宁夏鸣翠湖水质因子分析

摘要：利用因子分析方法对鸣翠湖的水质数据进行分析，得到影响鸣翠湖水质的两个主因子，因子１由叶绿素a（Ｃｈｌａ）、高锰酸钾指数（ＣＯＤＭｎ）、五日生化需氧量（ＢＯＤ５）构成，反映了鸣翠湖的有机物污染状况；因子２由总氮（ＴＮ）、氨氮（ＮＨ３－Ｎ）、硝态氮（ＮＯ３－Ｎ）、亚硝态氮（ＮＯ２－Ｎ）共同构成，反映了鸣翠湖的营养盐氮污染状况。鸣翠湖水体以有机物污染与氮营养盐水平较高为主要特征，是引起鸣翠湖富营养化的主要原因。

关键词：鸣翠湖；水质；因子分析

中图分类号：Ｘ５２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０11）15－3062-04

Influencing Factors of Water Quality in Mingcui Lake of Ningxia

ＱＩＵ Ｘｉａｏ－ｃｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ－ｊｉａｎｇ，ＹＩＮ Ｊｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｄｅ－ｑｕａｎ，ＴＡＮＧ Ｌｉａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕ－ｐｉｎｇ

（Ｃｏｌｌｏｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎｉｎｇｘｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ／ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｇｒａｄｅｄ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｎｏｒｔｈ－ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃｈｉｎａ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ／ Certer of Modern Agricultural and Water Resource Used Efficiently Engineering in Arid Area of Ministry of Education， Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５００２１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ， ｔｗｏ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ affecting ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｅｎ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ ｂｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ－ａ（ｃｈｌａ）， ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ ｉｎｄｅｘ（ＣＯＤＭｎ） ａｎｄ ＢＯＤ５， ｗｈｉｃｈ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ． Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＴＮ）， ａｍｍｏｎｉａ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＮＨ３－Ｎ）， ｎｉｔｒａｔｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＮＯ３－Ｎ） ａｎｄ ｎｉｔｒｉｔｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＮＯ２－Ｎ）， ｗｈｉｃｈ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ． Ｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ， ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ Ｍｉｎｇｃｕｉ ｌａｋｅ ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｍｉｎｇｃｕｉ Ｌａｋｅ； ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ； ｆａｃｔｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ

鸣翠湖位于银川市兴庆区掌政镇，西距银川市区９ ｋｍ，东邻黄河３ ｋｍ，地理坐标为东经１０６°２２′，北纬３８°２３′；平均海拔１ １００ ｍ，总面积６．６７ ｋｍ２，水域面积占总面积的６０％。２００５年被宁夏回族自治区人民政府列为自治区湿地公园，２００６年被国家林业局确定为国家湿地公园，鸣翠湖水源为黄河水与农田退水。近年来，随着当地经济的发展，进入鸣翠湖的营养盐不断增多，水体环境恶化，藻类大量生长。目前，湖泊水体呈富营养化状态，湖区水质为Ⅳ类［１，２］。

为揭示鸣翠湖的水质特征和富营养化的发生机理，分析富营养化的主要因子及其变化规律，本研究采用因子分析方法，通过分析鸣翠湖水质因子的相互关系，确定鸣翠湖富营养化的主要污染物，以期为鸣翠湖富营养化评价与治理、水域环境保护以及合理开发利用提供依据和基础数据。

１材料与方法

１．１样点布设与采样时间

根据鸣翠湖的形状，在鸣翠湖设置了４个采样点，分别为湖中心（Ⅰ）、北岸（Ⅱ）、春草堂（Ⅲ）、水车苑（Ⅳ）。采样时间为２００８年９月至２００９年７月，每２个月采样１次，共采样６次。

１．２样品采集与测定

水样采集按照《水质采样方案设计技术规定（ＧＢ １２９９７－９１）》、《水质采样技术指导（ＧＢ １２９９８－９１）》、《水质采样样品的保存和管理技术规定（ＧＢ １２９９９－９１）》中的要求进行。

