应用主成分分析法评价东昌湖水质状况.doc

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1、应用主成分分析法评价东昌湖水质状况　　摘要：采用主成分分析方法，对东昌湖湖区的水质监测数据进行定量化研究，试验结果表明，东昌湖的主要污染因子是ＣＯＤＣｒ、ＴＮ、ＴＰ，因此东昌湖的污染属于有机污染和富营养化污染。２００１～２００９年东昌湖水质呈现出逐渐好转的趋势。　　关键词：东昌湖；水质；主成分分析；有机污染；富营养化　　中图分类号：Ｘ８２４文献标识码：Ａ文章编号：0439－８11423－4812-04　　　　ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰｒｉｎｃｉｐａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＡｎａｌ

2、ｙｓｉｓｏｆＷａｔｅｒＱｕａｌｉｔｙｉｎＤｏｎｇｃｈａｎｇＬａｋｅ　　　　ＷＡＮＧXｉａｏ－ｆｅｎｇ　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆＤｏｎｇｃｈａｎｇＬａｋｅｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎｐｏｌｌｕｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅＣＯＤＣｒ，ＴＮ，ＴＰ．ＳｏＤｏｎｇｃｈａｎｇＬａｋｅｗａｓsufferingｏｒｇａｎｉｃｐｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ．

3、Ａｎｄｆｒｏｍ２００１ｔｏ２００９，ｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎＤｏｎｇｃｈａｎｇＬａｋｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｇｒａｄｕａｌｌｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｒｅｎｄ．　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤｏｎｇｃｈａｎｇＬａｋｅ；waterquality；ｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｒｇａｎｉｃｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ　　东昌湖位于聊城市中心，环绕聊城古城四周，总面积４．２ｋｍ２，库容在１０００万ｍ３以上，水深２～３ｍ，其湖岸沿线长约１６ｋｍ，引黄河水为源。东昌湖水域面积略小于杭州西湖，为

4、济南大明湖的５倍，是我国长江以北最大的城市人工湖泊。水环境有不同于一般湖泊的特点：湖岸带及湖体人工化、湖盆浅、换水周期长、湖区被割裂成多块水体、人工干预强等，并且东昌湖水源完全依靠黄河调水，补给单一，水量补给缺乏保障；另外，东昌湖补给水源水质难以保障。黄河来水水质整体上为Ⅳ类，东昌湖每年从黄河补水带来的总磷约１．９８ｔ、总氮约３０．１0ｔ，ＣＯＤ约５９９．６0ｔ，分别占入湖总磷的８４．０３％、总氮的８７．４６％、ＣＯＤ的９２．９４％，这导致东昌湖水体质量出现富营养化加重的现象［１］。　　湖泊水质污染是目前比较突出的水环境问题

5、之一，它与一个国家或地区的经济发展和人民生活质量密切相关。水质系统是由各种污染物指标变量组成的复杂系统，每一因子从某一方面反映了水质质量［２］。同一湖泊的监测站点和水质指标多，从中难以综合判断各监测断面及整个湖区的水质状况。主成分分析方法是比较普遍的多元统计分析方法之一［３，４］，在环境质量综合评价方面应用广泛［２，５］，它能够在最大限度地保留原始数据信息的基础上，对高维变量进行综合和简化，并且能够客观地确定各个指标的权重，避免了主观随意性。本文将主成分分析法应用于东昌湖的水质综合评价，以期能够为东昌湖的水环境管理工作提供参

6、考依据。　　１主成分分析法原理　　主成分分析是把各变量之间互相关联的复杂关系进行简化分析的方法。在研究中，为了全面系统地分析和研究问题，必须考虑多种指标，这些指标能从不同的侧面反映所研究对象的特征，但在某种程度上存在信息的重叠，具有一定的相关性。主成分分析试图在力保数据信息丢失最少的原则下，对这种多变量的截面数据表进行最佳综合简化，也就是说，对高维变量空间进行降维处理，即研究指标体系的少数几个线性组合，并且这几个线性组合所构成的综合指标将尽可能多地保留原来指标变异方面的信息，这些综合指标就称为主成分［６－８］。　　主成分分析

7、法在水环境质量评价中的应用主要有两方面：一是建立综合评价指标，评价各监测断面的相对污染程度，并对各监测断面的污染程度进行排序；二是评价各单项指标在综合指标中所起的作用，指导删除那些次要的指标，确定造成污染的主要成分。主要步骤有：　　将指标数据原始矩阵进行标准化，即对同一变量减去其均值再除以标准差，以消除量纲影响。　　在标准化数据阵Ｘ＝的基础上，计算原始指标的相关系数矩阵Ｒ及其特征值λｉ，特征向量矩阵Ｌ。Ｌ为原变量上的载荷值，体现了原指标变量与综合指标变量的相关程度。　　计算方差贡献率和累计贡献率，一般取累计贡献率达８５％～９

8、５％的特征值λ１，λ２，…，λｍ所对应的第一、第二，……第ｍ个主成分。并据以确定主成分的个数，建立主成分方程。　　解释各主成分的意义，并将各单位的原始数据代入方程中，计算各主成分得分Ｆｊ。　　最后以方差贡献率为权数求和计算得出综合得分进行排序后分析比较。　　２东昌湖水质的主成分分析　　本文