基于主成分分析法的清河水庫水質(zhì)分析及評價

栗 佳

(遼寧省清河水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112003)

0 引 言

科學(xué)合理的對水環(huán)境進(jìn)行綜合開發(fā)利用和管理，是解決水資源短缺的重要研究課題，而對水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行客觀全面的評價，是水環(huán)境開發(fā)利用、管理和保護(hù)的重要的基礎(chǔ)[2]。目前常用的的水環(huán)境質(zhì)量評價方法包括單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價法、主成分分析法等[3]。而主成分分析法可以將多維度變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)化到低維空間處理，使評價對象變得簡單直觀，最大程度的保證評價結(jié)果的客觀性，又可以提供原有指標(biāo)的絕大部分信息，因此在水環(huán)境評價中具有廣泛的應(yīng)用[4]。胡艷玲等人采用主成分分析法對農(nóng)村生活飲用水水質(zhì)進(jìn)行評價，使評價的結(jié)果更符合實際[5]。廖寧等人基于主成分分析建立了紫坪鋪水庫營養(yǎng)評價方法，相對于常規(guī)綜合營養(yǎng)狀態(tài)法，評價結(jié)果更為客觀、可靠[6]。因此，文章在對清河水庫水質(zhì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用主成分分析法對清河水庫水質(zhì)進(jìn)行綜合評價[1-7]。

1 清河水庫水質(zhì)分析與評價

1.1 清河水庫概況

清河水庫是遼河中游左側(cè)一級支流-清河干流上一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大(2)型水庫。水庫利用為多年調(diào)節(jié)，按千年一遇洪水設(shè)計，萬年一遇洪水校核。壩址以上控制流域面積2376 km2，河道長129.1km，河道平均比降3.1‰，水庫設(shè)計總庫容9.71億m3，其中興利庫容5.74億m3，防洪庫容5.05億m3，死庫容0.56億m3。原設(shè)計階段，水庫的任務(wù)是防洪和農(nóng)業(yè)灌溉為主，為純農(nóng)業(yè)供水水庫，設(shè)計灌溉面積為2.9×104hm2，供水量為3.96億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫。隨著周邊地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，水庫的任務(wù)現(xiàn)在調(diào)整為主要承擔(dān)農(nóng)業(yè)灌溉、防洪及保證工業(yè)(清河電廠)供水，具有多種綜合效益。

1.2 清河水庫水質(zhì)分析

1.2.1 數(shù)據(jù)資料

采用的數(shù)據(jù)來自于2007—2018年省直水庫及國家、省重要飲用水水源地監(jiān)測成果表，監(jiān)測單位為遼寧省水環(huán)境監(jiān)測中心鐵嶺分中心，主要的水質(zhì)參數(shù)及控制斷面如表1所示。

表1 主要水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)

1.2.2 水質(zhì)分析

根據(jù)清河水庫水質(zhì)監(jiān)測成果，對2007—2015年的主要水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。分析結(jié)果見表2。

表2 水庫主要監(jiān)測指標(biāo)分析

由表2分析可知水庫水質(zhì)的主要檢測指標(biāo)中，總氮已經(jīng)連續(xù)多年超標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)對清河水庫2016年—2018年的總氮濃度庫區(qū)變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1、圖2、圖3。

圖1 2016年總氮濃度變化規(guī)律

圖2 2017年總氮濃度變化規(guī)律

圖3 2018年總氮濃度變化規(guī)律

由圖1、圖2和圖3可以看出：總氮濃度在入庫口、庫中及壩前三個監(jiān)測點隨時間的變化規(guī)律基本一致，在入庫口的監(jiān)測值最高，其次是庫中，壩前的監(jiān)測值最低，其個別月份有例外，這也從側(cè)面驗證了水庫本身作為一個生態(tài)系統(tǒng)，具有一定的自我調(diào)節(jié)能力；但是從入庫口的總氮濃度就已嚴(yán)重超過國家地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；對2007年—2018年清河水庫入庫口監(jiān)測斷面的總氮監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，在12年的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，總氮監(jiān)測濃度在入庫口就超標(biāo)，其監(jiān)測值從 1.34-7.91mg/L，超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)15.82倍。可見上游來水總氮濃度過高是庫區(qū)水質(zhì)總氮超標(biāo)的原因。

2 清河水庫水質(zhì)評價

2.1 方法及原理

主成分分析的步驟如下：

步驟1：原始數(shù)據(jù)矩陣X(n×p)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到新的數(shù)據(jù)矩陣：

Y=(yij)n×p

(1)

步驟2：標(biāo)準(zhǔn)化后，建立p個變量的系數(shù)矩陣R：

R=(rij)p×p

(2)

