尹亮等

摘要：2014年1～10月，在對銀川市鳴翠湖水環(huán)境因子調查的基礎上，運用主成分分析方法分析研究影響鳴翠湖水質的主要環(huán)境因子，運用灰關聯法和模糊綜合評價法對鳴翠湖的水質狀況進行綜合評價，結果表明，造成鳴翠湖水環(huán)境污染的水環(huán)境因子分為3類，第1類是氮磷營養(yǎng)鹽與有機物引起的水體污染，包含的因子為葉綠素a（Chl.a）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）；第2類是氮營養(yǎng)鹽引起的水體污染，包含的因子為氨氮（NH3-N）、五日生化需氧量（BOD5）；第3類為溶解鹽類引起的水體污染，包含的因子為pH。鳴翠湖水環(huán)境的主要因子依次為pH、NH3-N、TN、TP、Chl.a、CODMn、BOD5，氮、磷營養(yǎng)鹽在愛伊河水體中起主導作用。鳴翠湖水質綜合評價結果為Ⅳ類。

關鍵詞：鳴翠湖；主成分分析；灰關聯；模糊綜合評價

中圖分類號：X321；X8 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）18-4455-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.017

水環(huán)境系統是一個由多因子構成的多層次的復雜系統，水環(huán)境質量受諸多因子的影響，每一個因子都從某一方面反映水質質量[1]。正確分析影響水質的各因素特征信息以及各因素之間的相互作用，才能得到較為可靠的綜合分析結果。目前，常用的水環(huán)境質量評價的方法有指數評價法[2]、模糊綜合評價法[3]、灰色識別法[4]、神經網絡法[5]、主成分法[1，6]等。

鳴翠湖位于銀川市興慶區(qū)東側掌政鎮(zhèn)境內，占地總面積6.67 km2，平均水深2 m，主要依靠黃河灌溉、農田退水補水。2005年被寧夏回族自治區(qū)人民政府列為自治區(qū)濕地公園，2006年被國家林業(yè)局確定為國家濕地公園。近年來由于過度開發(fā)、利用，使鳴翠湖水生生物資源衰退，部分水域呈現生態(tài)荒漠化趨勢，水生生態(tài)系統破壞嚴重，再加之農田退水不可避免的外源性污染，導致湖水富營養(yǎng)化程度加劇，湖區(qū)水生生態(tài)系統功能下降。

本研究擬在分析鳴翠湖水環(huán)境因子時空分布特征的基礎上，運用主成分分析法對鳴翠湖水環(huán)境因子進行研究，以期在眾多水質因子中找出最具代表性的因子進行深入地分析，并運用灰關聯法和模糊綜合評價法對鳴翠湖的水質狀況進行綜合評價，旨在為鳴翠湖水體污染綜合防治提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 樣點的布設與采樣時間

樣點的布設根據鳴翠湖水域特點、形態(tài)及進出水狀況、考慮水力條件、水系分布設置春草堂（S01）、水車苑（S02）、湖中心（S03）、北岸（S04）4個采樣點，采樣時間分別為2014年春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）、冬季（1月）。

1.2 水樣采集與測定

水樣采集按照《水質采樣方案設計技術規(guī)定（HJ495-2009）》、《水質采樣技術指導（HJ495-2009）》、《水質采樣樣品的保存和管理技術規(guī)定（HJ493-2009）》中的要求進行。現場測定水體水溫（WT）、pH、透明度（SD）和電導率（EC）。用5.0 L采水器采集水樣保存，帶回實驗室測定懸浮物（SS）、高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、葉綠素a（Chl.a）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）及總磷（TP）的含量，水質指標測定依照相關國家標準進行，Chl.a測定依照參考文獻[7]進行。

1.3 水環(huán)境因子分析的主成分分析法

主成分分析法是一種將多因子納入同一系統進行分析，從而找出關鍵影響因子的一種統計分析方法。水環(huán)境系統是一個由多項水質指標組成的復雜系統，水質受諸多因子的影響。主成分分析法應用于水環(huán)境因子分析[1，6]主要有兩方面：一是建立綜合評價指標，評價各采樣點間的相對污染程度，并對各采樣點的污染程度進行分級；二是評價各單項指標在綜合指標中所起的作用，指導刪除那些次要的指標，從而確定影響水質的主要因子。

應用DPS數據處理系統對鳴翠湖水質指標進行主成分分析，運用方差最大正交旋轉法對因子載荷矩陣進行旋轉，按照85%的累積方差貢獻率提取主成分，然后選擇旋轉后載荷值大于0.6的指標作為主要因子進行分析[8-10]。各水質因子主成分得分值與對應的方差貢獻率乘積的總和即為各水質因子的綜合得分[11]，計算各水質因子的綜合得分，按照分值大小排序，確定鳴翠湖的主要水質因子及其影響程度。

1.4 水環(huán)境質量綜合評價的灰色關聯法

在水環(huán)境因子主成分分析結果的基礎上，選取主要水環(huán)境因子做為評價因子，運用灰關聯法對鳴翠湖水質進行評價[12，13]。各參數的評價標準根據《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）規(guī)定的5類水質。以水質標準分級為比較數列，各樣站水體實測值為參考數列，分別將水質分級標準值和實測值歸一化處理，計算各樣點與各水質級別的關聯度，按關聯度大小排序，得灰色關聯度。關聯度越大，表明越接近某一級別，由此可判斷某一樣點水質的級別[14]。

