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        基于主成分分析法的水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)

        2024-02-27 05:25:26許文博陳振宙
        陜西水利 2024年2期
        關(guān)鍵詞:水質(zhì)

        許文博,楊 旭,陳振宙

        (黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

        水是生命之源,在人類的生產(chǎn)、生活中起著至關(guān)重要的作用,水資源的開(kāi)發(fā)、利用及保護(hù)深深影響著人類社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著人民生活水平不斷提高以及經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人們對(duì)用水安全及用水保障的要求不斷提高,對(duì)優(yōu)質(zhì)水資源的保障更為關(guān)注[1]。但隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),也造成了一定的水環(huán)境污染,對(duì)人們的用水安全造成威脅,因此保護(hù)水資源變得尤為重要。針對(duì)水庫(kù)水資源保護(hù)工作的有效開(kāi)展,對(duì)水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)是非常有必要的,對(duì)水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析可以了解水庫(kù)整體的水體質(zhì)量狀況,并為水庫(kù)水資源開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)提供基礎(chǔ)支撐。

        常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有模糊綜合評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、集對(duì)分析法等等。湯玉強(qiáng)[2]等采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)北戴河國(guó)家濕地公園水質(zhì)進(jìn)行研究分析,驗(yàn)證了內(nèi)梅羅指數(shù)法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的適用性。林濤[3]等采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法對(duì)近幾年珠江口水系的水質(zhì)變化進(jìn)行分析,結(jié)果表明綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法在大流域水質(zhì)評(píng)價(jià)中具有優(yōu)勢(shì)。莊清[4]等使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法驗(yàn)證了磨盤山水庫(kù)水質(zhì)等級(jí)為Ⅰ級(jí)。馮莉莉[5]等研究了集對(duì)分析法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用,并使用該方法對(duì)大明湖水質(zhì)進(jìn)行分析。水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有很多,每個(gè)評(píng)價(jià)方法都有其相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),但也會(huì)存在著不足,如模糊綜合評(píng)價(jià)法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法處理數(shù)據(jù)花費(fèi)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),工作量比較大,集對(duì)分析法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中也存在一定的不足,當(dāng)某個(gè)水質(zhì)指標(biāo)濃度越大,其對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)也越大,導(dǎo)致最終的水質(zhì)等級(jí)受該指標(biāo)的影響較大。主成分分析法可以從很多變量中篩選出主要污染因子,用較少的新的綜合變量代替原來(lái)較多的變量,并且這些新的綜合變量可以盡可能多的保持原有的信息,從而減少了工作的復(fù)雜性,另外,此方法能更客觀地確定各水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重,避免主觀隨意性。使用該方法可以較直接地看出水質(zhì)的變化情況,客觀的反映水體的質(zhì)量狀況。為水污染治理提供一定的參考價(jià)值[6-7]。

        目前,我國(guó)已經(jīng)把生態(tài)文明建設(shè)擺在更加突出的位置,水生態(tài)文明建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)重要的一環(huán)[8]。在這一背景下,加強(qiáng)水體的質(zhì)量狀況研究是非常有必要的。本文以黃壁莊水庫(kù)為研究對(duì)象,基于主成分分析方法,對(duì)其水體的質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,從而為水庫(kù)的綜合利用及治理提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        黃壁莊水庫(kù)坐落于河北省石家莊市鹿泉區(qū)黃壁莊村附近的黃壁莊村滹沱河干流上,黃壁莊水庫(kù)為大型水利樞紐工程,對(duì)黃壁莊村的發(fā)展乃至石家莊的發(fā)展起著重要的作用,其主要作用為防洪,同時(shí)可以為城市提供用水,為農(nóng)業(yè)提供灌溉以及進(jìn)行發(fā)電等功能。黃壁莊水庫(kù)處于滹沱河干流的出口處,總庫(kù)容為12.10 億m3,水面面積比較大,屬于寬淺型水庫(kù)。此外,庫(kù)區(qū)附近有著較多的村落以及廠礦企業(yè),給庫(kù)區(qū)的水生態(tài)保護(hù)造成很大的挑戰(zhàn)[9]。

        1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

        以2018 年1 月~12 月黃壁莊水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),選取溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、糞大腸菌群7 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)[10],并基于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)[11]中的5 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值,進(jìn)行水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)分析。

        1.3 主成分分析方法

        1.3.1 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

        因水質(zhì)指標(biāo)具有不同的量綱和數(shù)量級(jí),因此將DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP、TN、糞大腸菌群及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中5 類水質(zhì)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理,見(jiàn)式(1)。

        式中:xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo);、vj分別是第j個(gè)指標(biāo)的樣本均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差,i=1,2,…,n;j=1,2,…m。

        1.3.2 建立相關(guān)系數(shù)矩陣R

        相關(guān)系數(shù)矩陣中兩項(xiàng)指標(biāo)間數(shù)值的絕對(duì)值越接近于1,表明兩項(xiàng)指標(biāo)間存在越強(qiáng)的相關(guān)性,通過(guò)主成分分析所取得的效果越好。并結(jié)合KMO 和巴特利特檢驗(yàn)來(lái)判斷指標(biāo)間的相關(guān)性程度。一般而言,KMO 的值應(yīng)大于等于0.6,顯著性(Sig)值應(yīng)小于等于0.05,能夠表明各因素之間的相關(guān)性程度較高,通過(guò)主成分分析方法得出的結(jié)果具有意義。

        相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rij)m×m

        式中:rij=rji,rij為第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù),(i,j=1,2,…m)。

        1.3.3 確定主成分及建立主成分得分表達(dá)式

        計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值i=(i,j=1,2,…m),得出i的方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率。其中,1≥2≥…≥m≥0。以特征值大于1 且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%為標(biāo)準(zhǔn)確定為主成分。

