丁杰萍，周 靜，尚婷婷

(甘肅省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730020)

0 引言

水環(huán)境質(zhì)量的全面評價和水環(huán)境污染特征的準確把握是河流水環(huán)境污染防治的重要依據(jù)[1]。近年來，在社會經(jīng)濟的快速發(fā)展過程中，渭河流域水環(huán)境問題日益嚴重[2]。多元統(tǒng)計分析作為一種重要的數(shù)據(jù)處理分析方法，在河流水質(zhì)變化特征的研究中有著廣泛的應用[3]，其中的主成分分析法(PCA) 主要通過線性變換，將多個原始變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個相互獨立的綜合指標(即主成分)，從而深入揭示事物的內(nèi)在規(guī)律，提高了分析結(jié)果的客觀性和可靠性[4]。

本研究通過SPSS 軟件因子分析功能，采用PCA分析對渭河干流甘肅段的水質(zhì)影響因子進行提取，并對水質(zhì)特征進行綜合評價，再通過spearman 秩相關系數(shù)法對主成分綜合得分值的變化趨勢進行分析，以期為渭河干流甘肅段水污染防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與分析方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河是黃河的最大支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣，流經(jīng)甘肅天水、陜西寶雞、咸陽、西安、渭南等地區(qū)，至渭南市潼關縣匯入黃河。渭河甘肅段是指渭河的源頭至甘肅和陜西交界之間的渭河干流區(qū)域，河長360 km，流域面積25 790 km2，干流兩岸支流眾多，水系呈扇狀分布，屬不對稱水系。北岸有秦祁河、咸河、散渡河、葫蘆河、牛頭河等支流匯入，南岸有榜沙河、大南河、藉河等支流匯入。渭河流域甘肅段多年平均降水量515.1 mm[5]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于甘肅省國控和省控斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測值。共計選取了渭河干流西二十里鋪、樺林、北道橋、伯陽橋和葡萄園5個監(jiān)測斷面(監(jiān)測斷面名稱及位置具體見圖1)。選擇了各斷面2011-2020年連續(xù)10 apH、電導率、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)等8個水質(zhì)監(jiān)測指標，共計400個水質(zhì)監(jiān)測值進行分析。水質(zhì)指標分析參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)執(zhí)行。

圖1 渭河流域水質(zhì)監(jiān)測斷面位置示意圖

1.3 研究方法

1.3.1 主成分分析

PCA是考察多個變量間相關性的一種多元統(tǒng)計方法，將原來眾多具有一定相關性的變量重新組合，形成新的幾個綜合變量，這些綜合變量彼此互不相關，且能夠反映原變量提供的大部分信息，這些新的綜合變量稱為主成分。本文應用SPSS22.0(www.ibm.com/software/analytics/spss/)軟件對渭河流域甘肅段的8個水質(zhì)指標進行分析，最終提取了2個主成分，有效降低了具有較大因子載荷的變量個數(shù)。

1.3.2 spearman 秩相關系數(shù)法

秩相關系數(shù)法又被稱為等級相關系數(shù)法，原理是將兩因子的樣本值從小到大按序排列，以各因子樣本值的位次代替實際數(shù)據(jù)加以計算，是衡量時間序列變化趨勢在統(tǒng)計上有無顯著性的常用方法[6]。

秩相關系數(shù)計算方式見公式(1) ：

(1)

di=Xi-Yi

(2)

式中：di為變量Xi和Yi的差值；Xi為周期1～N按濃度值從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號；N為年份。

將秩相關系數(shù)的絕對值與spearman 秩相關系數(shù)統(tǒng)計表中的臨界值Wp 進行比較，如果rs>Wp，則表明變化趨勢有顯著意義；如果rs為正值，則表明數(shù)據(jù)序列具有上升趨勢；如果rs為負值，則表明數(shù)據(jù)序列具有下降趨勢[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析

采用SPSS22.0軟件對數(shù)據(jù)進行KMO檢驗及Bartlett球形檢驗。KMO檢驗結(jié)果為0.817，且Bartlett球形檢驗結(jié)果的顯著性概率P值為0，說明本研究水質(zhì)數(shù)據(jù)適合用于主成分分析。

通過水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計特征描述及各污染物指標相關性分析，可初步判斷渭河干流水質(zhì)狀況。表1顯示，渭河干流甘肅段主要污染物除總氮外其余指標濃度均值達到地表水III類水質(zhì)標準。從變異系數(shù)(CV=標準差/平均值×100%)看，pH最小，氨氮最大，除pH外其他指標變異系數(shù)均較大，為21.6%～74.36%，這表明渭河干流甘肅段主要水質(zhì)指標存在較大的時間或空間變異。

表1 渭河干流甘肅段2010-2020年水質(zhì)指標的統(tǒng)計描述

由表2可知，高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總氮和總磷之間呈顯著正相關，因而適宜用主成分分析法研究變量之間的關系。