ｐＨ值由精密ｐＨ－３Ｂ仪测定，总氮（ＴＮ）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（ＧＢ １１８９４－８９），氨氮（ＮＨ３－Ｎ）采用萘氏试剂法（ＧＢ／Ｔ ７４７９－８７），硝态氮（ＮＯ３－Ｎ）采用紫外分光光度法（ＨＪ／Ｔ ３４６－２００７），亚硝态氮（ＮＯ２－Ｎ）采用分光光度法（ＧＢ／Ｔ ７４９３－１９８７），总磷（ＴＰ）采用过硫酸钾氧化－磷钼蓝法（ＧＢ １１８９３－８９），溶氧（ＤＯ）采用碘量法（ＧＢ／Ｔ ７４８９－１９８７），高锰酸盐指数（ＣＯＤＭｎ）采用碱性高锰酸钾法（ＧＢ １１８９２－８９），五日生化需氧量（ＢＯＤ５）采用稀释接种法（ＧＢ／Ｔ ７４８８－１９８７），叶绿素ａ（Ｃｈｌａ）采用分光光度法［３］。

１．３因子分析

因子分析方法是一种将多个指标转化为少数几个综合指标的多元统计方法［４］，它将原变量进行重新组合，组成少数的独立新变量，这种新变量称为因子，因子分析就是找出这些因子影响系统的最少独立变量的因子，用较少具有代表性的因子来概括多变量所提供的信息，找出影响观测数据的主要因素［５］。因子分析方法应用于水环境质量评价时，可以更好地反映多个评价指标间的联系，得到更客观的评价结果［６－９］。

利用ＳＰＳＳ软件对选取的水质参数进行因子分析，采用主成分法提取公因子，对其进行方差最大旋转后得出主因子，进行综合分析。

２结果与分析

２．１因子分析适合性检验

运用ＫＭＯ统计量检验和巴特勒球形检验，判断数据能否进行因子分析。ＫＭＯ统计量检验统计是用于比较观测相关系数值与偏相关系数值的一个指标，其值愈接近１表明对这些变量进行因子分析的效果愈好［１０］，本研究的ＫＭＯ统计量数值为０．８０３（＞０．８），数据适合作因子分析；巴特勒球形检验统计值的显著性概率Ｐ＝０．０００，小于０．０１，球形假设被拒绝，说明数据具有相关性，适宜作因子分析［１０］。

对标准化后的数据矩阵计算其相关系数矩阵。从表１中各变量间的相关系数可以看出，各相关系数的绝对值均大于临界值（ｒ０．０５＝０．４０４，Ｐ＜０．０５），表明各变量之间存在显著的相关性，适合用因子分析法研究变量之间的关系［１０］。

２．２因子提取结果

由表２可知，第一个因子的特征根为７．６１４，它解释了总变异的７６．１３５％；第二个因子的特征根为１．０８０，它解释了总体变异的１０．７９５％；第三个因子及其以后因子的特征根均小于１，故只需提取前两个因子即可。旋转前后总的累计方差贡献率基本没发生变化，即总的信息量无损失。

由图１可知，从第三个因子开始，公因子的坡度明显变缓，因此抽取前两个主因子作为分析对象。前两个因子已提供了原资料８６．９３0％的信息，满足方差累计贡献率大于或等于８５％的因子选取原则。

２．３因子旋转

因子分析的主要目的是将具有相近的因子载荷的各个变量置于一个公因子之下，当初始因子不能典型地代表变量的含义时，需对因子载荷矩阵进行旋转，以便对因子的意义作出更合理的解释。本研究使用方差极大法得到因子载荷矩阵旋转后的结果。

第一主因子Ｆ１的特征根值为７．６１４，占总方差的７６．１３５％，旋转后占４３．５４８％，主要是由Ｃｈｌａ、ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５构成，旋转后的主因子载荷分别为：Ｃｈｌａ ０．８６８、ＣＯＤＭｎ ０．８４２、ＢＯＤ５ ０．９３８，表明与第一主因子存在较大的相关关系。Ｃｈｌａ代表藻类的生物量和密度，ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５表示的是湖泊中的有机物污染，说明鸣翠湖的有机物污染较重，其污染主要来自农田退水和生活污水，因此Ｆ１可命名为有机物污染指标。第二主因子Ｆ２的特征根值为１．０８０，占总方差的１０．７９５％，旋转后占４３．３８３％，由ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＮＯ３－Ｎ、ＮＯ２－Ｎ共同构成，旋转后的主因子载荷分别为：ＴＮ ０．８０２、ＮＨ３－Ｎ ０．８１３、ＮＯ３－Ｎ ０．９０２、ＮＯ２－Ｎ ０．９１６；表示的是引起湖泊富营养化的营养元素氮的污染状况，可命名为营养盐氮的污染。两个主因子载荷分别为４３．５４８％、４３．３８３％，说明鸣翠湖目前主要存在有机物污染与营养盐氮污染（表３）。

