郭新強(qiáng)

(1.福建省197地質(zhì)大隊(duì)，福建 泉州 362011；2.長(zhǎng)江大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，湖北 荊州 434023)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，如何合理、客觀地評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀顯得尤為重要，評(píng)價(jià)水質(zhì)過(guò)程中因復(fù)雜多樣的環(huán)境因素使得研究工作變得繁重，數(shù)據(jù)分析也相當(dāng)困難，有時(shí)找不到水質(zhì)惡化的原因[1]。目前國(guó)內(nèi)外常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有綜合指數(shù)法[2]，污染指數(shù)法[3]，模糊綜合評(píng)價(jià)法[4]，主成分分析法[5]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]，物元評(píng)價(jià)法[7]等。

由于地區(qū)差異，水質(zhì)污染的指標(biāo)各不相同，真實(shí)的原始數(shù)據(jù)非常多，它們并不服從正態(tài)分布，通常是共線性或自相關(guān)的，由于這個(gè)原因，使用主成分分析、因子分析等多元方法[8]。主成分分析方法是一種降維的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，它將收集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)，在盡可能多地保留原始書記信息的情況下，用較少的幾個(gè)綜合因子來(lái)解釋水質(zhì)信息，進(jìn)行水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。

本文以福建某濱海場(chǎng)地9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，基于主成分分析法評(píng)價(jià)該場(chǎng)地地下水的水質(zhì)，為保護(hù)和改善該場(chǎng)地地下水水環(huán)境質(zhì)量提供指導(dǎo)。

1 研究方法

本研究使用SPSS軟件對(duì)某濱海場(chǎng)地7項(xiàng)地下水質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，其分析步驟如下：

(1)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取。選取溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法為Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化法，消除不同水質(zhì)指標(biāo)之間量綱和數(shù)量級(jí)的影響。

(3)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣。

(4)計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率，確定主成分個(gè)數(shù)。一般根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率和特征值判斷，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上，特征值大于1即可。

(5)計(jì)算主成分分值，確定綜合函數(shù)，綜合函數(shù)值越高，表明污染越嚴(yán)重，從而對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為消除原始數(shù)據(jù)不同水質(zhì)指標(biāo)之間量綱和數(shù)量級(jí)的影響。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)

2.2 相關(guān)系數(shù)矩陣

運(yùn)用KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量和球形檢驗(yàn)，判斷標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)是否適合因子分析。使用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS計(jì)算得到KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.546，大于0.5；Bartlett球形度檢驗(yàn)顯著性概率P值為0.001，小于0.01。計(jì)算結(jié)果表明原始變量存在相關(guān)性，適宜做主成分分析(表2)。

表2 KMO和Bartlett檢驗(yàn)結(jié)果

在標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣，相關(guān)系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。絕對(duì)值越大的相關(guān)系數(shù)，兩個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)呈正值，表明其呈正相關(guān)；相關(guān)系數(shù)呈負(fù)值，表明其呈負(fù)相關(guān)。溶解性總固體與氯化物相關(guān)系數(shù)(R)為0.965，是研究區(qū)內(nèi)相關(guān)性最強(qiáng)的一組水質(zhì)指標(biāo)，說(shuō)明溶解性總固體與氯化物來(lái)源相似性高；溶解性總固體與高錳酸鹽指數(shù)(R=0.939)，氯化物與高錳酸鹽指數(shù)(R=0.884)，硝酸鹽與亞硝酸鹽(R=0.822)具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系；溶解性總固體與硫酸鹽(R=0.622)，硫酸鹽與高錳酸鹽指數(shù)(R=0.633)、氨氮(R=0.622)具有中等的正相關(guān)關(guān)系；硫酸鹽與氯化物(R=0.430)具有弱的正相關(guān)關(guān)系；溶解性總固體與硝酸鹽(R=-0.441)、亞硝酸鹽(R=-0.353)，氯化物與硝酸鹽(R=-0.465)、亞硝酸鹽(R=-0.389)，高錳酸鹽指數(shù)與硝酸鹽(R=-0.301)，硝酸鹽與氨氮(R=-0.316)具有弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系；其余水質(zhì)指標(biāo)之前的相關(guān)關(guān)系極弱或者無(wú)相關(guān)關(guān)系。

表3 相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3 主成分確定

特征值λ在一定程度上影響主成分大小的指標(biāo)，特征值λ>1的主成分具有較好的解釋力度[5]。根據(jù)計(jì)算主成分特征值、方差及累積貢獻(xiàn)率(表4)，結(jié)果顯示特征值大于1的為前3個(gè)主成分，第一個(gè)主成分F1特征值λ1為3.806，第二個(gè)主成分F2特征值λ2為1.667，第三個(gè)主成分F3特征值λ3為1.082，對(duì)應(yīng)的方差依次為：54.373%、23.812%、15.462%，第一主成分的方差值較大，超過(guò)50%，第二和第三主成分的方差值相對(duì)較小，說(shuō)明本區(qū)地下水化學(xué)數(shù)據(jù)的收斂比較快，同時(shí)也表明影響該場(chǎng)地水質(zhì)的污染源具有復(fù)雜多樣性的特點(diǎn)。第一、第二和第三主成分累積方差貢獻(xiàn)率為93.648%，凸顯對(duì)變量的解釋能力非常好，因此前3個(gè)主成分(F1、F2、F3)包含了原始數(shù)據(jù)7個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的大多數(shù)信息，即提取3個(gè)主成分是合理的。