(3)

步驟3：計算相關(guān)矩陣R的特征值λ1≥λ2≥L≥λp，并按從大到小順序排列；求出與各個特征值對應(yīng)的特征向量u1，u2，L，up。

步驟4：求出貢獻(xiàn)率em和累計貢獻(xiàn)率Em。

(4)

(5)

步驟5：計算主成分荷載Zm(主成分與變量之間的相關(guān)系數(shù))。

(6)

步驟6：確定主成分Fi(i=1,2….,p)的表達(dá)式。

步驟7：根據(jù)主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)確定綜合得分函數(shù)。

(7)

2.2 水質(zhì)評價

2.2.1 水質(zhì)評價的主成分分析

為了消除原始水質(zhì)數(shù)據(jù)量綱及數(shù)量級的影響，在進(jìn)行主成分分析之前，首先采用SPSS軟件將指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化處理，并對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。處理后發(fā)現(xiàn)溶解氧、高錳酸鉀指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮(NH3-N)、總磷、總氮、揮發(fā)酚和石油類這9項監(jiān)測指標(biāo)在置信度為0.95下具有很好的相關(guān)性，因此可以采用主成分分析方法進(jìn)行處理。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣，求出對應(yīng)的特征值和貢獻(xiàn)率，計算結(jié)果列于表3。

表3 主成分特征值和貢獻(xiàn)率

從表3可以看出，前三個主成分的特征值均>1，且它們的方差貢獻(xiàn)率累計達(dá)到84.925%，說明這三個主成分反映了原始變量提供的84.925%的信息，根據(jù)綜合評價的需要，選取前三個主成分代替原來的9個變量指標(biāo)。

表4 主要主成分荷載矩陣

通過計算前三個主成分的荷載矩陣(表4)可知，溶解氧、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、揮發(fā)酚這4個指標(biāo)在第一主成分中具有較大荷載，說明第一主成分中主要反映了這4個指標(biāo)的信息；在第二主成分中，高錳酸鉀指數(shù)和總氮具有較大荷載；第三主成分中，氨氮和石油類具有較大的荷載。從而確定主成分的表達(dá)式：

F1=0.793x1-0.515x2+0.793x3+0.883x4+
0.449x5+0.654x6-0.492x7-0.291x8+0.83x9

(8)

F2=0.49x1+0.774x2+0.49x3+0.388x4+
0.045x5-0.094x6+0.73x7-0.361x8-0.512x9

(9)

F3=-0.014x1-0.078x2-0.014x3-0.051x4+
0.691x5+0.158x6+0.414x7+0.795x8-0.178x9

(10)

以各主成分對應(yīng)的方法貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)建立綜合得分函數(shù)：

F=0.516F1+0.283F2+0.2F3

(11)

根據(jù)主成分得分函數(shù)和綜合得分函數(shù)以及所獲取的2016年—2018年3年的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計算36個月水質(zhì)的各因子得分和綜合得分。結(jié)合《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，將相同的各個水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)值按上述方法計算，得出各級水質(zhì)的綜合得分，見表5，從而能確定各個月份的水質(zhì)等級。

表5 水質(zhì)等級綜合評分評定表

由表5的水質(zhì)等級綜合評定表，可得2016年—2018年清河水庫水質(zhì)綜合評價結(jié)果，如表6所示。

表6 綜合評定結(jié)果表

由表6分析可知：清河水庫2016年—2018年36個月中，Ⅱ類水達(dá)標(biāo)率為38.9%。其中2016年Ⅱ類水達(dá)標(biāo)率25.0%，2017年Ⅱ類水達(dá)標(biāo)率58.3%，2018年Ⅱ類水達(dá)標(biāo)率25.0%，呈現(xiàn)倒“V”型發(fā)展。除2016年4月、2016年9月和2017年2月三個月份，壩前水質(zhì)惡化為Ⅳ類水質(zhì)之外。水庫整體水質(zhì)滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語

在對清河水庫水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用主成分分析法構(gòu)建的水質(zhì)綜合評分模型，對清河水庫的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價，評價結(jié)果表明：2016年—2018年清河水庫水質(zhì)狀況整體狀況基本滿足地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；但是對水庫單一指標(biāo)的分析結(jié)果表明：水庫的總氮濃度超標(biāo)嚴(yán)重，建議應(yīng)加強庫區(qū)上游工業(yè)廢水和生活污水排放的管理；同時針對清河流域的農(nóng)業(yè)面源污染加強控制。通過減少污染物排放量和增加清河流量的方法，加快總氮的降解速度，從而使清河水庫的水質(zhì)管理起到更好的效果，為供水任務(wù)的完成提供有力保障。