何耀武

摘要 [目的]研究巢湖湖體中金屬污染狀況。[方法]通過(guò)在巢湖湖區(qū)常規(guī)18個(gè)點(diǎn)位采樣，分析B、V、Co、Ni、Ba、Cu、Pb、Ti、Mo、Sb、Cu、Pb、Zn指標(biāo)。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)采用分層聚類方法將全湖分成3類湖區(qū)，再對(duì)這3類湖分別采用因子分析方法，揭示每個(gè)湖區(qū)主要污染因子，并分析形成原因。[結(jié)果]湖區(qū)Ⅰ、Ⅱ金屬含量明顯高于湖區(qū)Ⅲ。湖水受西北部入湖河流帶來(lái)的金屬污染較明顯。[結(jié)論]聚類因子分析法較客觀地反映了現(xiàn)實(shí)情況，可以較好地應(yīng)用于環(huán)境分析。

關(guān)鍵詞 分層聚類；因子分析；巢湖水質(zhì)；痕量金屬；污染狀況

中圖分類號(hào) S832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）14-0075-03

Application of Clustering Factor Analysis in the Analysis of Trace Metal Parameters of Water Quality in Chaohu Lake

HE Yaowu （Chaohu Bureau Environmental Monitoring Station，Chaohu，Anhui 238000）

Abstract [Objective] The research aimed to study the metal pollution in Chaohu Lake. [Method] By routine sampling at 18 sites in the Chaohu Lake area， the B， V， Co， Ni， Ba， Cu， Pb， Ti， Mo， Sb， Cu， Pb， and Zn indicators were analyzed.The hierarchical clustering method was used to divide the whole lake into three types of lake areas. Factor analysis methods were then applied to these three types of lakes to reveal the main pollution factors in each lake area and analyze the formation reasons.[Result]The metal content of Lake I and II in Lake District was significantly higher than that of Lake III. The lake was polluted by metal pollution in the northwest of the lake.[Conclusion]The clustering factor analysis method objectively reflects the reality and can be better applied to environmental analysis.

Key words Hierarchical clustering；Factor analysis；Water quality of Chaohu Lake；Trace metals；Pollution status

巢湖是我國(guó)第五大淡水湖泊，水體富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重。氮、磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)，如果水體中二者含量過(guò)多，就會(huì)導(dǎo) 致水體暴發(fā)藍(lán)藻水華，使得水質(zhì)惡化[1]。這種論點(diǎn)是從常規(guī)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽方面來(lái)評(píng)價(jià)，但巢湖沿岸不少鄉(xiāng)鎮(zhèn)依舊將巢湖水作為集中式飲用水水源，勢(shì)必還要關(guān)注包括飲用水特定項(xiàng)目在內(nèi)的其他內(nèi)容（Be、Cd、Tl、B、V、Co、Ni、Ba、Cu、Pb、

Ti、 Mo、Sb、Cu、Pb、Zn）。為了深入研究巢湖不同水域金屬污染狀

況，筆者對(duì)巢湖18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位采樣，在考慮水質(zhì)差異的情況下，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)將各點(diǎn)位進(jìn)行分類，再利用因子分析方法分析各類別的關(guān)鍵金屬因子，分析其成因。

1 資料與方法

1.1 水質(zhì)數(shù)據(jù) 此次監(jiān)測(cè)的18個(gè)點(diǎn)位與巢湖管理局環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站在巢湖水體布置的20個(gè)（除巢湖市2個(gè)飲用水源點(diǎn)位8、9外）例行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位一致（圖1），其監(jiān)測(cè)內(nèi)容為Be、

1.2 分析方法

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)將各點(diǎn)位進(jìn)行分類，再利用因子分析方法分析各類別的關(guān)鍵金屬因子[3]。分層聚類的思想是：將樣品或指標(biāo)各視為一類，根據(jù)類與類之間的距離或相似程度將最相似的類合并，直到所有樣品合并為一類為止[3-4]。

因子分析前，首先進(jìn)行Bartletts球狀檢驗(yàn)，用于檢驗(yàn)相關(guān)陣中各變量間的相關(guān)性是否為單位陣，即檢驗(yàn)各個(gè)變量是否各自獨(dú)立。如果變量間彼此獨(dú)立，則無(wú)法從中提取公因子，也就無(wú)法應(yīng)用因子分析法。KMO檢驗(yàn)檢查變量間的相關(guān)性和偏相關(guān)性。KMO統(tǒng)計(jì)量越接近于1，變量間的相關(guān)性越強(qiáng)，因子分析的效果越好。由SPSS檢驗(yàn)結(jié)果顯示Sig.<0.05 時(shí)，說(shuō)明各變量間具有相關(guān)性，因子分析有效。

2 結(jié)果與分析

2.1 分層聚類

運(yùn)用SPSS中的分層聚類功能對(duì)18個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行聚類分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖1），6、7、10、11、12、13、16、17、18、19、20聚為一類（湖區(qū)Ⅰ）；1、2、3、4、15聚為一類（湖區(qū)Ⅱ）；5、14聚為一類（湖區(qū)Ⅲ）。聚類將巢湖水體分成不同類別，其聚類結(jié)果反映了巢湖不同湖區(qū)水質(zhì)污染狀況。

2.2 因子分析

巢湖水體痕量金屬11個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性如表1所示，多數(shù)金屬之間相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.3，說(shuō)明它們相關(guān)性比較大[4]。Bartletts球形檢驗(yàn)的概率值為0.000，即否

定相關(guān)矩陣為單位陣的零假設(shè)，從而也認(rèn)為各污染物之間存在著顯著相關(guān)性。而KMO值為0.556，大于度量標(biāo)準(zhǔn)值0.500，據(jù)此可判定原始數(shù)據(jù)可用因子分析法。