表4 特征值、方差及累積貢獻(xiàn)率

根據(jù)主成分特征值曲線的碎石圖(圖1)，前3個(gè)主成分特征值曲線相對(duì)比較陡峭，所以提取前3個(gè)主成分對(duì)原始變量的信息有較好的解釋力度；第四個(gè)主成分特征值λ4小于1，且該特征值后的曲線趨于平緩，說(shuō)明其解釋力度變?nèi)?。因此，確定主成分的數(shù)量為3個(gè)(F1、F2、F3)，可利用他們來(lái)評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)。

圖1 主成分碎石圖

2.4 初始因子載荷矩陣

初始因子載荷矩陣系數(shù)揭示水質(zhì)指標(biāo)和主成分之間的相關(guān)程度，用于比較不同主成分變量之間的變異程度。相關(guān)系數(shù)呈正值，表明其呈正相關(guān)；相關(guān)系數(shù)呈負(fù)值，表明其呈負(fù)相關(guān)；相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越接近1，相關(guān)程度越強(qiáng)，可作為地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的主要控制指標(biāo)[9-10]。主成分初始因子載荷矩陣結(jié)果顯示(表5)。

表5 主成分初始因子載荷矩陣

第一主成分F1：在F1具有較高載荷的主要水質(zhì)指標(biāo)為溶解性總固體(0.962)、氯化物(0.911)、高錳酸鹽指數(shù)(0.905)、硫酸鹽(0.649)，其方差貢獻(xiàn)率達(dá)54.373%，是區(qū)內(nèi)的主要影響因子。氯化物主要來(lái)源于海水入侵；高錳酸鹽指數(shù)主要來(lái)自于生活和工業(yè)排放的廢水；硫酸鹽主要來(lái)源于工業(yè)排放的廢水；溶解性總固體與氯化物、高錳酸鹽指數(shù)具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，溶解性總固體會(huì)隨著氯化物、高錳酸鹽指數(shù)濃度的增高而一同增高。F1屬于海水入侵、生活和工業(yè)等綜合污染因子。

第二主成分F2：在F2具有較高載荷的主要水質(zhì)指標(biāo)為硝酸鹽(0.679)、亞硝酸鹽(0.802)，其方差貢獻(xiàn)率達(dá)23.812%。硝酸鹽、亞硝酸鹽主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用農(nóng)藥化肥、生活污水、 生活垃圾等，F(xiàn)2屬于農(nóng)業(yè)生活污染因子。

第三主成分F3：在F3具有較高載荷的主要水質(zhì)指標(biāo)為氨氮(-0.797)，其方差貢獻(xiàn)率達(dá)23.812%。氨氮主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用農(nóng)藥化肥、生活污水、 生活垃圾等，F(xiàn)3屬于農(nóng)業(yè)生活污染因子。

表6 F值綜合得分

2.5 主成分表達(dá)式建立及水質(zhì)評(píng)價(jià)

各個(gè)主成分的得分Fi由標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)ZXi乘以每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的系數(shù)K確定，每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的系數(shù)K由主成分初始因子載荷矩陣系數(shù)除以主成分對(duì)應(yīng)特征值平方根得到，各個(gè)主成分得分表達(dá)式為：

F1=0.493 106ZX溶解性總固體+0.332 667ZX硫酸鹽+0.466 965ZX氯化物+0.463 889ZX高錳酸鹽指數(shù)

F2=0.525 899ZX硝酸鹽+ 0.621 164ZX亞硝酸鹽

F3=-0.766 204ZX硝酸鹽

由各個(gè)主成分表達(dá)式及特征值λ1=3.806、λ2=1.667、λ3=1.082確定綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)[9-11]：

F=[λ1/(λ1+λ2+λ3)] F1+[λ2/(λ1+λ2+λ3)] F2+[λ3/(λ1+λ2+λ3)] F3=0.580 625F1+0.254 310F2+0.165 065F3

由上述公式，計(jì)算得到研究區(qū)9個(gè)采樣點(diǎn)的主成分得分和綜合得分，結(jié)果見(jiàn)表6。依據(jù)綜合得分的大小定量描述水質(zhì)的污染程度，綜合得分越高，水質(zhì)污染越嚴(yán)重，由此可對(duì)采樣點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行排序，由優(yōu)至劣為SY01>SY09>SY04>SY01>SY07>SY05>SY08>SY03>SY06>SY02。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究以福建某濱海場(chǎng)地地下水為研究對(duì)象，選取7個(gè)水質(zhì)指標(biāo)運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行分析，得到綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)運(yùn)用主成分分析法可以將7個(gè)水質(zhì)指標(biāo)綜合為3個(gè)主成分進(jìn)行解釋，累積方差貢獻(xiàn)率為93.648%，第一主成分的方差值54.373%較大，第二主成分的方差值23.812%和第三主成分的方差值15.462%相對(duì)較小，說(shuō)明影響水質(zhì)的污染源具有復(fù)雜多樣性的特點(diǎn)，3個(gè)主成分包含了原始數(shù)據(jù)的大多數(shù)信息，可利用他們來(lái)評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)。

(2)分析初始因子載荷矩陣系數(shù)結(jié)果顯示：主成分F1控制指標(biāo)為溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、高錳酸鹽指數(shù)；主成分F2控制指標(biāo)為硝酸鹽、亞硝酸鹽；主成分F3控制指標(biāo)為氨氮。

(3)通過(guò)確定綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算得到各個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)綜合得分，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，水質(zhì)由優(yōu)至劣順序?yàn)镾Y01>SY09>SY04>SY01>SY07>SY05>SY08>SY03>SY06>SY02。