基于主成分分析法的汾河運城段水質評價

高丹丹，趙麗婭，李 成，程 暢

(湖北大學資源環境學院，湖北武漢 430062)

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基于主成分分析法的汾河運城段水質評價

高丹丹，趙麗婭*，李 成，程 暢

(湖北大學資源環境學院，湖北武漢 430062)

[目的]評價汾河運城段水質情況。[方法]運用主成分分析法(PCA)對2015年汾河運城段的水質進行評價。[結果]在選取的4個指標PH、COD、DO和NH3-N中，NH3-N為主要污染因子；在全年45個監測周中，水質情況總體表現為豐水期優于枯水期。[結論]汾河運城段水質處于國家劣V類，須采取相應的手段控制污染，改善水質。

主成分分析；綜合評價；汾河；水質參數

目前，水環境評價越來越受到人們的重視，如何客觀、科學地評價水環境成為研究的熱點之一。有關水質評價的方法很多，如簡單指數法、綜合污染指數法、模糊聚類分析、人工神經網絡法、概率統計法等[1]。雖然運用這些方法可以對水質進行較好的評價，但由于水體系統受多種污染指標的影響，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計的方法——主成分分析法(PCA)，對汾河山西運城段的水質進行評價分析，旨在為汾河水質的改善提供科學依據。

1　材料與方法

1.1數據來源研究數據來源于中華人民共和國環境保護部數據中心，選取2015年汾河山西運城段共52周的水質指標監測數據，主要監測數據有pH、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)和氨氮(NH3-N) 4個指標。由于在2015年汾河有7周是斷流情況，因此實際監測時間為45周(表1)。

表1　2015年汾河運城段水質指標數據

1.2主成分分析法

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

1.2.2主成分分析主要步驟。①對原始數據進行標準化。為了使原始數據具有可比性，先對原始數據進行標準化，消除量綱帶來的影響。②計算協方差矩陣。③利用協方差矩陣，計算相應的特征值和特征向量。④計算貢獻率、累積貢獻率及確定主成分的個數。⑤計算綜合主成分值，并進行綜合評價與分析[3]。

1.3數據統計為了消除4個指標的量綱帶來的影響，對原始數據進行標準化處理[4]。整個過程運用軟件SPSS 22.0完成。

2　結果與分析

2.1計算相關系數矩陣運用SPSS軟件可以快速得出4個評價指標的相關系數矩陣[5](表2)。由表2可知，4個指標中COD、DO和NH3-N間有較強的相關性，其中COD和NH3-N間的關系最緊密。

表2　相關系數矩陣

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

由表3可知，第1主成分的方差貢獻率達60.126%，這說明第1主成分對原始數據有很好的反映，再加上第2主成分的方差貢獻率，前2個主成分的方差累積貢獻率達到82.064%，已經超過了80.000%。因此，筆者認為前2主成分已經能夠代表原始數據的絕大部分信息。因此，確定主成分的個數為2。

表3　特征值、貢獻率及累積貢獻率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過標準化后的數據，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率為權重，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與主成分的相關性較高，NH3-N的絕對值最大，而且第1主成分的方差貢獻率最大，是第2主成分方差貢獻率的幾倍。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，求得每周水質評價的綜合得分，然后根據得分大小對其進行排序，可以得出2015年汾河水質最差的時期和水質相對較好的時期(表5)。

由表5可知，2015年汾河運城段監測的45周中，水質最好的前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。總體來看，水質較差的時期主要集中在枯水期，水質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污染、農業污染和生活污染的情況下，枯水期的水質要優于豐水期。但是，由于研究地區的生活污水及工農業廢水的綜合處理能力較差，超標超量地排放導致水體惡化，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，對水質起到了稀釋的作用，實際上是將污染物帶至下游水域。

3　結論

主成分分析法可使原本復雜的數據結構簡單化，將復雜的水質指標轉換為少數的綜合指標，為水環境評價提供了一種簡單易行的方法[7]。通過對2015年汾河運城段的水質進行評價，可以得出NH3-N是主要污染因子，COD和DO的污染也較嚴重。對全年45周的數據進行分析，發現豐水期的水質要普遍較枯水期好。根據實際監測數據可知，該監測斷面全年處于國家劣Ⅴ類水質，NH3-N和COD含量超過國家Ⅴ類水質濃度限值數倍，DO含量也不容樂觀，難以滿足該水質的功能區劃，基本喪失了水體的使用功能。這使得沿岸的村民飲水和農業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，主要是因為當地的生活污水處理廠能力不足，大量生活污水直接排入河道，隨著餐飲業和工業的發展，大量未經處理的廢水直接或間接排入河道，導致原本已惡化的水質問題更加嚴重。因此，為了能夠使水質得到改善，須嚴格控制汾河流域污染物的排放總量，嚴禁偷排和超標超量排放污染物；禁止在飲用水源地新建或擴建污染項目，需從源頭治理污染；提升城市污水處理能力，使污水處理達標后排放。

[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評價中的應用[J].環境研究與監測，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評價中的應用[J].干旱區研究，2008，25(4)：497-501.

[3] 劉小楠，崔巍.主成分分析法在汾河水質評價中的應用[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評價中的應用[J].水利科技與經濟，2006，12(10)：660-662.

[5] 周廣峰，劉欣.主成分分析法在水環境質量評價中的應用進展[J].環境科學導論，2011，30(1)：75-78.

[6] 劉琰，鄭丙輝，付青，等.水污染指數法在河流水質評價中的應用研究[J].中國環境監測，2013，29(3)：49-55.

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

[8] 徐明德，李平.汾河太原城區段的水質調查與分析[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

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

高丹丹(1990- )，女，山西大同人，碩士研究生，研究方向：環境地理。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事環境生態、環境規劃及生態補償研究。

2016-06-08

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0517-6611(2016)23-069-03