2.2.1 湖區(qū) Ⅰ 分析。

湖區(qū) Ⅰ 經(jīng)分析得表2，從表2可以看出，

第1個(gè)因子特征值為4.473，方差為40.7%，說(shuō)明第1個(gè)因子特征值解釋了11個(gè)原始變量的40.7%。由此可發(fā)現(xiàn)，前4個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)達(dá)84.6%，涵蓋全部信息的絕大部分。所以，可以提取前4個(gè)因子做分析。

從經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的載荷矩陣（表3）可以看出，影響第1主成分的主要因子為T(mén)i和Mo元素。從貢獻(xiàn)率來(lái)看，第1主成分占40.7%，大于其他主成分貢獻(xiàn)率，所以Ti和Mo元素是湖區(qū) Ⅰ 的決定性元素，其次是Cu、Co、Pb、Zn元素。Cu、Pb、Zn是巢湖及主要入湖河流的典型重金屬污染元素[5-6]。雖然這些點(diǎn)位深入湖區(qū)，遠(yuǎn)離污染較重河流入湖區(qū)，但受到人類影響已波及全湖。在沉降及其他非生物或生物作用下，使得Cu、Pb、Zn在影響權(quán)重方面有所降低，同時(shí)也是湖體水質(zhì)痕量金屬現(xiàn)有水平體現(xiàn)。

2.2.2 湖區(qū) Ⅱ 分析。

從表4可以看出，第1個(gè)因子特征值為7.606，方差為69.1%，說(shuō)明第1個(gè)因子特征值解釋了11個(gè)原始變量的69.1%。由此可發(fā)現(xiàn)，前2個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)達(dá)83.7%，涵蓋全部信息的絕大部分。所以，可以提取前2個(gè)因子做分析。

從經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的載荷矩陣（表5）可以看出，影響第1主成分的主要因子為Ni、B、Zn、Ti元素。從貢獻(xiàn)率來(lái)看，第1主成分占69.1%，大于其他主成分貢獻(xiàn)率，所以Ni、B、Zn、Ti元素是湖區(qū) Ⅱ 的決定性元素。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是這些采樣點(diǎn)位于十五里河、派河和南淝河入湖區(qū)。經(jīng)查閱同期這3條河流數(shù)據(jù)，Ni和B元素?cái)?shù)據(jù)均大于其他元素。河流輸入Ni和B元素是造成湖體水質(zhì)中Ni和B元素偏高的主因。Zn、Ti元素與湖區(qū) Ⅰ 相類似，且已經(jīng)呈現(xiàn)出含量偏高的狀態(tài)。

2.2.3 湖區(qū)Ⅲ分析。

被聚類為湖區(qū)Ⅲ的只有5和14，這2點(diǎn)采樣位于新河入湖區(qū)和兆河入湖區(qū)。在11項(xiàng)參與分析的項(xiàng)目中，大多數(shù)元素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均低于其他點(diǎn)位。究其原因是新河和兆河與其他河流數(shù)據(jù)相比較，也均處于低水平狀態(tài)，受人類活動(dòng)干擾較少。

3 結(jié)論與討論

（1）利用聚類分析方法將全湖區(qū)分為3類，且河口區(qū)金屬含量明顯高于湖區(qū)其他點(diǎn)位且南部湖區(qū)金屬含量最低。聚類分析結(jié)論與程杰等[6]、王永華等[7]研究巢湖東區(qū)底泥污染物分布特征的結(jié)論（河口區(qū)重金屬含量相對(duì)較高）大體一致，表明底泥與水質(zhì)中金屬含量具有高度相關(guān)性。

（2）不同水域金屬污染狀況水平不一致，經(jīng)分析湖區(qū)Ⅰ、Ⅱ金屬含量明顯高于湖區(qū)Ⅲ。

（3）不同水域有不同的首要污染元素，對(duì)3個(gè)湖區(qū)分別進(jìn)行主成分分析。Ti、Mo、Ni、B元素是湖水金屬含量水平的決定性元素。湖水受西北部入湖河流帶來(lái)的金屬污染較明顯。這與陳潔[8]研究巢湖及其主要出入湖河流表層沉積物污染狀況得出巢湖重金屬污染較輕，主要的重金屬元素呈現(xiàn)西北部濃度高、東北部其次、南部最低的分布趨勢(shì)這一結(jié)論相似。

參考文獻(xiàn)

[1]張緒美，董元華，石浚哲，等.聚類-因子分析在太湖水質(zhì)參數(shù)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，6（6）：58-62.

[2] 顧紅燕，李宏，陳希曙，等.iCAP Q電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)階培訓(xùn)教材[Z].賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司技術(shù)培訓(xùn)中心，2016.

[3] 李艷紅，葛剛，胡春華，等.基于聚類分析和因子分析的鄱陽(yáng)湖流域水質(zhì)時(shí)空變化特征及污染源分析[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（理科版），2016，40（4）：360-365.

[4] 郝黎仁，樊元，郝哲歐，等.SPSS實(shí)用統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

[5] 杜臣昌，劉恩峰，羊向東，等.巢湖沉積物重金屬富集特征和人為污染評(píng)價(jià)[J].湖泊科學(xué)，2012，24（1）：59-66.

[6] 程杰，李學(xué)德，花日茂，等.巢湖水體沉積物重金屬的分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（4）：1403-1408.

[7] 王永華，錢(qián)少猛，徐南妮，等.巢湖東區(qū)底泥污染物分布特征及評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（6）：22-26.

[8] 陳潔.巢湖及其主要出入湖河流表層沉積物污染狀況分析[D].南京：南京大學(xué)，2007.