基于主成分分析法的現有水質評價體系改進探討

馬樂寬 謝陽村 溫 勖 路 瑞 續衍雪 白 輝#(.環境保護部環境規劃院，北京 000；.中廣電廣播電影電視設計研究院，北京 00045)

水環境質量的定量化客觀評價是水資源可持續利用的前提，是環境管理與決策的依據。我國關于地表水水質評價方法的研究較多，主要包括水質類別判定法、污染指數法和分級評分法。水質類別判定法即單因子評價法，其將斷面水質監測值與《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中限值進行比較，選取污染最嚴重指標的類別作為該斷面水質類別[1]。實際上，單因子評價法遵循一票否決原則。在當前水環境管理工作中，便采用單因子評價法對河流、湖庫斷面的水質進行評價。單因子評價法簡單、操作性強，但若對全指標進行單因子評價，則體現了過保護思想，不利于國家、地方環保部門作出科學的管理決策。因此，合理選擇評價指標對河流水質進行科學評價，已成為當前水環境管理的熱點和難點問題[2]。

近年來，隨著多元統計方法的發展，主成分分析法(PCA)已廣泛應用在水、大氣、土壤等環境介質的評價中[3]。PCA能從多個指標中篩選具有代表性的主成分指標，簡化數據結構，排除對水域環境功能影響較小的指標，使得單因子評價能更客觀、準確地反映河流水質[4]。本研究聯合應用PCA、單因子評價法，對全國河流斷面進行水質評價，并與單純的單因子評價結果進行對比分析，以期為流域水環境質量評價方法的改進提供參考。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與分析

2012年在全國主要河流布設765個國控河流斷面，分布于長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、西北諸河和西南諸河等10大流域。于每月5—10日采水樣1次?，F場及實驗室監測指標為pH、DO、高錳酸鹽指數、COD、BOD5、氨氮、TP、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、鉻、鉛、氰化物、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物等21個指標。水樣采集按《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)進行，水質理化指標測定按文獻[5]進行。

1.2 PCA

PCA的基本思想是認為在眾多有相關性的指標間必然存在著起支配作用的主要指標，通過對原始變量相關矩陣內部結構關系的研究，可找出影響水環境質量的主要指標，刪除部分次要指標，抓住了造成污染的主要成因[6-10]。PCA篩選主要指標的具體操作步驟如下：(1)輸入樣本矩陣，將成本型指標正向化；(2)將樣本矩陣標準化；(3)求標準化矩陣的特征值及特征向量；(4)建立主成分，按照累積方差貢獻率>60%的準則，確定主成分個數及指標；(5)計算各指標在不同主成分上的載荷量，載荷量越大，說明該指標對評價結果的影響越大，可認為對應的指標越重要。

2 結果和討論

2.1 河流主要污染指標

由于pH、DO影響不大，之后的研究主要集中考察其余的19個水質指標。用SPSS軟件將19個水質指標數據進行Z-Score標準化，并對標準化后的數據進行相關性分析。由表1可見，高錳酸鹽指數和多數指標呈現較好的相關性，其與COD、BOD5、氨氮的相關系數分別為0.883、0.732、0.615。其他部分指標間也呈現良好的相關性，如COD和BOD5的相關性系數為0.848、氨氮和TP為0.764、氨氮和BOD5為0.740、BOD5和TP為0.711。

由表2可知，前5個主成分的特征值均大于1，且方差累積貢獻率達60%以上，說明這5個主成分反映了原始變量提供的60.734%的信息。根據綜合評價的需要，用上述5個主成分代替19個指標變量。

