王海鶴

(貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站， 貴陽　550081)

基于主成分分析法的赤水河水質(zhì)評價

王海鶴

(貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站， 貴陽550081)

摘要：基于主成分分析法，以赤水河貴州省境內(nèi)段的9個斷面為例，選取2014年16個水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行評價分析。結(jié)果表明：基于各斷面主成分得分排序，R5斷面得分最高是污染最嚴(yán)重的斷面，R1、R2和R6這3個斷面次之，其余斷面水質(zhì)均很好。R5斷面和R6斷面的主要影響指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷、生化需氧量，R1和R2斷面主要受陰離子表面活性劑、揮發(fā)酚、鉛、氟化物、硒、砷等指標(biāo)影響。主成分分析法可以確定污染區(qū)域及污染因子，為治理赤水河水環(huán)境提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：主成分分析法；赤水河；水質(zhì)；評價分析

近年來，隨著地表水水質(zhì)日趨惡化，對地表水水質(zhì)的研究和科學(xué)評價成為水環(huán)境管理日益重要的基礎(chǔ)。水質(zhì)評價是水環(huán)境質(zhì)量評價的重要內(nèi)容之一，它為水資源的綜合利用及水域污染預(yù)防提供依據(jù)。水質(zhì)的變化受到多因素的影響，目前常用的水質(zhì)評價方法有簡單指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法等，但不能有效提取現(xiàn)實污染因子[1-2]。模糊綜合評判法在模糊概率的確定上仍然存在問題，而主成分分析方法是構(gòu)造系統(tǒng)評估指數(shù)的常用方法之一。主成分分析的目的是對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳綜合與簡化，即它可在力保數(shù)據(jù)丟失最少的原則下，對高維變量空間進(jìn)行降維處理。這種評價方法在解決很多實際問題時都取得了較好的效果[3-4]。本文采用主成分分析法對赤水河水質(zhì)進(jìn)行評價研究，將有助于對赤水河水質(zhì)進(jìn)行全面分析，并對環(huán)境管理相關(guān)政策的制定提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

赤水河在貴州省經(jīng)濟社會發(fā)展中有著重要地位，赤水河是一條美酒河、美景河、生態(tài)河和英雄河。研究區(qū)域主要為赤水河云南入貴州省境清水浦鎮(zhèn)至貴州出四川省境鰱魚溪村一段，其間主要支流有兩條，即桐梓河和鹽津河。赤水河地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)，冬干旱夏濕熱，研究區(qū)域流域土壤類型主要是黃壤，有大量的礦產(chǎn)資源，主要以煤礦、硫鐵礦居多，其次為磷礦、鐵礦等，赤水河周邊企業(yè)主要以煤礦和酒廠為主，分布少量的紙廠、漿板廠、屠宰場。

為能更好的對赤水河水質(zhì)進(jìn)行分析，在研究區(qū)域共布設(shè)9個斷面，為使數(shù)據(jù)更有代表性，對赤水河每季度監(jiān)測1次，采用年平均值對水質(zhì)進(jìn)行分析。采樣布點如圖1所示。樣品分析方法按文獻(xiàn)。

圖1　采樣布點示意

1.3主成分分析法簡介

主成分分析是把原來多個變量化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計分析方法，從數(shù)學(xué)角度來看，這是一種降維處理技術(shù)，方法計算簡便，數(shù)學(xué)物理意義明確，在計算機普及的今天有較強的可操作性和一定的推廣應(yīng)用價值。

主成分分析法的具體步驟：

(1) 將各變量xj按均值化方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

(2) 在原變量標(biāo)準(zhǔn)化處理的基礎(chǔ)上計算出相關(guān)系數(shù)矩陣R，因為R是實對稱矩陣，所以只需取上三角元素或是下三角元素即可。

(3) 確定各變量xj的主成分。

(4) 計算得樣點的各主成分得分Zj，以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)求和得F綜合得分，各項得分值即是對水體樣點污染程度的定量化描述。

