劉 滔，陳毛良，裴 瑤，江 煒

（浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心，浙江 杭州 310012）

農(nóng)村飲用水水質(zhì)優(yōu)劣直接關系到浙江省千百萬農(nóng)民的身體健康，當前全省已基本解決千萬農(nóng)民喝水難的問題，但在末梢水中微生物指標超標的現(xiàn)象依然存在[1]，飲用水中微生物指標的合格率與消毒設備的使用效果緊密相關。采用PCA模型，對2019年3 — 5月全省農(nóng)村飲用水工程中不同消毒方法的末梢水水質(zhì)結(jié)果進行全面分析和評價，從而判斷各個消毒設備的使用效果情況，以便為全省實施的“農(nóng)村飲用水達標提標行動”提供相關技術依據(jù)。

1 研究方法

1.1 采樣及處理方法

為了解浙江省農(nóng)村飲用工程中消毒設備的使用效果情況，在全省11個地市選取84處具有消毒設備的飲用水工程水樣，其中緩釋消毒器的末梢水樣有21個，二氧化氯發(fā)生器的末梢水樣有8個、二氧化氯（消毒劑投加）的末梢水樣17個，商品次氯酸鈉溶液投加的末梢水樣有32個，商品液氯投加的末梢水樣有6個。

末梢水樣的檢測項目為GB 5749 — 2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中的 pH 、色度、濁度、嗅和味、肉眼可見物、氨氮、硝酸鹽、耗氧量、菌落總數(shù)以及總大腸菌群等10項[2]。

1.2 主成分分析

水質(zhì)評價是通過對多個水質(zhì)指標的分析結(jié)果進行評價，各個指標之間通常具有一定程度的相關性，每個指標都從某一方面反映水質(zhì)的情況，但由于水質(zhì)指標較多，依據(jù)它們做出綜合評價仍有一定難度，需要采取一種可以簡化評價指標數(shù)量的評價方法[3]。

主成分分析法（PCA）旨在保證原始數(shù)據(jù)信息丟失最小的情況下，對原始的高維變量進行降維處理，盡可能保持原有數(shù)據(jù)信息的前提下，經(jīng)過線性變換和舍棄部分信息，以少數(shù)的綜合變量代替原有的多維變量，既抓住了主要矛盾，又簡化了評價工作[4-7]。

2 水質(zhì)監(jiān)測指標的主成分分析

目前浙江省消毒設備主要為緩釋消毒器、二氧化氯發(fā)生器、二氧化氯（消毒劑投加）、商品次氯酸鈉溶液投加、商品液氯投加以及膜處理等。本次選取的84個末梢水樣中除膜處理以外其他消毒設備類型均包含在內(nèi)，末梢水的監(jiān)測項目為GB 5749 — 2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中的pH、渾濁度、色度、肉眼可見物、氨氮、硝酸鹽、耗氧量、菌落總數(shù)以及總大腸菌落等10項指標進行水質(zhì)評價[2]（見表1）。

表1 各消毒設備末梢水樣的檢測指標表

為消除指標的量綱和數(shù)量級對協(xié)方差矩陣的影響[8]，對表1 的原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，此處需要注意SPSS只能處理數(shù)據(jù)，所以需要將原有的其他字符轉(zhuǎn)化為數(shù)字。標準化后的數(shù)據(jù)用SPSS 17.0版本的因子分析做降維處理并進行主成分分析。各個指標之間的相關性情況見表2。

表2 水質(zhì)各指標相關系數(shù)矩陣表

在表2中2個指標相關系數(shù)的絕對值越大表明指標之間的聯(lián)系性越緊密[9]?？梢钥闯隹偞竽c菌落與耗氧量的相關系數(shù)為0.924，相對于表2中其他指數(shù)是最大的，表明總大腸菌落與耗氧量具有較強的相關性，該相關系數(shù)的大小符合總大腸菌落與耗氧量呈正相關的特性[10]；而氨氮與pH相關系數(shù)的絕對值只有0.040，說明氨氮與pH的相關性最差。其他的相關性也按此分析。

各指標主成分分析結(jié)果見表3。由表3可見，前面4個主成分的累計貢獻率為100%，表明這4個指標對水質(zhì)的影響已經(jīng)代表全部指標，按照主成分個數(shù)提取原則，需要圖1中主成分所對應的特征值大于1的前m個主成分[11]，特征值代表是主成分影響因子的大小，如果特征值小于1，則代表該主成分的代表性不強。前2個主成分累計貢獻率為81.66%，可以較好地反映水質(zhì)情況。

表3 水質(zhì)各指標主成分分析結(jié)果表

圖1為水質(zhì)指標總成分數(shù)碎石圖。圖1可以更加直觀地將各個主成分所對應的特征值顯示出來，主成分1的特征值大于4。特征值大于1的主成分共有3個，其余的主成分的特征值均小于1。

圖1 水質(zhì)指標主成分數(shù)碎石圖

表4 水質(zhì)各指標主成分載荷矩陣表

在表4中可以看到每個指標對不同主成分的影響情況。指標與某一主成分的載荷矩陣系數(shù)的絕對值越大，表示關系越緊密，更加能代表其屬性。從表4中可以得出，第一主成分中渾濁度、氨氮、耗氧量、菌落總數(shù)以及總大腸菌落的載荷系數(shù)較高，說明第一主成分主要反映的是水質(zhì)中微生物指標的信息；第二主成分中pH、色度、硝酸鹽以及肉眼可見物的載荷矩陣，表明第二主成分主要反映的是這5個指標的信息。所以，用這2個主成分就可以全面反映原來的9個指標的信息。

結(jié)合主成分的確定以及水質(zhì)中各指標的載荷系數(shù)，可以得出PCA1、PCA2和水質(zhì)中各指標的關系：

根據(jù)式（1）～（2）分別計算出第一主成分和第二主成分的得分，通過對主成分的得分與客觀權重相乘的和可計算出綜合得分[12]，得分情況反映消毒方法效果的好壞，綜合得分越高表示水質(zhì)越差，消毒效果不佳，反之則表示水質(zhì)較好，消毒效果明顯。在浙江省農(nóng)村飲用水消毒設備消毒效果由好到差依次為：商品液氯、商品次氯酸鈉投加、二氧化氯發(fā)生器、二氧化氯（消毒劑投加）和緩釋消毒劑（見表5）。

表5 各消毒方法主成分得分及綜合得分表

3 結(jié) 語

本文通過對農(nóng)村飲用水末梢水水質(zhì)指標進行主成分分析，用少數(shù)幾個指標較好的反映樣本中所有指標的信息，使得在不損失太多信息的情況下對復雜問題進行分析。結(jié)果表明，當前浙江省常見的5種消毒設備中商品液氯投加和商品次氯酸鈉投加的消毒效果最好，而緩釋消毒器和二氧化氯（消毒劑投加）的消毒效果較差。

從實際情況來看，由于商品液氯投加和商品次氯酸鈉投加的消毒設備主要應用在大型水廠以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工程中，緩釋消毒器和二氧化氯（消毒劑投加）的消毒設備主要應用在單村工程中。從管理手段、運維人員專業(yè)技術素養(yǎng)以及供水管網(wǎng)條件等其他客觀條件綜合考慮，大型水廠以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工程消毒效果優(yōu)于單村工程。本文中主成分分析的結(jié)果與現(xiàn)實情況一致，較好地反映了實際情況，因而是農(nóng)村飲用水消毒設備使用效果綜合評價的一種簡單可行的方法。