海水环境质量聚类分析范文

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《海洋环境科学杂志》2014年第四期

1材料与方法

1．1站位布设2010年7月对雷州半岛近海海域进行海洋调查和监测，在大约15m等深线范围内，设置19个断面，每个断面为垂直沿岸向外辐射，每个断面从陆向向海向依次设置近岸、中间和远岸3个站位，共57个监测站位。将雷州半岛近海海域划分为3个海区，东部海区为粤西海域(站1至站21)，南部海区为琼州海峡(站22至站39)，西部海区为北部湾海域(站40至站57)。站位均采用GPS进行定位。57个监测站位分布如图1所示。

1．2样品采集和分析每个站位采集离水面0．5m的表层海水和离海底0．5m的底层海水。样品的采集和分析测试严格按照《海洋监测规范》(GB17378-2007)［17］的要求进行，共监测了溶解氧(DO)、盐度(S)、悬浮颗粒物(SS)、石油类(Oil)、总有机碳(TOC)、溶解无机氮(DIN)、PO4-P、SiO3-Si、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg、As、Chla、细菌总数等17个指标。

1．3数据分析

1．3．1主成分分析采用SPSS17．0软件对监测的17个指标进行优选，利用SPSSR型聚类(变量聚类)，对17个变量进行降维处理，以减少过多的评价指标给计算带来的不便。

1．3．2聚类分析［18-19］(1)原始数据标准化处理:常用的预处理方法有标准化法和极差正规化法。本文主要采用极差正规化处理。(2)计算样品之间的距离系数，构造距离系数矩阵。(3)进行系统聚类，将距离最小的两类合并为一类，再重新计算新类与相邻类之间的距离，直到全部类合并为一类为止。(4)确定阈值，将调查站位i划分为n类。聚类分析就是建立模糊相似矩阵，运用相似系数法进行标定。性质越接近的样品，相似系数越接近于1或-1;彼此无关的样品相似系数则接近于0，聚类时相似的样品聚为一类。

1．3．3模糊综合评价［7，13］(1)建立模糊评价指标通过主成分分析筛选相应的监测指标作为评价因子，建立评价因子集。(2)评价等级的确定根据《海水水质评价》，将海水水质分为4个等级，y={1，2，3，4}。(3)隶属函数的确定根据评价集中的4个等级，对监测站位的各个指标采用高斯函数作为隶属函数进行计算，建立模糊关系矩阵R。(4)权重的确定污染物对水质的污染大则权重大，污染小则权重小。

2结果与讨论

2．1监测指标的优化此次调查共监测了17个指标，将监测指标作为变量，监测站位作为案例，利用SPSS中的R聚类进行变量的降维处理。可以得到聚类分析树形图，如图2所示。取标尺为12．5，则所有个案可分为7类。为了筛选出每一类中的典型指标，本文计算类中每一变量与其余变量的相关系数的平方均值，取其最大的变量作为典型指标［20］，再根据《海水水质标准》中规定的监测项目进行筛选。由图2可以看出，从上至下第4类指标中只有盐度1项，盐度不作为控制海水环境污染的特征指标，因此此类未有选定的指标。本文从其余6类指标中分别选择DO、Cu、Zn、DIN、PO4-P和Oil。为了体现所选择的6个指标的合理性，对57个监测站位的17个指标进行正交化处理，找出少数几个相互独立的指标进行聚类分析和综合评价(表1)。表1显示了各主成分解释原始变量总方差的情况，SPSS一般默认保留特征根大于1的主成分。因此选择前5个主成分即可，但根据累计方差可知前6个主成分可获得大于70%以上的信息量，最终本文选择DO、Cu、Zn、DIN、PO4-P和Oil6个指标来了解整个海域的海水环境状况。

2．2雷州半岛近海海域监测站位的聚类分析以DO、Cu、Zn、DIN、PO4-P和Oil作为变量对雷州半岛57个站位的监测数据通过SPSS17．0作系统聚类分析(图3)，可以看出雷州半岛近海57个监底层海水中1～27站位为一类，33～35站位、47站位和57站位为一类，其余站位为一类;表底层海水环境状况的分界点均在27站位，其中表层海水中的4测站位大致划分为3类，表层海水中1～3站位、5～27站位为一类，28～57站位为一类，4站位底层海水中1～27站位为一类，33～35站位、47站位和57站位为一类，其余站位为一类;表底层海水环境状况的分界点均在27站位，其中表层海水中的4站位海水环境与其他站位有明显的不同。

2．3雷州半岛近海海域监测站位的模糊综合评价根据最大隶属度原则，可得出57个监测站位表底层海水环境的综合评价结果(表2)。本文采用《海水水质标准》的二类标准进行权重值的计算，由表2可知:雷州半岛近海海域海水的水质同样大致可分为三类，表层共有44个监测站位的海水为一类海水，3个监测站位的海水为二类海水，10个监测站位的海水为四类海水;而底层有22个监测站位的海水为一类海水，13个监测站位的海水为二类海水，22个监测站位的海水为四类海水;前27个监测站位的海水水质要劣于后30个监测站位;表层海水的水质要优于底层海水。

