基于主成分分析法的汾河運(yùn)城段水質(zhì)評價

高丹丹，趙麗婭，李 成，程 暢

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430062)

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基于主成分分析法的汾河運(yùn)城段水質(zhì)評價

高丹丹，趙麗婭*，李 成，程 暢

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430062)

[目的]評價汾河運(yùn)城段水質(zhì)情況。[方法]運(yùn)用主成分分析法(PCA)對2015年汾河運(yùn)城段的水質(zhì)進(jìn)行評價。[結(jié)果]在選取的4個指標(biāo)PH、COD、DO和NH3-N中，NH3-N為主要污染因子；在全年45個監(jiān)測周中，水質(zhì)情況總體表現(xiàn)為豐水期優(yōu)于枯水期。[結(jié)論]汾河運(yùn)城段水質(zhì)處于國家劣V類，須采取相應(yīng)的手段控制污染，改善水質(zhì)。

主成分分析；綜合評價；汾河；水質(zhì)參數(shù)

目前，水環(huán)境評價越來越受到人們的重視，如何客觀、科學(xué)地評價水環(huán)境成為研究的熱點(diǎn)之一。有關(guān)水質(zhì)評價的方法很多，如簡單指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、模糊聚類分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、概率統(tǒng)計法等[1]。雖然運(yùn)用這些方法可以對水質(zhì)進(jìn)行較好的評價，但由于水體系統(tǒng)受多種污染指標(biāo)的影響，使得上述方法都存在一定局限性。因此，筆者采用一種多元統(tǒng)計的方法——主成分分析法(PCA)，對汾河山西運(yùn)城段的水質(zhì)進(jìn)行評價分析，旨在為汾河水質(zhì)的改善提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源研究數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心，選取2015年汾河山西運(yùn)城段共52周的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要監(jiān)測數(shù)據(jù)有pH、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(NH3-N) 4個指標(biāo)。由于在2015年汾河有7周是斷流情況，因此實際監(jiān)測時間為45周(表1)。

表1　2015年汾河運(yùn)城段水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)

1.2主成分分析法

1.2.1基本原理。主成分分析方法[2]的核心思想就是進(jìn)行降維，在最大限度地保留原始數(shù)據(jù)的前提下，將原始數(shù)據(jù)綜合成少數(shù)幾個綜合指標(biāo)。這些指標(biāo)是原始數(shù)據(jù)的線性組合，且彼此互不相關(guān)。利用這少數(shù)的綜合指標(biāo)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀評價，具有化繁為簡的作用，更加便于評價。但是，為使降維后的指標(biāo)能更好地代表原始數(shù)據(jù)，筆者提取前幾個方差累積貢獻(xiàn)率大于80%的主成分進(jìn)行分析。

1.2.2主成分分析主要步驟。①對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。為了使原始數(shù)據(jù)具有可比性，先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，消除量綱帶來的影響。②計算協(xié)方差矩陣。③利用協(xié)方差矩陣，計算相應(yīng)的特征值和特征向量。④計算貢獻(xiàn)率、累積貢獻(xiàn)率及確定主成分的個數(shù)。⑤計算綜合主成分值，并進(jìn)行綜合評價與分析[3]。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計為了消除4個指標(biāo)的量綱帶來的影響，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[4]。整個過程運(yùn)用軟件SPSS 22.0完成。

2　結(jié)果與分析

2.1計算相關(guān)系數(shù)矩陣運(yùn)用SPSS軟件可以快速得出4個評價指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣[5](表2)。由表2可知，4個指標(biāo)中COD、DO和NH3-N間有較強(qiáng)的相關(guān)性，其中COD和NH3-N間的關(guān)系最緊密。

表2　相關(guān)系數(shù)矩陣

2.2計算特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率計算出協(xié)方差矩陣后，可以通過協(xié)方差矩陣計算每個主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率。

由表3可知，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)60.126%，這說明第1主成分對原始數(shù)據(jù)有很好的反映，再加上第2主成分的方差貢獻(xiàn)率，前2個主成分的方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到82.064%，已經(jīng)超過了80.000%。因此，筆者認(rèn)為前2主成分已經(jīng)能夠代表原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息。因此，確定主成分的個數(shù)為2。

表3　特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率Table 3　Eigenvalue，contribution rate and cumulative contribution rate

2.3各主成分得分和綜合得分先利用SPSS計算出因子載荷矩陣(表4)，然后利用各主成分在各變量上的載荷和各變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，可以求出第1主成分和第2主成分的得分，然后再以各主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，間接計算出各因子的綜合得分(表5)[6]。

表4　因子載荷矩陣

由表4可知，在第1主成分中，COD、DO和NH3-N與主成分的相關(guān)性較高，NH3-N的絕對值最大，而且第1主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，是第2主成分方差貢獻(xiàn)率的幾倍。因此，可以判斷出NH3-N是主要污染因子。

表5　綜合得分及排序

各主成分得分與貢獻(xiàn)率的乘積即為綜合得分Z，計算得Z=0.733Z1+0.267Z2。利用SPSS求出每個主成分得分，然后將其帶入綜合得分公式中，求得每周水質(zhì)評價的綜合得分，然后根據(jù)得分大小對其進(jìn)行排序，可以得出2015年汾河水質(zhì)最差的時期和水質(zhì)相對較好的時期(表5)。