        分析成分矩陣,成分矩陣中載荷的大小反映了各水質(zhì)指標(biāo)與各主成分之間的相關(guān)性程度。其中,正值表示水質(zhì)指標(biāo)與主成分之間是正相關(guān)的關(guān)系,負(fù)值表示水質(zhì)指標(biāo)與主成分之間是負(fù)相關(guān)的關(guān)系,其數(shù)值的絕對(duì)值越接近1,說(shuō)明該水質(zhì)指標(biāo)與對(duì)應(yīng)的主成分的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。

        建立主成分得分表達(dá)式,見(jiàn)式(3)。其中,wij表示主成分中各變量的權(quán)重,可以基于式(4)建立得分系數(shù)矩陣。

        式中:Ti為第i個(gè)主成分;aij為成分矩陣中第i個(gè)主成分的第j個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)值。

        1.3.4 計(jì)算綜合得分

        綜合得分排名可以反映各月份的水質(zhì)狀況。利用主成分分析法所得出的綜合得分?jǐn)?shù)值越大,表明該月份水庫(kù)水質(zhì)相比較其他月份就越差。

        式中:T為綜合得分;Ci為第i個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率。

        上述計(jì)算步驟在SPSS 軟件中進(jìn)行。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 水庫(kù)水質(zhì)綜合分析

        2.1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

        對(duì)所選取的DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP、TN、糞大腸菌群及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中5 類水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,見(jiàn)表1。

        表1 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

        2.1.2 變量相關(guān)性檢驗(yàn)

        從 表2 可 以 看 出,DO 與CODMn、BOD5、NH3-N、TP及糞大腸菌群之間的相關(guān)性為負(fù)相關(guān),這是因?yàn)镃ODMn、BOD5、NH3-N 等水質(zhì)指標(biāo)均為耗氧性指標(biāo)[12]。CODMn與BOD5、NH3-N、TP 及糞大腸菌群之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,BOD5與NH3-N、TP 及糞大腸菌群之間也具有明顯的正相關(guān)性,大部分指標(biāo)之間存在著較強(qiáng)的相關(guān)性,適合應(yīng)用主成分分析法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)分析。

        表2 相關(guān)性系數(shù)矩陣

        從表3 可知,KMO=0.714>0.6,Sig.=0.000<0.05,各水質(zhì)指標(biāo)間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,運(yùn)用主成分分析進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)可以得到理想的結(jié)果。

        表3 KMO 和巴特利特檢驗(yàn)

        2.1.3 確定主成分及建立主成分得分表達(dá)式

        從表4 可知。成分1 及成分2 的特征值分別為5.588、1.022,對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率分別為79.833%、14.602%。成分1及成分2 的特征值均大于1 且累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.435%,說(shuō)明前兩個(gè)成分可以解釋原始數(shù)據(jù)的94.435%的信息,因此提取前兩個(gè)成分作為主成分進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)分析。

        表4 特征值及貢獻(xiàn)率

        表5 為成分矩陣,顯示了各水質(zhì)指標(biāo)在主成分1 及主成分2 上的載荷情況,綜合表4 與表5 可知,主成分1 的貢獻(xiàn)率為79.833%,DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP、糞大腸菌群在主成分1 中占有較高的載荷,表明主成分1 對(duì)水質(zhì)狀況的影響較大且主要反映水庫(kù)受有機(jī)物污染,TN 在主成分2 上的載荷較大,表明主成分2 主要反映水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況。

        表5 成分矩陣

        表6 為得分系數(shù)矩陣,并基于式(3)建立主成分得分表達(dá)式。

        2.2 水庫(kù)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

        基于式(5),計(jì)算出黃壁莊水庫(kù)1 月~12 月與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的五類水質(zhì)的綜合得分,并基于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中五類水質(zhì)的綜合得分判定水庫(kù)各月份的水體質(zhì)量狀況。從表7 中可以看出,基于主成分分析法清晰的反映出水庫(kù)各月份的水體質(zhì)量狀況:水質(zhì)達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)有1 月、2 月、3 月、4 月、5 月、6 月、11 月、12 月,共8 個(gè)月;7 月、9 月、10 月水質(zhì)狀況均為Ⅱ類;8 月份水質(zhì)類別為Ⅲ類。針對(duì)該水庫(kù)Ⅱ類水及Ⅲ類水主要集中在7 月~10 月,主要因?yàn)樵摰貐^(qū)夏季高溫多雨,水庫(kù)中藻類大量繁殖導(dǎo)致水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,以及庫(kù)區(qū)附近有較多的村落與廠礦企業(yè),對(duì)水庫(kù)水質(zhì)有一定影響,主要為水體的有機(jī)污染,應(yīng)采取針對(duì)性方案加強(qiáng)水庫(kù)水污染治理。

        表7 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

        3 結(jié)論

        (1)針對(duì)黃壁莊水庫(kù)水體質(zhì)量狀況問(wèn)題,采用主成分分析法對(duì)水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,客觀且清晰的反映出水庫(kù)各月份的水體質(zhì)量狀況,為水污染控制及治理提供依據(jù)。

        (2)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,2018 年該水庫(kù)水體質(zhì)量狀況良好,水庫(kù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Ⅰ類的有8 個(gè)月,水庫(kù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅱ類的有3 個(gè)月,水庫(kù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ類的有1 個(gè)月。

        (3)該水庫(kù)夏季水質(zhì)狀況相對(duì)較差,通過(guò)分析,水庫(kù)主要面臨富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題及水體有機(jī)污染,仍需采取有效措施加強(qiáng)水庫(kù)水質(zhì)的保護(hù)。

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