1.5 水環(huán)境質量綜合評價的模糊綜合評價法

在水環(huán)境因子主成分分析結果的基礎上，選取主要水環(huán)境因子做為評價因子，運用模糊綜合評價法對鳴翠湖水質進行評價[15，16]。各參數的評價標準根據《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）規(guī)定的5類水質，確定評價集為：V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。按照國家標準確定的限值，即根據每個監(jiān)測項目的5級評價標準確定5個級別的隸屬函數[17]，分別計算10個樣點評價因子的隸屬度矩陣。采用主成分分析法確定各指標權重的大小。計算隸屬度（B）=權重集（A）×模糊矩陣（R），根據最大隸屬度原則判定各樣點水質隸屬級別。

2 結果與分析

2.1 基于主成分的鳴翠湖水環(huán)境因子分析

因各樣點水溫差別不大，故不做主成分分析。將鳴翠湖4個樣點的各水質指標年平均值進行主成分分析，運用方差最大正交旋轉法對因子載荷矩陣進行旋轉，按照85%的累積方差貢獻率共提取出3個主成分（表1），然后選擇旋轉后載荷值>0.6的指標作為主要水質因子進行分析（表2）。主成分分析結果將鳴翠湖的水環(huán)境因子區(qū)分為3類，主成分1的貢獻率為76.50%，對水質起主導作用，包含的水質因子為Chl.a、TN、TP、CODMn，可以認為是氮磷營養(yǎng)鹽與有機物引起的水體污染；主成分2的貢獻率為7.05%，包含的因子為NH3-N、BOD5，可以認為是氮營養(yǎng)鹽與藻類引起的水體污染；主成分3的貢獻率為6.24%，包含的因子為pH，可以認為是溶解鹽類引起的水體污染。

鳴翠湖各水質因子的綜合得分見表3，按照分值大小排序，可確定影響鳴翠湖水環(huán)境的主要因子依次為pH、NH3-N、TN、TP、Chl.a、CODMn、BOD5，綜合分析，氮、磷營養(yǎng)鹽在鳴翠湖水體中起主導作用，氮、磷含量的變化是引起鳴翠湖水質變動的主要原因。

2.2 灰色關聯法評價結果

鳴翠湖各樣點水體實測值與各水質級別的關聯度如表4所示，4個采樣點的水質級別均為Ⅳ類，綜合評價鳴翠湖的水質為Ⅳ類。

2.3 模糊綜合評價結果

鳴翠湖的補水水源主要來自于農田溝道排水，氮、磷營養(yǎng)鹽在鳴翠湖水體中起主導作用，也是鳴翠湖水體逐漸呈現富營養(yǎng)化趨勢的主要原因。結合鳴翠湖主要水環(huán)境因子的分析結果，選取CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP等5種污染物指標做為評價因子。采用主成分分析法確定的各指標權重見表5。

根據每個監(jiān)測項目的5級評價標準確定5個級別的隸屬函數，分別計算4個樣點，按CODMn、BOD5、TN、NH3-N、TP排序的隸屬度矩陣如下：

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模糊評價結果見表6。

模糊綜合評價方法充分考慮了各項水質指標在總體評價中的貢獻大小和評價等級的不確定性[18]，操作簡單，實用性強，在水質評價方面取得了一定的進展并得到了廣泛的應用[19，20]。模糊綜合評價方法對水質進行評價時，賦權方法不同，權重值也有差別，評價結果也會有較大差異[21]。主成分賦權法強調水質污染因子之間的內在聯系，可提高權重值的準確性以及定權方法的實用性[22]。因此，本研究采用主成分賦權法確定各指標的權重。

在水體環(huán)境中，影響水體水質的因素很多，不同時期、不同指標對水質類別的貢獻程度是處于變化過程中的，具有不精確、不確定和不完全性的特征[23]。運用灰色關聯法與模糊綜合評價法對鳴翠湖的評價的結果有差異，灰關聯法評價鳴翠湖4個樣點及綜合均為Ⅳ類，模糊綜合評價法評價S03號樣點為Ⅳ類，S01、S02為Ⅲ類，S04為Ⅱ類，綜合評價為Ⅲ類。綜合兩種方法的優(yōu)缺點以及鳴翠湖水體的實際情況，本研究認為，對于鳴翠湖而言，運用灰色關聯法所得的評價結果較為符合實際。鳴翠湖補水水源為農業(yè)灌溉退水，其氮磷營養(yǎng)鹽超標是造成鳴翠湖水體污染的主要原因，因此，鳴翠湖水體污染防治主要應以降低外源性氮磷營養(yǎng)鹽的含量為主。

3 小結

在水體環(huán)境中，影響水體水質的影響因素很多，不同指標對水質的貢獻程度不同，在眾多水環(huán)境因子中選取主導因子，然后再進行水質分析和評價，其結果比較客觀、符合實際。本研究在分析鳴翠湖水環(huán)境因子時空分布特征的基礎上，運用主成分分析法研究確定影響鳴翠湖水質的主要因子之后，再對鳴翠湖的水質進行分析評價。

主成分分析結果將鳴翠湖的水環(huán)境因子區(qū)分為3類，主成分1的貢獻率為76.50%，對水質起主導作用，包含的水質因子為Chl.a、TN、TP、CODMn，可以認為是氮磷營養(yǎng)鹽與有機物引起的水體污染；主成分2的貢獻率為7.05%，包含的因子為NH3-N、BOD5，可以認為是氮營養(yǎng)鹽與藻類引起的水體污染；主成分3的貢獻率為6.24%，包含的因子為pH，可以認為是溶解鹽類引起的水體污染。鳴翠湖各水質因子的綜合得分按照分值大小排序，可確定影響鳴翠湖水環(huán)境的主要因子依次為pH、NH3-N、TN、TP、Chl.a、CODMn BOD5，綜合分析，氮、磷營養(yǎng)鹽在鳴翠湖水體中起主導作用，氮、磷含量的變化是引起鳴翠湖水質變動的主要原因，總體評價鳴翠湖水質為Ⅳ類。

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