（3）有很多巨型的大額的基礎(chǔ)建設(shè)項目的成本不能及時抵扣，物流公司各大行業(yè)在各個地方與當(dāng)?shù)氐恼蛘咂渌囊恍┫嚓P(guān)利益企業(yè)合作，修建貨物中轉(zhuǎn)儲備需要用到的房屋和建筑，這些建筑占地面積一般比較廣，修建的時間周期比較長，所需要的建設(shè)資金也非常大，在營業(yè)稅改增值稅的方案施行的期間，未徹底完工形成固定資產(chǎn)只是在建工程時不能夠及時進(jìn)行抵扣，這又在無形之中增重了企業(yè)繳納稅收的負(fù)擔(dān)。

2數(shù)據(jù)分析

利用SPSS統(tǒng)計分析軟件，對赤水河2014年監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先對9個斷面的16個指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(即標(biāo)準(zhǔn)化)，進(jìn)一步分析16項指標(biāo)的相關(guān)性，最后采用四次最大正交旋轉(zhuǎn)法，使具有較大因子載荷的變量個數(shù)減少到最低限度，得出影響河流水質(zhì)的主要指標(biāo)。

2.1原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1，從表1可知，糞大腸菌群的標(biāo)準(zhǔn)差最大，為593.914 37，說明極大值和極小值相差最大，反映出糞大腸菌群在不同斷面差別較大，而揮發(fā)酚的標(biāo)準(zhǔn)差最小，為0.000 469 34，說明揮發(fā)酚在不同斷面差別較小。

表1　9個斷面16個指標(biāo)的描述性統(tǒng)計

2.2相關(guān)系數(shù)矩陣

進(jìn)一步分析16項指標(biāo)的相關(guān)性，如表2所示，兩指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，說明兩指標(biāo)之間的聯(lián)系越緊密?；瘜W(xué)需氧量與氨氮的相關(guān)系數(shù)最大，為0.979；高錳酸鹽指數(shù)和揮發(fā)酚的相關(guān)系數(shù)最小，為-0.001。高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷之間具有較強的相關(guān)性，這些均屬于有機污染指標(biāo)；硒、砷、鉛和揮發(fā)酚之間同樣具有較強的相關(guān)性，這些均屬于重金屬指標(biāo)。

2.3確定主成分

利用SPSS軟件對已標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，由表3得出，旋轉(zhuǎn)后各個主成分的貢獻(xiàn)率依次為：44.83%、40.76%、10.3%，由于前3個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到了95.89%，故前3個主成分已反映原始指標(biāo)所提供的絕大部分信息，可利用他們來做對各個斷面水質(zhì)污染程度的可比性研究。第1主成分F1和第2主成分F2相差較小，且均與第3主成分F3之間相差較多，因此，可以認(rèn)為影響赤水河中段水質(zhì)狀況的主要為第1主成分F1和第2主成分F2。

表2　各斷面水質(zhì)主要指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

表3　貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率

由于旋轉(zhuǎn)后不同主成分對應(yīng)的各變量的系數(shù)向最大和最小轉(zhuǎn)化，使每個主成分上具有最高載荷的變量數(shù)最少，旋轉(zhuǎn)后的載荷系數(shù)矩陣中各變量對兩個主成分的載荷系數(shù)差別比較明顯。因此從旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣(表4)中可知：

F1(第1主成分)：第1主成分的特征根為6.72，旋轉(zhuǎn)后方差貢獻(xiàn)率為44.83%。與F1有較大關(guān)聯(lián)的主要指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)(0.984)、氨氮(0.962)、化學(xué)需氧量(0.955)、總磷(0.901)、生化需氧量(0. 858)。這些影響因子主要與河流的有機物有關(guān)，其中高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷與F1關(guān)聯(lián)最為密切，為主要影響因子。高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷主要是來自于城鎮(zhèn)生活污水的排放以及農(nóng)業(yè)退水；硫化物主要來源于農(nóng)業(yè)退水和化工廠等排放的廢水；溶解氧主要是水中有機污染物多少的體現(xiàn)，糞大腸菌群主要來自于城鎮(zhèn)的生活污水、醫(yī)院的醫(yī)療廢水、屠宰制革等工業(yè)廢水以及沿河周邊村鎮(zhèn)排放的生活污水。因此，本文把第1主成分F1稱為綜合因子指數(shù)。