由表5可知，2015年汾河運(yùn)城段監(jiān)測的45周中，水質(zhì)最好的前10位依次為第38周、第18周、第37周、第17周、第40周、第28周、第19周、第16周、第21周、第23周；水質(zhì)最差的前10位依次為第9周、第10周、第8周、第11周、第1周、第2周、第51周、第52周、第6周、第5周?？傮w來看，水質(zhì)較差的時期主要集中在枯水期，水質(zhì)較好的時期主要集中在豐水期。一般情況下，在河流不受外界工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)污染和生活污染的情況下，枯水期的水質(zhì)要優(yōu)于豐水期。但是，由于研究地區(qū)的生活污水及工農(nóng)業(yè)廢水的綜合處理能力較差，超標(biāo)超量地排放導(dǎo)致水體惡化，在枯水期水量小，流速慢，因而對污染物的稀釋作用較差。豐水期的水流量大，水流速快，對水質(zhì)起到了稀釋的作用，實際上是將污染物帶至下游水域。

3　結(jié)論

主成分分析法可使原本復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單化，將復(fù)雜的水質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)的綜合指標(biāo)，為水環(huán)境評價提供了一種簡單易行的方法[7]。通過對2015年汾河運(yùn)城段的水質(zhì)進(jìn)行評價，可以得出NH3-N是主要污染因子，COD和DO的污染也較嚴(yán)重。對全年45周的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)豐水期的水質(zhì)要普遍較枯水期好。根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，該監(jiān)測斷面全年處于國家劣Ⅴ類水質(zhì)，NH3-N和COD含量超過國家Ⅴ類水質(zhì)濃度限值數(shù)倍，DO含量也不容樂觀，難以滿足該水質(zhì)的功能區(qū)劃，基本喪失了水體的使用功能。這使得沿岸的村民飲水和農(nóng)業(yè)灌溉只能依靠地下水，給人們帶來了巨大不便[8]。該河段污染的原因，除了汾河本身沒有徑流外，主要是因為當(dāng)?shù)氐纳钗鬯幚韽S能力不足，大量生活污水直接排入河道，隨著餐飲業(yè)和工業(yè)的發(fā)展，大量未經(jīng)處理的廢水直接或間接排入河道，導(dǎo)致原本已惡化的水質(zhì)問題更加嚴(yán)重。因此，為了能夠使水質(zhì)得到改善，須嚴(yán)格控制汾河流域污染物的排放總量，嚴(yán)禁偷排和超標(biāo)超量排放污染物；禁止在飲用水源地新建或擴(kuò)建污染項目，需從源頭治理污染；提升城市污水處理能力，使污水處理達(dá)標(biāo)后排放。

[1] 吉祝美，萬里，張俊，等.主成分分析法在spss軟件中的操作及河流水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境研究與監(jiān)測，2012，25(4)：68-73.

[2] 伊元榮，海米提·依米堤，王濤，等.主成分分析法在城市河流水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].干旱區(qū)研究，2008，25(4)：497-501.

[3] 劉小楠，崔巍.主成分分析法在汾河水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].中國給水排水，2009，25(18)：105-108.

[4] 魯斐，李磊.主成分分析法在遼河水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006，12(10)：660-662.

[5] 周廣峰，劉欣.主成分分析法在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)論，2011，30(1)：75-78.

[6] 劉琰，鄭丙輝，付青，等.水污染指數(shù)法在河流水質(zhì)評價中的應(yīng)用研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(3)：49-55.

[7] 徐明德，盧建軍，李春生.汾河太原城區(qū)段支流水質(zhì)評價[J].中國給水排水，2010，26(2)：105-108.

[8] 徐明德，李平.汾河太原城區(qū)段的水質(zhì)調(diào)查與分析[J].中國給水排水，2005，21(4)：102-104.

Evaluation of Water Quality in the Yuncheng Section of Fenhe River Based on Principal Component Analysis

GAO Dan-dan, ZHAO Li-ya*, LI Cheng et al

(Faculty of Resources and Environmental Science, Hubei University, Wuhan, Hubei 430062)

[Objective] To evaluate water quality in the Yuncheng section of Fenhe River. [Method] Water quality in the Yuncheng section of Fenhe River in 2015 was evaluated by using principal component analysis (PCA). [Result] Among the four indicators including pH, COD, DO and NH3-N, NH3-N was the main pollution factor. In the 45 monitoring weeks in 2015, the water quality in the wet season was generally better than that in the dry season. [Conclusion] Water quality in the Yuncheng section of Fenhe River was worse than Grade V, so it is needed to adopt corresponding measures to control water pollution and improve water quality.

Principal component analysis; Comprehensive evaluation; Fenhe River; Water quality parameter

湖北省教育廳重點(diǎn)項目(D2015003)；湖北省科技廳軟科學(xué)專項(2013BDF034)。

高丹丹(1990- )，女，山西大同人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境地理。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境生態(tài)、環(huán)境規(guī)劃及生態(tài)補(bǔ)償研究。

2016-06-08

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0517-6611(2016)23-069-03