以PCA分析為基礎(chǔ)的水環(huán)境質(zhì)量綜合評價探究

摘要：水環(huán)境是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，包括江河湖泊、地表水、水庫等，是水環(huán)境質(zhì)量綜合評價的重要內(nèi)容。基于此，本文闡述了PCA分析法的基本原理，并探討PCA分析法在水環(huán)境質(zhì)量評價中的具體應(yīng)用，包括在礦區(qū)水質(zhì)評價中的應(yīng)用、在地下水中的應(yīng)用，確保其評價結(jié)果更加全面。

關(guān)鍵詞：PCA分析法;水環(huán)境質(zhì)量;礦區(qū)水質(zhì)

新時期，我國水資源污染問題日益嚴(yán)重，導(dǎo)致水質(zhì)污染的因素眾多，水質(zhì)評價作為水環(huán)境質(zhì)量綜合評價的主要內(nèi)容，能夠?yàn)樗|(zhì)污染治理提供參考依據(jù)。因此，南京國環(huán)科技股份有限公司想要以PCA分析為基礎(chǔ)進(jìn)一步采用科學(xué)的評價方法，準(zhǔn)確反映水質(zhì)污染狀況，從而提高水環(huán)境評價結(jié)果的合理性。

一、PCA分析法的基本原理

PCA分析也就是主成分分析法，其應(yīng)用十分廣泛，包括人口統(tǒng)計學(xué)、數(shù)量地理學(xué)、分析動力學(xué)、數(shù)學(xué)建模等，是一種常用的多變量分析方法。主成分分析的基本原理就是將原來變量重新組合成一組新的相互無關(guān)的幾個綜合變量，并將這些指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行定量化的分析研究。換言之，主成分分析法就是基于降維的思想，降維就是一種對高維度特征數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法，能夠提升數(shù)據(jù)處理速度，最大程度上保留原始數(shù)據(jù)信息，對多維度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，在實(shí)際進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評價時，能夠節(jié)省大量時間和成本。

主成分分析法被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)量環(huán)境評價中，為水資源的合理開發(fā)提供依據(jù)，在水量評價方面具有良好的實(shí)用性，能夠客觀全面的評價水質(zhì)等級。例如，運(yùn)用在某運(yùn)河水質(zhì)評價中，能夠有針對性的對運(yùn)河水質(zhì)污染物成分進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)確找出影響水質(zhì)的指標(biāo)和因素，判斷該運(yùn)河的水污染情況，對于水污染防治及水資源綜合利用具有可行性意義。

二、PCA分析法在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

（一）在礦區(qū)水質(zhì)評價中的應(yīng)用

水質(zhì)量環(huán)境評價是以PCA分析為基礎(chǔ)，按照水環(huán)境評價目標(biāo)，選擇相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)、水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、評價方法對水體污染狀況進(jìn)行評定，通常采用單因素評價法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等方法進(jìn)行水環(huán)境綜合評估。當(dāng)下，由于人類對煤礦資源的不斷挖掘，造成地下水位不斷下降，基于主成分分析的礦區(qū)水質(zhì)評價，能夠有效保護(hù)礦區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，解決礦區(qū)水質(zhì)污染問題。比如，采用PCA分析對某礦區(qū)進(jìn)行水質(zhì)分析評價，采取礦區(qū)水樣中的大腸菌、溶解性總固體、總硬度等指標(biāo)進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)水樣的總硬度、溶解性總固體的原始數(shù)據(jù)在總方差中占85%，表明礦區(qū)水質(zhì)較好，在經(jīng)過滲濾、凈化后可以作為生活應(yīng)用水，主成分分析法在各礦區(qū)水質(zhì)綜合評價中廣泛推廣，在水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為環(huán)保部門提供了更多處理污水的手段和思路，一定程度上提高了水資源的利用效率，不斷推動節(jié)水水庫工程建設(shè)。

（二）在地下水中的應(yīng)用

地下水是人們生產(chǎn)生活的重要來源，在城市化進(jìn)程的推進(jìn)下，地下水質(zhì)遭嚴(yán)重破壞，傳統(tǒng)的水質(zhì)評價中多采用《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》給出的單組分評價法及綜合評價法進(jìn)行水質(zhì)檢測，然而很難判斷不同區(qū)域地下水的排水條件、污染物組成情況，不適宜作為水質(zhì)評價工作中的統(tǒng)一參數(shù)。因此根據(jù)PCA分析法的降維思想將多種影響水質(zhì)的因子簡化為幾個綜合因子，從而更好反應(yīng)地下水質(zhì)狀況，在開展地下水質(zhì)量評價工作時，可以在主成分分析法的基礎(chǔ)上融合模糊綜合評價法，取長補(bǔ)短，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在因子選擇上采用主成分分析法，在水質(zhì)評價上選用模糊綜合評價法，充分利用二者優(yōu)勢明確監(jiān)測出地下水質(zhì)是否符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)，并有效劃分了地下水質(zhì)等級，為地下水的開發(fā)和利用提供了有利條件。