主成分載荷矩陣反映了每個指標在主成分上的重要程度，通過比較各指標在主成分1上的載荷量(見表3)，可確定影響我國河流水質的主要指標有高錳酸鹽指數、BOD5、氨氮、COD、TP、陰離子表面活性劑。從6個指標Ⅴ或劣Ⅴ類斷面在全國河流的分布特征看，高錳酸鹽指數、陰離子表面活性劑Ⅴ或劣Ⅴ類斷面主要集中在海河、松花江流域；COD、氨氮、BOD5Ⅴ或劣Ⅴ類斷面主要集中在海河、淮河、黃河、遼河和松花江流域；TP Ⅴ或劣Ⅴ類斷面主要集中在海河、淮河、遼河、松花江和長江流域。由此可見，當前水環境污染呈現一定流域特征。

2.2 河流水質評價結果

對19個指標進行單因子水質評價，765個國控河流斷面Ⅰ～Ⅲ、Ⅳ～Ⅴ、劣Ⅴ類斷面比例分別占66.4%、22.1%、11.5%，主要污染指標為高錳酸鹽指數、BOD5、COD、氨氮、TP和陰離子表面活性劑。

先利用PCA篩選出河流斷面的主要污染指標為高錳酸鹽指數、BOD5、COD、氨氮、TP和陰離子表面活性劑，再以此6個指標對河流斷面進行單因子水質評價，則Ⅰ～Ⅲ、Ⅳ～Ⅴ、劣Ⅴ類斷面比例分別占69.6%、19.0%、11.4%。

從評價結果看，兩種方法無顯著差異，體現在：(1)從污染指標看，兩種方法均識別出河流斷面的主要污染指標為高錳酸鹽指數、BOD5、COD、氨氮、TP和陰離子表面活性劑，兩種方法呈現一致性。(2)從水質類別看，采用PCA-單因子評價法評價后，其中1個劣Ⅴ類斷面提升至Ⅱ類，原因為松花江源頭的瀑布下斷面氟化物呈劣Ⅴ類，其余指標均達Ⅱ類；2個Ⅴ類斷面提升至Ⅲ和Ⅳ類，原因為揮發酚呈Ⅴ類，其余指標均達Ⅳ類；15個Ⅳ類斷面提升至Ⅲ類以上，原因為石油類呈Ⅳ類，其余指標均達Ⅲ類。而氟化物、揮發酚、石油類3個指標為特征污染物，且多為背景值超標，不至于影響水體使用功能，若按類別標準嚴格進行評價，則對水體實施了過保護。由此可見，將PCA與單因子評價法聯合應用于河流水質評價，更能真實、客觀地反映河流水質狀況，有利于環保部門作出科學的管理決策。

2.3 改進建議

目前，國家及地方環境管理部門采用單因子評價法對河流全指標進行評價，若有1個水質指標超標，則認為所屬水域不能滿足使用功能，對部分影響水域使用功能較小的指標并未放寬要求，不利于管理部門準確認識河流水質狀況。建議在水質評價過程中，首先利用PCA將評價指標分為主要和次要指標，若主要指標超標，則認為水質未達到類別要求；若次要指標超標，則認為水域使用功能受到威脅，但依然達到水質類別要求。通過對水質指標分類評價，準確掌握河流水質狀況，并提出有針對性的水環境保護政策措施。

3 結 論

(1) 利用PCA識別我國河流國控斷面主要污染指標為高錳酸鹽指數、BOD5、COD、氨氮、TP和陰離子表面活性劑，且污染呈現一定流域特征。

(2) 分別利用單因子評價法、PCA-單因子評價法評價2012年全國河流水質狀況，從污染指標識別看，兩種方法的識別結果較一致；從水質類別評價看，將PCA與單因子評價法聯合應用于河流水質評價，更能真實、客觀地反映河流水質狀況，有利于作出科學管理決策。

表1 2012年河流水質指標相關關系Table 1 River water quality indicator correlation matrix in 2012

表2 水質指標方差分解主成分提取分析Table 2 Water quality indicator variance decomposition main component extraction analysis

表3 2012年各水質指標主成分載荷量Table 3 Water quality indicators principal component loading matrix in 2012

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