表4　旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷矩陣

注：旋轉(zhuǎn)后的主因子載荷絕對值<0.1省略，作為0處理。表中數(shù)據(jù)正值表示正相關(guān)，負(fù)值表示負(fù)相關(guān)

F2(第2主成分)：第2主成分的特征根為6.11，旋轉(zhuǎn)后方差貢獻(xiàn)率為40.76%。與F2有較大關(guān)聯(lián)的主要指標(biāo)為陰離子表面活性劑(-0.953)、揮發(fā)酚(0.952)、鉛(-0.926)、氟化物(0.923)、硒(0.889)、砷(0.782)。氟化物主要來源于造紙廠、織物漂白、化工廠等工業(yè)廢水；鉛、硒、砷等重金屬污染物主要來自于礦山廢水和河流原有本底值等。表明工業(yè)廢水對赤水河有一定影響，因此本文把第2主成分F2稱為工業(yè)因子指數(shù)。

F3(第3主成分)：第3主成分的特征根為1.55，旋轉(zhuǎn)后方差貢獻(xiàn)率為10.30%。與F3有較大關(guān)聯(lián)的主要指標(biāo)為pH值(0.728)。pH值一般來自雨水和一些制堿和冶金等工廠的廢水。

3主成分評價結(jié)果分析

表5　赤水河中段各個斷面水質(zhì)綜合評定結(jié)果

4結(jié)論

(1) R5斷面F綜合為1.326，水質(zhì)污染最為嚴(yán)重，此斷面第1主成分F1負(fù)荷為2.316，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他主成分，表明R5主要受F1(第1主成分)影響，即為綜合因子指數(shù)影響。其主要原因是，R5斷面所在支流作為城鎮(zhèn)的初級受納水體，生活污水和工業(yè)廢水排入量大，且河流徑流量小，河流水體的自凈能力不足，污染物導(dǎo)致水體質(zhì)量下降。

(2) R1和R2兩個斷面第2主成分F2負(fù)荷分別為1.555和1.462，同樣高于其他主成分，表明R1和R2斷面主要受F2(第2主成分)影響，即工業(yè)因子指數(shù)。究其原因，赤水河上游段存在部分造紙廠和各種小型礦廠，工廠排放的工業(yè)廢水中含有重金屬成分，對赤水河上游水質(zhì)產(chǎn)生一定影響。

(3) R6斷面主要受F1(第1主成分)影響，R6斷面作為支流鹽津河匯入赤水河的下游斷面，會受到鹽津河水體影響；其余斷面綜合得分均為負(fù)值，表明水質(zhì)很好。

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Assessment on water quality of Chishui River by principal component analysis

Wang Haihe

(Guizhou Environmental Monitoring Center Station, Guiyang 550081, China)

Abstract:In this paper, the principle component analysis (PCA) was used to assess the water quality of Chishui River. Samples came from the representative 9 monitoring sections of Chishui River in 2014, and 16 pollution indicators were included. The results showed that the R5 section, having the highest PCA score, was worst in water quality, sections of R1, R2 and R6 followed, and water quality in the rest sections was good. In R5 and R6, the major pollutants were CODMn, BDD5, NH3-N, TP, and CODCr, while in R1 and R2, those were LAS, volatile phenol, Pb, fluoride, Se, and As instead. This method could determine the polluted area and major pollutants for Chishui River, thus providing reference for environmental management.

Keywords:PCA method; Chishui River; water quality; evaluation analysis

收稿日期：2015-11-11；2015-12-23修回

作者簡介：王海鶴，男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：水污染控制。E-mail：289124727@qq.com

中圖分類號：X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A