2．4聚类分析和模糊综合评价的结果比较聚类分析和模糊综合评价的结果较为相似，均以27站位为分界点，前27个站位的海水环境状况与后30个站位显著不同，表层海水中4站位的海水与其他站位海水相似性最远，这是由于第4站位临近塘尾分洪河，较为靠近岸边，采集的水样受入海河口的淡水影响较大，因此其监测的指标数据与其他站位有显著的差异性。该站位表层海水的S为5．3，NO3-N含量为0．389mg/L，NO2-N含量为0．026mg/L，NH4-N的含量为0．029mg/L。其他监测站位的S平均值为30．8，NO3-N的平均含量为0．074mg/L，NO2-N平均含量为0．005mg/L，NH4-N的平均含量为0．033mg/L。由此可以看出，第4站位的NO3-N和NO2-N的含量明显高于其他监测站位。NH4-N含量与其他监测站位差别不大。以NO3-N为主的N来自外源输入的N也称为新N，而以NH4-N为主的N则为系统内生物的代谢产物也称为再生的N［20］。由监测的结果可以推出4站位受外源污染影响较大。尽管4站位的DIN含量较高但并未超过第四类海水水质标准的要求，因此在模糊综合评价中未体现出该站位与其他站位的显著差异性。由图3(a)和表2可以看出在前27个监测站位中15、17、18和11这4个监测站位在聚类分析时环境状况较为相似，在模糊综合评价中其评价结果也一致属于四类海水。同样在聚类树状图中可以看出16站位与11站位的环境状况也非常相似，但模糊综合评价的结果却相差甚远，16监测站位为一类海水，而11监测站位为四类海水。这主要是和站位的隶属度值相关，16站位的隶属度(0．512，0．075，0．001，0．412)，11站位的隶属度为(0．477，0．000，0．000，0．523)，根据隶属度最大化原则判断不是一类水就是四类水，故此尽管两个监测站位环境状况相似，但聚类分析和模糊评价得出的结果却相差甚远，焦军彩等对长江水质的模糊评价和模糊聚类分析的研究中也出现了这种现象［14］。由此可见，聚类分析和模糊综合评价具有一定相似性又有一定的互补性，对海域的规划和科学管理可以起到了一定的指导意义。

2．5雷州半岛近海海域海水环境状况探讨和建议本研究对雷州半岛夏季近海东西海域海水环境状况进行了较为全面的调查和分析，无论是聚类分析还是模糊评价都说明北部湾海域的海水环境要优于粤西海域。这主要与东西两岸的产业结构、人口数量、经济发展水平等方面的差异有关。北部湾近岸海域主要以海水养殖、旅游、港口码头、自然保护区等功能分布居多;而粤西海域则主要以石油化工、生物制药、钢铁、造纸等重污染型工业以及海水养殖、港口运输等功能分布居多。粤西海域绝大部分站位经过模糊综合评价后的结果大都属于四类海水，这主要源自于PO4-P含量超标较为严重。在唐谋生等［3］对湛江港海水中N、P含量及其营养盐分布特征研究中提出从1998年～2000年PO4-P的含量逐年增高，在2000年时，湛江港的PO4-P含量就已经到达四类海水的标准，甚至超四类海水。李斌等对湛江电厂温排水对生态环境的影响以及时翠等［8］关于雷州半岛北部湾海域的水质评价中也均提到PO4-P含量严重超标的情况。北部湾海域中铁山港附近水质大都为二类水，这可能与铁山港湾内的污染物的迁移、扩散有关［8］。雷州半岛近海海域表层海水的环境质量要优于底层海水。PO4-P在海洋中主要是通过物理迁移、化学转化和生物反应进行变化。首先，营养盐在海洋中除水平方向的迁移，还将向垂直方向进行沉降迁移。其次，海洋生物可以通过光合作用和新陈代谢等作用对营养盐发生转化。再次，PO4-P和海底沉积物之间存在着多次循环达到动态平衡［25］。因此，海水中的P会随着深度的增加而增加，导致底层海水的环境质量较表层海水差。通过对雷州半岛近海海域环境质量的监测和调查发现，粤西海域的海水环境质量较差，多数站位为四类海水，PO4-P含量严重超标是其水质差的主因。尽管DIN含量除4站位外，其余站位均符合二类海水水质标准，但PO4-P含量的超标无疑是增加海水富营养化的潜在风险。环境和海洋渔业部门应严格阻止沿岸污染物的随意排放、偷排、漏排行为;合理规划和调整产业结构和产业布局，科学设置排污口;监督污水处理达标排放情况，加强海洋环境监测，建立赤潮预警机制;完善环境保护和风险控制，提高应急防范能力;加大与海洋科学研究机构的合作，研究有效的生物化学处理方法用于降低海水中PO4-P的含量。

3结论

(1)通过R型聚类方法将雷州半岛近海海水环境的17个监测指标，缩减为6个主要成分指标，分别为DO、Cu、Zn、DIN、PO4-P和Oil。(2)利用Q型聚类分析将雷州半岛近海57个监测站位大致划分为3类。以27站位为分界点，前27个站位的海水环境状况与后30个站位显著不同。(3)通过模糊综合评价，同样将雷州半岛监测站位划分为3类。分别为一类海水，二类海水和四类海水。粤西海域大多数站位处于四类海水，北部湾海域多数站位为一类海水，靠近铁山港附近海水大多属于二类海水。表层海水水质优于底层海水。(4)聚类分析可以将看似复杂毫无关联的变量聚成几类，根据其主要成分的相似性进行归类。但缺少不同类别的优劣排序，而模糊综合评价恰好体现了不同类别水质之间的差异性。聚类分析为模糊综合评价筛选出特征值较大的主成分，在减少工作量的同时使得评价结果更具客观性和可靠性。(5)雷州半岛近海海域的PO4-P含量较高，增加了海水富营养化的潜在风险，需严格控制入海污染物的排入以及采用适当有效的生物化学处理方法降低海水中PO4-P含量。

作者：谢群张瑜斌张际标施玉珍孙省利单位：广东海洋大学海洋资源与环境监测中心华南理工大学环境与能源学院