一。利用鄰域內(nèi)已知點，采用距離加權(quán)反比法的屬性值進行插值，計算空間待插點值。待插點的屬性值是待插點鄰域內(nèi)已知點屬性值的加權(quán)平均，權(quán)的大小與待插點與鄰域內(nèi)點之間的距離有關(guān)，是一種跟距離的倒數(shù)成反比關(guān)系的插值方法。它以插值點與采樣點間的距離為權(quán)重進行加權(quán)平均，離插值點越近的采樣點賦予的權(quán)重越大，配給的權(quán)重是分?jǐn)?shù)，所有權(quán)重的總和等于1，當(dāng)插值點與采樣點重合時，該采樣點被分配全部的權(quán)重［19］。該方法廣泛運用于地理學(xué)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、氣象等領(lǐng)域。劉光孟等總結(jié):IDW節(jié)約成本，普適性強，方法靈活，無需根據(jù)數(shù)據(jù)的特點對方法加以調(diào)整，當(dāng)樣本數(shù)據(jù)的密度足夠大時，幾何方法一般能達到滿意的精度［20］。

3 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源于昆明市環(huán)境監(jiān)測中心站常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用每個監(jiān)測點不同年份的年均值和每年所有監(jiān)測點位全湖的平均值為分析對象。1999—2008年，滇池全湖共設(shè)置了10個常規(guī)監(jiān)測點位，監(jiān)測點位分布見圖1。其中草海有2個監(jiān)測點 (草海中和段橋)，外海有8個監(jiān)測點。由于長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，本次的水質(zhì)指標(biāo)僅包括:溶解氧(DO)、氨氮 (NH3－N)、總氮 (TN)、總磷(TP)、生化需氧量 (BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、葉綠素a(Chl－a)，共計7個水質(zhì)指標(biāo)。原始數(shù)據(jù)為每個月每個點位的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值，全湖水質(zhì)指標(biāo)年均值的計算方法為:先平均每個點位1—12月的均值，再將所有點位的均值進行平均得到一年的均值。以10年間每一年參與研究的指標(biāo)值為分析對象進行因子分析得到每年的水質(zhì)綜合評價得分。以每一年所有點位的數(shù)據(jù)為分析對象進行因子分析，得到每一年每一個監(jiān)測點位的水質(zhì)綜合評價得分，以該得分作為空間屬性數(shù)據(jù)進行空間分析。

在進行因子分析時，由于溶解氧為反向指標(biāo)，參考李文生等的數(shù)據(jù)處理方式［18］，將其取倒數(shù)后帶入計算。首先對上述數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理(SPSS軟件自動完成)，對所得到的相關(guān)系數(shù)矩陣進行Kaiser－Meyer－Olkin(KMO)和巴特利球形(Bartlett’s test of Sphericity)統(tǒng)計學(xué)檢驗;然后再進行統(tǒng)計分析，用回歸因子得分的方法估計因子得分系數(shù)，然后對提取的因子載荷矩陣進行正交旋轉(zhuǎn)，最終得出各主因子得分，以此計算各監(jiān)測點和每年的水質(zhì)綜合評價得分。所有的計算都在SPSS軟件下完成(IBM SPSS Statistics 21)。每個監(jiān)測點位計算得出的綜合評價得分作為監(jiān)測點位的空間屬性數(shù)據(jù)加入到ArcMap中，運用反距離加權(quán)插值法進行湖泊水質(zhì)的空間分布特征分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 分析數(shù)據(jù)描述

全湖水質(zhì)指標(biāo)年均值的描述見表1。

表1 滇池1999—2008年全湖水質(zhì)平均值統(tǒng)計描述

4.2 滇池水質(zhì)1999—2008年變化分析

KMO和Bartlett檢驗結(jié)果顯示，變量間具有較強的相關(guān)性，且KMO檢驗值為0.646，＞0.5，適合應(yīng)用因子分析法［10］。分析中指定提取3個公因子，其累計方差貢獻率為91.252%，因此該3個公因子已經(jīng)足夠描述水質(zhì)的情況。3個因子旋轉(zhuǎn)成分矩陣見表2。

