1 前言
目前對水環(huán)境的質(zhì)量評價主要有物理、化學(xué)和生物學(xué)3種方法。隨著計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，生態(tài)學(xué)家開始使用計算機處理采樣數(shù)據(jù)，用多元分析方法對群落進行相似性分析，直接將結(jié)果和聚類圖輸出。目前這種新興的方法已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1]。本文嘗試應(yīng)用主成分分析和聚類分析的方法，綜合化學(xué)和生物指標評價福州市內(nèi)河的水環(huán)境質(zhì)量，以期為內(nèi)河水質(zhì)的監(jiān)測評價和綜合治理提供基礎(chǔ)資料。

2 材料與方法
2.1 采樣點的設(shè)置
­­­­­­­­­­­­­­­­­­­根據(jù)福州市內(nèi)河分布及污染源的特征分成3片河網(wǎng)，共設(shè)置12個采樣點（圖1），東片采樣點為1＃象園閘、2＃三孔閘、3�；�工河和4＃新華印刷廠，中片為5＃五四河、6＃安泰河、7＃東西河和8＃瀛洲河，西片為9＃市一家倶廠、10＃大慶河口、11＃彬德閘和12＃新西河口。

2.2 浮游動物的采集和水樣處理
2000年9月～2001年8月，每月月初采集浮游動物。定性采集用25號浮游生物網(wǎng)，定量采集用1L采水器，魯哥氏液固定，實驗室內(nèi)鏡檢。浮游動物的鑒定參見文獻 [2～11]。計算3種多樣性指數(shù)：Shannon－Weaver多樣性指數(shù)[12]， Margalef 多樣性指數(shù)[13]和Simpson 多樣性指數(shù)[14]。同步測定NH3-N、TN、TP、CODMn和DO 5項化學(xué)指標。
2.3 主成分分析和聚類分析
選取5項化學(xué)指標和3種生物多樣性指數(shù)，即x1－NH3-N、x2－TN、x3－TP，x4－CODMn、x5－DO、x6－Shannon-Weaver多樣性指數(shù)、x7－Margalef 多樣性指數(shù)和x8－Simpson 多樣性指數(shù)。多元分析方法原理參見文獻[15]。全部過程在計算機上用統(tǒng)計軟件SPSS10.0完成，操作方法參見文獻[16]。

3 結(jié)果與分析
­­­­­­­­­­­­­­3.1 主成分分析
將12個采樣點測定的5項化學(xué)指標及3種多樣性指數(shù)用主成分法進行分析，得到8個主成分。
根據(jù)提取主成分的個數(shù)一般要求其累計方差貢獻率超過85%的原則，提取前4個主成分，其累計方差貢獻率達96.737%（見表 1）。前4個主成分代表了全部原始指標96.737%的信息，表明主成分分析對原始指標分類作用是有效和客觀的。
表1 相關(guān)矩陣的特征值(%)
項目 主成分1 主成分2 主成分3 主成分4
特征值
貢獻率
累計貢獻率 2.850
35.627
35.627 2.610
32.631
68.258 2.076
25.947
94.206 0.202
2.531
96.737

經(jīng)方差極大正交旋轉(zhuǎn)后得前4個主成分的荷載矩陣(見表2)。主成分1反映了內(nèi)河營養(yǎng)化這一指標起主要作用的是TN、TP和DO，其相關(guān)系數(shù)值分別為0.963、0.711和-0.900，在主成分1的正、負方向上起作用。TN和TP是反映水體營養(yǎng)化程度的主要指標，其值越大，水體營養(yǎng)化程度越高。在高度營養(yǎng)化的水體中，由于藻類過量繁殖，其死亡后會消耗水體中大量的氧氣，造成水體缺氧，故測得的DO含量肯定就低，主成分1很好地反應(yīng)了這一情況。主成分2是NH3-N和S值在起作用，其相關(guān)系數(shù)分別為0.889和-0.871，這2項指標在主成分2的正、負方向上起作用。一般說來，NH3-N值越高，水體所受的有機污染越嚴重，水體中生物種類相對減少，多樣性指數(shù)就會下降。主成分3是M值和H值在起作用，其相關(guān)系數(shù)分別為0.869和0.867，反映內(nèi)河的生物多樣性指標，二者呈正相關(guān)。主成分4反映了內(nèi)河有機污染的指標，由CODMn起作用。
表2 方差極大正交旋轉(zhuǎn)后的荷載矩陣
化學(xué)和生物指標 主成分1 主成分2 主成分3 主成分4
TP
DO
TN
NH3-N
CODMn
S值1)
M值2)
H值3) 0.963
-0.900
0.711
0.263
0.525
-0.274
8.791×10-02
-0.426 0.121
-0.360
0.633
0.889
0.536
-0.871
-0.435
-0.198 -0.112
0.119
-0.267
-0.327
-0.534
0.283
0.869
0.867 9.074×10-02
2.930×10-02
-6.56×10-02
1.606×10-02
0.373
-9.08×10-02
-0.167
0.118