表2 相關系數(shù)矩陣

表3 主成分方差與方差貢獻率

以特征值是否大于1為依據(jù)[7]，提取出2個主成分(表3)，因子負荷矩陣及各指標得分見表4，累計方差百分比為81.28%，可以反映原始數(shù)據(jù)的基本信息。其中，第1主成分對原始變量的解釋貢獻了總方差的65.259%，負荷值最高的指標包括五日生化需氧量、化學需氧量、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮，分別為0.917、0.910、0.892、0.884、0.788、0.778(以絕對值大于0.7判定負荷值為較高)[8]，代表水體的有機物污水平[9]；第2主成分的貢獻率為16.021%，遠低于第一主成分，負荷高指標主要為pH和電導率，可見該主成分反應的主要為水體的理化特征。這2個主成分的累計方差貢獻率為81.28%，表明這2個主成分及8個水質(zhì)參數(shù)指標可以解釋流域大部分的水質(zhì)變化。

由表3和表4可以計算得出2個主成分評價函數(shù)F1，F(xiàn)2及綜合評價函數(shù)F。各評價函數(shù)表達式如下所示：其中，ZX1、ZX2、ZX3、ZX4、ZX5、ZX6、ZX7、ZX8分別代表五日生化需氧量、化學需氧量、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、pH值、電導率的標準化數(shù)據(jù)；λ表示不同主成分對應的特征值。

F1=0.402ZX1+0.398ZX2+0.390ZX3+0.387ZX4+0.345ZX5+0.340ZX6-0.257ZX7+0.278ZX8；

F2=-0.134ZX1-0.012ZX2+0.047ZX3+0.170ZX4-0.351ZX5+0.258ZX6+0.626ZX7+0.607ZX8；

F=(λ1F1+λ2F2)/(λ1+λ2)=0.803F1+0.197F2

根據(jù)評價函數(shù)公式可計算出各斷面的的主成分綜合得分及排名見表5，各監(jiān)測斷面水質(zhì)的主成分綜合得分均值特征見圖2。主成分綜合得分越高，排名越靠前，表明污染越重，水質(zhì)越差。

表4 初始因子載荷矩陣

表5 2011-2020年各斷面水質(zhì)的主成分綜合得分值F

圖2 各監(jiān)測斷面2011-2020年水質(zhì)的主成分綜合得分均值

由表5可知，2011-2015年，渭河干流甘肅段5個斷面污染由重到輕依次為樺林>北道橋>伯陽橋>葡萄園>西二十里鋪。2016-2020年，5個斷面的排名發(fā)生變化，且不再穩(wěn)定，但北道橋和伯陽橋排名居前二，說明該兩個斷面的污染相對加重，樺林排序靠后，說明該斷面污染相對減輕。由圖2可知，渭河干流甘肅段5個斷面水質(zhì)在2011-2020年平均受有機物污染從重到輕排序依次為樺林>北道橋>伯陽橋>葡萄園>西二十里鋪。

2.2 渭河干流甘肅段水質(zhì)趨勢變化分析

采用spearman 秩相關系數(shù)法對渭河干流甘肅段5個斷面10年的主成分綜合得分值進行再分析，計算結(jié)果見圖3?？芍?，2011-2020年，5個斷面的主成分綜合得分均呈波動減小的趨勢，相對于2011年，樺林、北道橋、葡萄園、伯陽橋、西二十里鋪5個斷面的主成分綜合得分值分別減少3.989、2.936、2.814、2.08、1.061，說明水質(zhì)在變好，其中樺林最為明顯。西二十里鋪斷面作為渭河源頭區(qū)，水質(zhì)狀況最好。樺林斷面十年來水質(zhì)波動較大，2014年水質(zhì)最差達到峰值5.896，表明有大量污染物排入，2015年后水質(zhì)狀況持續(xù)改善。伯陽橋斷面2015年水質(zhì)最差達到峰值，之后迅速轉(zhuǎn)好，這與實施“水十條”的成效密不可分。葡萄園斷面水質(zhì)較為穩(wěn)定，十年來水質(zhì)持續(xù)轉(zhuǎn)好。

圖3 各斷面主成分綜合得分值變化曲線

表6 各斷面主成分綜合得分值變化趨勢顯著性檢驗表

各斷面的主成分綜合得分值趨勢變化顯著性結(jié)果表明(表6)，渭河干流甘肅段5個斷面得分值均呈減小趨勢，說明水質(zhì)均呈轉(zhuǎn)好的趨勢，其中，西二十里鋪、北道橋和葡萄園斷面在置信水平99%時具有顯著意義，樺林和伯陽橋斷面在置信水平95%時具有顯著意義。

3 結(jié)語

本文采用主成分分析法對渭河干流甘肅段2011-2020年水質(zhì)進行了分析，在此分析結(jié)果的基礎上采用spearman 秩相關系數(shù)法對綜合得分值進行了再分析，研究結(jié)果表明：(1)2011-2020年渭河干流甘肅段主要水質(zhì)指標存在較大的時間或空間變異；(2)高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、化學需氧量、總氮和總磷之間呈顯著正相關；(3)渭河干流甘肅段5個斷面水質(zhì)受污染從重到輕依次為樺林>北道橋>伯陽橋>葡萄園>西二十里鋪；(4)2011-2020年渭河干流甘肅段水質(zhì)呈明顯好轉(zhuǎn)趨勢。