对应分析在黄石市湖泊水质监测中的应用

摘要：应用对应分析方法研究了黄石市城区湖泊水质状况和影响水质的主要因素，确定了主要的污染因子和污染原因。结果表明：找出了黄石市两个湖泊2001-2005年水质污染特征、污染来源，对应近年来主要污染因子的分析，指明了黄石市城区湖泊水质未来污染防控目标。

关键词：对应分析；湖泊；黄石市

中图分类号：S959 文献标识码：A

环境质量评价、污染成因分析是环境监测工作中的主要任务，如果要评价环境质量可利用主成分分析技术，建立主成分综合指数模型进行评价，若进一步说清环境污染的主要问题则需要采用对应分析技术。对应分析是主成分分析法的一种自然延伸，主要研究环境样本与污染指标之间的相互关系，并将其结果能统一反映一张图上，进而对环境质量及污染成因进行解释和推断[1-2]。对应分析法在经济学、生态学和医学领域有较广泛的应用[3-5]，但在水质研究方面应用很少，笔者尝试应用对应分析方法对黄石市城区两个湖泊水质状况进行分析，不仅对黄石市环境保护具有现实意义，而且对于加强该地区的湖泊水质保护、提高当地人民的生活质量也具有一定的参考价值。

1 对应分析计算步骤

1．1 对原始数据进行标准化处理

设有个样本（例如个监测点），每个样本有个评价指标（例如个污染物），于是形成样本矩阵：

其中：表示第个样本中第个指标的值。

1. 2 将按行、列分别求和

按行求和，按列求和，总和。

1．3对原始数据进行对应变换

将 对应变换，得矩阵

其中：

1．4 计算R-型因子负荷

计算协方差矩阵的特征值，其中是转置矩阵，根据累积贡献率等，取前个特征值，计算相应的单位特征向量，从而得到R—型因子载荷矩阵：。

1．5计算Q-型因子负荷

对上面计算出的个特征值计算矩阵的单位特征向量，，从而得到Q-型因子载荷矩阵

1．6在二维因子轴上作图

由于对应分析提供了在同一平面上图示样本点群和变量点群,这样使其能够直观地研究样本点群与变量之间的关系,因此该法能够以最小的代价在一组原始数据中提取最多的信息。由于R-型因子与Q-型因子提供了相同的方差，故可用相同的因子轴去同时表示样本和变量之间对应结果反映在一张图上。这样的图，可以把成因、空间分布、不同类型特征等各种关系联系起来进行解释和推断。

2 应用案例

2．1 研究区概况[6]

黄石市城区湖泊主要由磁湖与青山湖组成，均属长江流域。磁湖是城区内的最大湖泊，形状似马蹄，被团城山和杭州东路分成南北二个部分，中间依靠两座公路桥下通道进行连通，湖水交换能力和补给更新能力较差，湖水滞泻时间约为200天，磁湖自流，主要靠泵站抽入长江。青山湖的面积较小，也是靠天然降水和地表径流水补给更新，水位主要靠抽排泵站进行水量调节。两湖之间修有一条地下连通港。因此城区湖泊主要依靠泵站进行调节水位，故湖泊的水环境纳污能力差。据调查统计，磁湖周边企业及居民每年向磁湖排放6424．9×107kg生产废水和生活污水，青山湖则年接纳生活污水3390×107kg。大量污水的排人，使磁湖和青山湖的水质受到严重污染，按照水功能区划，磁湖水质执行Ⅲ类标准，青山湖执行V类标准。监测结果表明，磁湖的水质为水质为Ⅳ类，青山湖的水质为水质为劣V类。黄石环境监测站2001年～2005年对磁湖和青山湖的水质监测结果见表1和表2

表1 磁湖监测结果

表2 青山湖监测结果

2．2 主要计算成果

将两个湖泊的原始数据进行处理，分别并按照上述对应分析计算步骤进行计算。表3和表4是R型分析的相关系数矩阵A的特征值及方差贡献率。两个湖泊前两个特征根的累计方差贡献率都达到88.00％以上，故确定主因子个数为2个，依据计算方法得到R型和Q型主因子载荷，如表5至表8所示。根据主因子载荷作出变量和样品点的主因子载荷平面投影图，如图1和图2所示。