1) S值表示Simpson 多樣性指數(shù)；
2) M值表示Margalef 多樣性指數(shù)；
3) H值表示Shannon-Weaver多樣性指數(shù)。

表3 主成分標準得分系數(shù)
采樣點 主成分1 主成分2 主成分3 主成分4
1#象園閘
2#三孔閘
3#化工河
4#新華印刷廠
5#五四河
6#安泰河
7#東西河
8#瀛洲河
9#市一家俱廠
10#大慶河口
11#彬德閘
12#新西河口 0.79983
-0.58755
0.09700
-0.51127
1.33572
1.46539
0.00678
0.01920
-0.35905
0.19332
-0.08474
-2.37463 -0.57009
0.05060
2.52534
-0.88357
-0.67355
-0.75386
0.38305
-0.56547
-0.50524
1.00755
0.60720
-0.62195 -0.46997
0.74657
-1.51466
0.16698
-1.07165
0.00457
1.22736
-0.95548
0.96163
1.25882
0.76094
-1.11512 -1.35722
0.53520
-0.01161
0.44622
2.42451
-1.07133
0.31449
-1.14844
0.24453
0.04275
-0.40831
-0.0107


3.2 聚類分析
計算前4個主成分的標準得分系數(shù)(見表3)，將主成分的得分系數(shù)代替原始指標進行聚類分析。利用統(tǒng)計軟件SPSS10.0提供的方法，先后用組內(nèi)聯(lián)結(jié)法、最短距離法、最長距離法、重心法、中間距離法、離差平方法等6種系統(tǒng)聚類法對12個站點進行R型聚類，即對個案聚類，得到聚類結(jié)果(見圖2)。6種方法的聚類結(jié)果完全一致，表明在主成分分析基礎(chǔ)上進行的聚類分析是有效的。
聚類分析將12個采樣點分為6類，結(jié)合化學(xué)和生物指標的評價標準，給每一類確定污染等級。2#三孔閘、4#新華印刷廠和9#市一家俱廠受污染的狀況基本一致，聚為一類，為乙型至甲型“中污”； 7#東西河、10#大慶河口和11#彬德閘歸為一類，為甲型至乙型“中污”；1#象園閘、6#安泰河和8#瀛洲河歸為一類，為甲型“中污”；5#五四河和3#化工河被分成2類，污染均較嚴重，主要為甲型“中污”至“多污”；12#新西河口單獨列為一類，污染最輕，水質(zhì)評價為“寡污”至乙型“中污”。聚類分析方法客觀地將污染狀況相近的采樣點歸為一類，與化學(xué)、生物指標綜合評價結(jié)果基本一致。
4 結(jié)論
4.1 選用5項化學(xué)指標和3項生物指標，通過主成分分析將這8項繁雜無序而又相關(guān)的指標簡化為4個獨立且功能明確的主成分，各主成分結(jié)構(gòu)層次趨于簡便和直觀。在此基礎(chǔ)上進行聚類分析，以各站點的主成分得分系數(shù)來代替原始指標進行聚類，就避免了因原始指標間存在相關(guān)性所造成的聚類偏差，聚類結(jié)果較為客觀準確。
4.2 利用主成分分析和聚類分析的方法來評價水質(zhì)，克服了傳統(tǒng)生物指標和理化指標難以綜合評價的缺陷，且運用計算機進行數(shù)據(jù)處理，直接將結(jié)果輸出，簡單易行，是未來水質(zhì)評價中的一種重要方法。