從表2可知，在研究期10年內(nèi)，第一公因子在葉綠素－a、BOD5和NH3－N有較大載荷，NH3－N比TN的載荷大，顯示了NH3－N在該10年間的污染貢獻比TN大，且第一公因子的累積方差貢獻率接近70%，說明10年間，滇池水質(zhì)污染以富營養(yǎng)化為主要特征，且以氮污染為主要污染特征;第二公因子在TP上有較大載荷，磷污染物對滇池水質(zhì)污染的貢獻不如氮污染物;第三公因子在高錳酸鹽指數(shù)上有較大載荷。

表2 因子旋轉(zhuǎn)成份矩陣

根據(jù)上述結(jié)果計算每年的水質(zhì)綜合評價得分。結(jié)果見圖2。圖2顯示出1999年以來，滇池水質(zhì)總體出現(xiàn)了不斷惡化的趨勢，雖2008年水質(zhì)較2007年略有所好轉(zhuǎn)，但仍未回到2006年水平。本研究結(jié)果與王紅梅等［5］和黎海林等［7］的研究結(jié)果類似。

對1999—2008年每個點位每年的年均值進行因子分析，計算得到每年每個監(jiān)測點位的水質(zhì)綜合評價得分。進行因子分析時采用同上述一樣的分析方法，先進行KMO和Bartlett檢驗，制定提取2個公因子，然后計算綜合評價得分，以綜合評價得分作為監(jiān)測點位的屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap，進行空間插值。KMO和Bartlett檢驗的檢驗結(jié)果，除2001年的KMO值低于0.5外，其它年份的數(shù)值均適用因子分析方法，為確保結(jié)果的一致性，對2002年的數(shù)據(jù)結(jié)果，仍舊采用因子分析方法進行計算。

表3 滇池水質(zhì)1999—2008年主要水質(zhì)指標(biāo)因子分析年旋轉(zhuǎn)成份矩陣表

基于每年10個監(jiān)測點位的因子分析結(jié)果 (見表3)，對研究期內(nèi)每年的主要污染類型進行分析。1999年因子分析顯示，指定的2個主成份的累積貢獻率達到97.4%，說明2個主成份可代表所有指標(biāo)對水質(zhì)狀況進行解釋。第一主成份中，氨氮、總磷、溶解氧和總氮的載荷最大，表明氮磷污染物是滇池水質(zhì)的主要污染物，而第二主成份以有機污染物 (高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量)和葉綠素－a為代表。2000年分析的2個公因子的累積貢獻率達到96.7%，氮磷污染是水體的主要污染物，五日生化需氧量的影響較1999年對水質(zhì)污染的貢獻加大，高錳酸鹽指數(shù)和葉綠素－a在第二個主成份中載荷最大。2001年呈現(xiàn)出與2000年相似的水質(zhì)狀況，氮磷仍舊是水體的主要污染物，五日生化需氧量的影響持續(xù)增加。2002年和2003年的結(jié)果表明，以氨氮為主要污染物的氮污染物仍舊是滇池水質(zhì)的主要污染物。2004年水質(zhì)因子分析的第一主成份中氨氮的載荷保持最大，其次是溶解氧、總氮和總磷。第二主成份中葉綠素－a的載荷最大，說明滇池富營養(yǎng)化水平不斷增加。2005年的分析中，第一主成份中總磷的載荷最大，葉綠素－a在第一主成份中的載荷不斷增強。第二主成份中以高錳酸鹽指數(shù)的載荷最為突出。這個結(jié)果顯示滇池氮磷污染突出，其湖泊的富營養(yǎng)化水平持續(xù)增加。2006年的氨氮表現(xiàn)出了突出的水質(zhì)污染貢獻，五日生化需氧量的影響也日漸突出。2007年結(jié)果仍舊體現(xiàn)出氮磷依然是滇池水質(zhì)主要的污染類型，氨氮的影響相應(yīng)減少，但是，五日生化需氧量和葉綠素－a的影響卻在不斷增加。2008年的結(jié)果表明氮污染物是滇池水質(zhì)主要的污染物，五日生化需氧量對水質(zhì)的貢獻不斷增加。