（三）對河流水質(zhì)的適量評價

由于客流污染物種類和來源多樣，在具體進(jìn)行水質(zhì)評價時，要考慮的污染因子有很多，在PCA分析的基礎(chǔ)上，可以有效將評價計算量簡化，并且獲得更多變量較少的數(shù)據(jù)信息，能夠保證初始數(shù)據(jù)所包含的信息完整，可根據(jù)河流觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，建立一個綜合評價指標(biāo)，并對指標(biāo)進(jìn)行處理分析，可以有效判斷河流水質(zhì)的污染等級，并且可以通過評價河流中污染物特質(zhì)，區(qū)分主要污染物和次要污染物。

以某一河段為例，該河段全長106公里，流域面積2350平方公里，河流性質(zhì)為多泥沙的季節(jié)性河流，基于PCA分析的基礎(chǔ)上對這一河段的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價，選取評價河段的6個斷面作為水質(zhì)評價的樣本點(diǎn)，選取各斷面氨氮（NH-N）、硝酸鹽氮（NO-N）、高錳酸鹽指數(shù)（KMnO4）溶解氧（DO）等污染物作為研究對象，通過研究發(fā)現(xiàn)，DO值越大表示水質(zhì)越好，反之水質(zhì)越差，多數(shù)污染物之間的相關(guān)系數(shù)是比較大的，如高錳酸鹽、氨氮變量之間的相關(guān)性較強(qiáng)，根據(jù)PCA分析法有效判斷出該河段污染物的屬性及關(guān)聯(lián)性，為后續(xù)相關(guān)人員采取泥沙治理方法提供了便利條件。

（四）在其他水環(huán)境中的應(yīng)用

基于PCA分析在水環(huán)境質(zhì)量綜合評價中的廣泛應(yīng)用，許多水環(huán)境檢測人員更多的將主成分分析法運(yùn)用在湖泊、海洋等水環(huán)境質(zhì)量評價中，且成效明顯。比如在對冰川湖進(jìn)行水質(zhì)量評價時，選擇5個檢測點(diǎn)的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量進(jìn)行檢測，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)溶解氧和化學(xué)需氧量的特征值大于1，解釋的方差累積貢獻(xiàn)率大于82%，評價結(jié)果有較強(qiáng)的一致性，可判斷冰川湖的水環(huán)境質(zhì)量較好，水質(zhì)評價結(jié)果更加科學(xué)和準(zhǔn)確。

比如，相關(guān)水環(huán)境質(zhì)量研究人員對玄武湖、金牛湖、銀杏湖進(jìn)行水質(zhì)檢測，運(yùn)用主成分分析法對三個湖泊中的糞大腸菌群、表面活性劑、溶解氧、硫化物、氨氮、生化氧量等指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，研究發(fā)現(xiàn)糞大腸菌群、氨氮、生化氧量指標(biāo)在生活廢水及生產(chǎn)污水中所占的比例較高，其次是表面活性劑成分，說明湖泊周邊生活廢水，工業(yè)污水排放中摻雜了一定的洗滌成分，未來要想有效改善湖泊水質(zhì)環(huán)境，就要優(yōu)化周邊工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，政府部門積極推行清潔能源，扶持相關(guān)工業(yè)部門做好節(jié)能減排工作，不斷提高湖泊水質(zhì)，推動生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

三、結(jié)論

總之，PCA分析法是一種較好的水質(zhì)綜合評價的多元統(tǒng)計方法，能夠?qū)Χ鄠€監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，通過主成分比較監(jiān)測點(diǎn)的污染程度，全面反映了水質(zhì)污染的綜合水平，相關(guān)部門需要結(jié)合當(dāng)下水資源現(xiàn)狀，采取積極有效的水環(huán)境評價手段，加強(qiáng)監(jiān)督管理，確保滿足居民用水量以及飲水衛(wèi)生安全。

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作者簡介：王藝辰（1985-），女，漢，河北東光縣人，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于河海大學(xué)，職稱：中級工程師，研究方向：環(huán)境管理。