主成分分析法評價汕頭境內主飲用水源地水質

陳澤榕

（廣東省水文局汕頭水文分局，廣東 汕頭 515041）

1 概述

水質評價的核心是水質評價方法，當前主流的水質分析評價方法有單因子評價法、綜合水質標識指數(shù)評價法、人工神經網絡評價法、模糊數(shù)學綜合評價法、灰色系統(tǒng)評價法等等[1～4]。

單因子評價法是當前國標使用的分析評價方法[5]，評價計算過程簡單直觀，直接從監(jiān)測數(shù)據指標中篩選出最差的單項指標對應的水質類別作為水體的最終水質類別，判斷水體水質是否達標，但是水體的污染情況和污染程度是受多種污染物指標共同影響的，不能簡單一概而論，所以其科學合理性值得商榷。因此，選擇一種能全面客觀反映各種污染指標對水體水質真實影響的分析方法作為國標單因子評價法的補充是非常必要的。

主成分分析法可以綜合考慮各種影響因子的影響，在最大程度保留各種監(jiān)測指標信息的基礎上，將多維因子通過降維納入同一體系，簡化數(shù)據結構，將繁多的原始指標轉化成少量綜合指標進行評價，從根本上避免了少數(shù)污染指標對水質類別的決定性影響，合理客觀地賦予各個污染指標權重，使最終評價結果更加科學準確[6、7]。

2 汕頭境內主要飲用水源地水質評價

2.1 監(jiān)測斷面及監(jiān)測指標的確定

韓江是汕頭近560 萬人口的主要飲用水源，關系到汕頭經濟社會的穩(wěn)定和發(fā)展，因此本文選取韓江汕頭境內7 個主要水源地監(jiān)測斷面2019 年水質監(jiān)測指標進行分析研究，7 個主要水源地監(jiān)測斷面分別為南社、庵埠水廠、澄海東部水廠、澄海第二水廠、澄海第一水廠、秋風嶺水庫和河溪水庫。同時結合實際污染物指標的情況，選取高錳酸鹽指數(shù)、六價鉻、溶解氧、氨氮、五日生化需氧量、糞大腸菌群、氟化物、總磷、銅、鋅10 個最具代表性的水質監(jiān)測指標進行統(tǒng)計（見表1）。

2.2 監(jiān)測數(shù)據的標準化處理

由于溶解氧的濃度和水質呈負相關關系，即溶解氧越小水質越差。因此，需要對溶解氧指標進行正向化處理，并將處理后的數(shù)據與其他監(jiān)測數(shù)據一起進行標準化處理（見表2）。

2.3 主要計算結果及分析

本文采用spss statistics 17.0軟件對上述指標進行主成分分析，并對得到的相關結果進行分析，10項原始指標的相關系數(shù)矩陣見表3，特征值、方差貢獻率及累計貢獻率見表4。由表3可知，大多數(shù)污染物指標之間存在較大的相關系數(shù)（即相關系數(shù)絕對值大于或等于0.3），例如高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量、氨氮、糞大腸菌群、氟化物、銅、鋅和總磷的相關性分別達到0.858、0.705、0.676、0.717、0.718、0.511和0.818，由此得出許多變量之間具有很強的相關性，表明其反映的信息存在重疊，適宜進行主成分分析。依據特征值大于1的篩選原則，由表4可知，只有主成分1和主成分2的特征根大于1，分別為6.586和2.326，方差貢獻率為65.862%和23.261%，累計方差貢獻率已達89.123%，符合累計方差貢獻率大于85%的要求，這說明前兩個主成分已經反映了89.123%的變量信息，可以確定主成分的個數(shù)為2。

表1 各評價斷面2019年水質監(jiān)測數(shù)據平均值

表2 標準化處理后的數(shù)據

表3 10項原始指標的相關系數(shù)矩陣

表4 特征值、方差貢獻率及累計貢獻率

各水質監(jiān)測指標主成分載荷矩陣見表5。由表5可以看出，在方差貢獻率為65.862%的第1主成分中，六價鉻、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、糞大腸菌群、氟化物、銅和總磷均有較高的載荷，說明這些原始污染指標主要反映在第1主成分中。其中，高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量和氨氮為水體有機污染物指標，糞大腸菌群、氟化物、銅和總磷為無機有毒害污染物指標，綜合表明水體主要受到工業(yè)廢污水、生活污水和農業(yè)養(yǎng)殖污水的共同影響。同理，在第2主成分中溶解氧、五日生化需氧量和氨氮均顯示出較高載荷，反映出有機污染特征，說明其受到工業(yè)廢污水的影響。