4.3 滇池水質(zhì)1999—2008年的空間變化特征

各監(jiān)測點位10年的水質(zhì)綜合評價得分變化見圖3。圖中顯示:草海片區(qū)的2個監(jiān)測點位草海中和段橋是所有監(jiān)測點位中得分最低的，尤以段橋點位最低，說明草海片區(qū)水質(zhì)在整個滇池中是最差的區(qū)域。其它外海的8個監(jiān)測點位中，以灰灣中的綜合評價得分最低，該點位于外海北部，正處于草海水域和外海水域的結(jié)合地帶。其它點位的綜合評價得分均差別不大，在一定范圍內(nèi)浮動。

滇池水質(zhì)在空間分布上呈現(xiàn)出南部片區(qū)水質(zhì)優(yōu)于北部草海片區(qū)，在10年間，水質(zhì)由北向南逐步惡化。中部區(qū)域和南部區(qū)域10年間水質(zhì)變化在一定范圍內(nèi)徘徊，時好時差。采用IDW空間插值法基于ArcGIS10.2軟件計算每年的水質(zhì)空間分布圖，結(jié)果見圖4。從圖4可知，總體看來，滇池南部水質(zhì)好于北部水質(zhì)，水質(zhì)從北到南逐步下降。這與多個研究結(jié)論相同［1，6］。同時，結(jié)合圖例，從1999—2008年的水質(zhì)空間變化趨勢看，滇池北部區(qū)域 (主要是草海片區(qū))的水質(zhì)綜合評價得分逐年降低，顯示出北部區(qū)域水質(zhì)不斷惡化的趨勢。南部區(qū)域水質(zhì)呈現(xiàn)出波動變化的趨勢，在1999年，南部區(qū)域水質(zhì)好于中部和北部區(qū)域，在2001和2002年，南部區(qū)域水質(zhì)綜合評價得分持續(xù)下降，而到2003年，最南部小范圍內(nèi)水質(zhì)較2001和2002年好。

2004年和2005年滇池南部水質(zhì)再次下降，2006年和2007年出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，到2008年，南部水質(zhì)又呈現(xiàn)出惡化趨勢。

滇池中部區(qū)域水質(zhì)呈現(xiàn)出與南部區(qū)域水質(zhì)不同的變化趨勢。1999和2003年中部區(qū)域水質(zhì)不如南部區(qū)域。在2002年，中部和南部區(qū)域水質(zhì)狀況基本相同。2004年和2005年在中部區(qū)域出現(xiàn)小范圍的水質(zhì)較南部區(qū)域好，到2006年和2007年，南部區(qū)域水質(zhì)優(yōu)于中部區(qū)域，2008年中西部和中東部區(qū)域水質(zhì)較南部水質(zhì)好。

4 結(jié)論

1999—2008年，滇池水質(zhì)綜合評價得分不斷降低，說明滇池水體總體出現(xiàn)了不斷惡化的趨勢。多年的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析表明，氮磷污染在10年間一直是滇池水質(zhì)的主要污染物，其中以氨氮的污染最為突出，五日生化需氧量和葉綠素－a對水質(zhì)綜合評價得分的貢獻也不容忽視。總體來說，在研究期內(nèi)，滇池水質(zhì)富營養(yǎng)化的程度不斷加深。

滇池南部區(qū)域水質(zhì)優(yōu)于中部和北部區(qū)域，其中以北部的草海區(qū)域的水質(zhì)最差。特別是在草海和外海交界的段橋監(jiān)測點位的水質(zhì)多年來一直是水質(zhì)最差的區(qū)域。草海北部片區(qū)，即草海中監(jiān)測點位片區(qū)的水質(zhì)呈現(xiàn)出穩(wěn)中有升的趨勢。中部區(qū)域的水質(zhì)10年間在一定范圍內(nèi)波動，整體出現(xiàn)不斷惡化的趨勢。較之北部區(qū)域，南部區(qū)域的水質(zhì)在整個滇池水質(zhì)中最好，然而，同樣出現(xiàn)了水質(zhì)在一定范圍內(nèi)上下波動的趨勢，預(yù)示著南部區(qū)域的水質(zhì)正逐步惡化。

本文在嘗試采用空間插值法對滇池水質(zhì)空間特征進行定量分析時，由于監(jiān)測點位的數(shù)量有限，計算結(jié)果未能真實反映實際情況，但在一定程度上對滇池水質(zhì)的時空分布特征進行了分析。

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