影响第一主因子的指标为有机物污染，水体有机物污染程度增加时，藻类会大量繁殖，叶绿素含量升高。叶绿素反映了湖泊的藻类生物数量特性，所有处于富营养化状态中的湖泊或水库，其表征藻类生长的指标叶绿素的年均值都处于较高的水平。在一般的藻型富营养化湖泊中，叶绿素与营养元素有较大的相关系数，鸣翠湖水体叶绿素含量与ＴＮ、ＴＰ显著相关，但没有与ＴＮ、ＴＰ在同一主成分中出现，主要是由于鸣翠湖草本植物数量较多，氮、磷营养元素大多被草类挺水植物吸收利用，而藻类利用量较少的缘故。

影响第二主因子的指标为营养盐氮，生活污水、农田灌溉排水和退水中含有大量的含氮物质，过高的氮营养元素不仅会导致湖泊富营养化，还会导致浮游植物种类组成发生变化，优势种数量明显减少，并大量消耗水体中的溶解氧，导致水质恶化。

鸣翠湖位于银川平原引黄灌区，是附近农田灌溉排水和退水的主要接纳水体，灌区粗放的灌溉方式造成化肥、有机肥的利用率低是湖泊营养元素氮的主要来源，同时也是造成有机物污染的直接原因，因此有机物污染与氮营养元素水平过高是鸣翠湖富营养化的主要影响因素。

２．４因子得分与综合评价

根据因子得分系数矩阵得到因子得分函数：Ｆ１＝０．３０９ｘ１－０．１４４ｘ２－０．０１８ｘ３－０．０６７ｘ４－０．１６４ｘ５－０．２１５ｘ６＋０．１８１ｘ７＋０．２８９ｘ８＋０．３７９ｘ９－０．２７２ｘ１０，Ｆ２＝－０．１４６ｘ１＋０．２８８ｘ２＋０．１９９ｘ３＋０．２３８ｘ４＋０．３３２ｘ５＋０．３７３ｘ６－０．０１３ｘ７－０．１２７ｘ８－０．２１８ｘ９＋０．１２９ｘ１０；计算得到因子得分（表４）。

由表４可知，空间分布主因子综合得分排名依次为Ⅱ号点（北岸）、Ⅰ号点（湖中心）、Ⅲ号点（春草堂）、Ⅳ号点（水车苑），Ⅱ号点为经济鱼类养殖区域，污染较重，残饵、排泄物导致营养盐含量较高，藻类密度与生物量较大，有机物污染与富营养化程度较高。Ⅲ号点和Ⅳ号点水生植物生长茂密，氮、磷营养元素被吸收利用，污染较轻。

时间分布主因子综合得分排名依次为７月、５月、９月、３月、１１月、１月，５月、７月、９月污染程度较严重，此时农田灌溉排水和退水、生活污水排放量增大，鱼类正值生长期，投食量、残饵量、排泄物量也在增加，从而导致有机物污染与富营养化程度加重。１月、３月、１１月补水与退水减少，进入水体的营养盐减少，污染较轻。

３小结

通过因子分析法对鸣翠湖水质监测数据的分析结果表明，鸣翠湖的两个主因子表达了原有１０个水质指标的８５％以上的信息，因子１为有机物污染因子，由Ｃｈｌａ、ＣＯＤＭｎ、ＢＯＤ５构成，揭示了鸣翠湖的有机物污染状况。因子２为营养盐氮污染因子，由ＴＮ、ＮＨ３－Ｎ、ＮＯ３－Ｎ、ＮＯ２－Ｎ共同构成，揭示了鸣翠湖的营养盐氮污染状况。鸣翠湖水体以有机物污染与氮营养盐水平较高为主要特征，是引起鸣翠湖富营养化的主要原因。

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