表3 磁湖R型分析的相关系数矩阵A的特征值及累计方差贡献率

表4 青山湖R型分析的相关系数矩阵A的特征值及累计方差贡献率

表5 磁湖R型因子载荷

表6磁湖Q型因子载荷

表7 青山湖R型因子载荷

表8青山湖Q型因子载荷

图1磁湖对应分析图

图2青山湖两对应因子分析图

2．3 分析与结论

根据因子载荷平面投影图(图1和图2)和因子载荷表(表5至表8)进行分析，结论如下：

（1）从整体上看，两个湖泊5个年度（2001年-2005年）所对应的污染指标数据都被明显地分为3个区。

磁湖：I区：2004、2005，主要受CODmn影响，Il区：2001、2003，主要受TP、氨氮、氟化物、pH、DO的综合影响。III区：2002，主要受TN、BOD5影响。

青山湖：I区：2003、2004、2005，主要受COD、TP、氨氮、氟化物、pH、DO的综合影响影响，Il区：2002，主要受TN影响。III区：2001，主要受BOD5影响。

（2）从变量对主因子轴的影响分析。各指标坐标(载荷)绝对值反映了其与不同主因子轴的相关性程度大小。在两个变量主因子轴上，磁湖CODmn和TN的载荷绝对值远大于其他因子载荷，而青山湖COD和BOD5的载荷绝对值远大于其他因子载荷，由此可以得出磁湖的主要污染因子是COD和TN，说明湖区地表水主要受到生活污水以及营养源的污染；而青山湖主要污染因子是COD和BOD5，说明湖区地表水主要受到生活污水以及生活垃圾的有机污染。

（3）将因子载荷平面投影图和水质年度监测分布图结合起来分析。磁湖：2004-2005年，主要受CODmn影响，因此磁湖水质在未来年度污染控制中需要应对CODmn污染来源进行研究。

青山湖：2003、2004、2005年，连续三年中主要受COD、TP、氨氮、氟化物、pH、DO的综合影响影响，由此可见青山湖污染复杂程度远大于磁湖，因此青山湖在未来年度水质污染控制中需要应对多种污染来源进行详细的研究。

3 结论

笔者将对应分析方法应用于黄石市城区两个湖泊水质研究中，根据对应分析原理计算因子载荷，得出对应分析因子载荷图并结合5个年度样本分布图进行分析，结果显示：两个湖泊5个年度（2001年-2005年）所对应的污染指标数据都被明显地分为3个区。并分别再现了3个区的主要污染物；从变量对主因子轴的影响分析，从中找出了近年来两个湖泊的主要污染特征；将因子载荷平面投影图和水质监测年度分布图结合起来分析，指出未来污染的发展趋势和水体污染控制的目标。

对应分析方法考虑了样本和变量(评价指标)之间的内在联系，对黄石市城区湖泊水质污染状况和原因的分析结论准确可靠，为日后提出有效的防治措施提供了强有力的科学依据。对应分析方法结合了Q型因子分析和R型因子分析的优点，简化了数据分析的复杂度，能够较为方便地利用计算机进行分析计算，且运算速度快、结论性强。

参考文献

[1] 罗毅,李国刚,王业耀.环境监测科技进展[M].北京：化学工业出版社,2011.486-488.

[2] 朱秀华,李晓旭. 对应分析法在城市大气环境质量评价中的应用[J]. 大连交通大学学报,2010,31(1):89-92.

[3] 李焱华.对应分析技术在市场研究中的应用[J].科技情报开发与经济，2006，(21):164-165.

[4] 刘坚，赵振业，刘金国.对应分析法在居民消费结构中的应用[J].济南大学学报，2004，(1):12-15.

[5] 方国兴.对应分析在保险市场分析中的应用[J].金融教学与研究，2004，(3):3-4.

[6] 何建平,揭武. 黄石城区湖泊水环境污染现状及污染治理措施研究[J]. 湖北师范学院学报(自然科学版),2007,27(3):17-19.`