表5 各水質監(jiān)測指標主成分載荷矩陣

根據表5中各水質監(jiān)測指標的主成分載荷系數(shù)以及其對應的表4 中第1 和第2 主成分對應特征值計算可得到主成分1（F1）、主成分2（F2）以及綜合評價函數(shù)F的表達式如下：

通過表達式（1）～（3）計算各水質監(jiān)測斷面2019年的主成分得分和水污染綜合得分，進而定量化描述所監(jiān)測斷面水質污染程度，結果見表6，分值越高，水質越差，污染越嚴重。

評價結果可知，2019年汕頭境內主要飲用水源地水質監(jiān)測斷面污染程度綜合排序為秋風嶺水庫＜河溪水庫＜澄海第二水廠＜庵埠水廠＜澄海第一水廠＜南社＜澄海東部水廠＜北溪橋，與2019年度常規(guī)監(jiān)測的結果基本相符。

表6 各監(jiān)測斷面主成分得分及排序

2.4 主成分分析法和單因子指數(shù)法的比對

將10 個評價指標按照《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中各級水質類別對應的上限值進行上述主成分分析法計算可得各級水質的綜合得分（見表7），其中由于河流和水庫總磷的評價上限值不同需要分開計算，最后根據表6 中各監(jiān)測斷面的綜合得分確定相應的水質類別并與通過單因子指數(shù)評價的水質類別進行對比（見表8）。

表7 各級水質的綜合得分

表8 兩種評價方法綜合評價結果表

由表8 可知，澄海第一水廠、澄海第二水廠、河溪水庫和秋風嶺水庫這4個斷面的水質類別用兩種分析方法評價的結果是一致的。而庵埠水廠和南社斷面由于糞大腸菌群檢測濃度值分別位于Ⅲ類水濃度區(qū)間中距離上限值僅29%和6%的位置，均逼近Ⅲ類水上限，因此主成分分析法在充分考慮糞大腸菌群的濃度值在Ⅲ類水濃度區(qū)間中所在位置情況后判定這兩個斷面均為Ⅳ類水質；澄海東部水廠和北溪橋雖然糞大腸菌群的檢測濃度值超過Ⅴ類水的標準限值，但是考慮到澄海東部水廠和北溪橋斷面除糞大腸菌群的水質類別為劣Ⅴ類外，其他水質檢測指標的水質類別均低于Ⅰ類水和Ⅱ類水的標準限值，因此主成分分析法在全方面科學考慮各個檢測指標的實際情況后判定這兩個水質監(jiān)測斷面的水質類別為Ⅴ類。

3 結論和建議

由以上分析評價過程可知，主成分分析法通過數(shù)學方法對水質評價因子進行降維處理，并在簡化變量的同時最大限度地保留原有變量所反映的污染物的信息，充分考慮各種水質監(jiān)測指標對水體污染的貢獻程度，評價結果比只采用最差因子賦全權的單因子指數(shù)法評價出來的結果更能科學合理地反映監(jiān)測水體水質的真實情況。

不過如果檢測因子的濃度位于類別濃度區(qū)間的上限，用主成分分析法計算分析后傾向于將水質類別判定高一個類別，雖然其綜合考慮到各檢測項目之間的影響因素，但是與目前通過的國標單因子評價法判定的水質類別有所差異。因此，在判定水體水質類別和污染情況時，將主成分分析法與單因子指數(shù)法結合起來共同分析判定，必將得到更為客觀全面的評價結果。

根據上述評價結果可知，目前汕頭境內飲用水源地水質大體良好，水質超標斷面主要的污染指標均為糞大腸菌群，河流斷面糞大腸菌群超標主要是受沿岸城鄉(xiāng)生活污水、農田施肥使用的人畜糞便以及河流兩岸的生活垃圾未經處理直排到河流的綜合影響，從而使糞大腸菌群的濃度維持在高位，影響水質類別的綜合判定。因此，政府各相關職能部門因出臺相應的法律法規(guī)，并加大飲用水源地水污染綜合執(zhí)法力度，切實保障汕頭近560 萬人口的飲用水安全。