主成分分析法評(píng)價(jià)汕頭境內(nèi)主飲用水源地水質(zhì)

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(zhì)評(píng)價(jià)的核心是水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，當(dāng)前主流的水質(zhì)分析評(píng)價(jià)方法有單因子評(píng)價(jià)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法等等[1～4]。

單因子評(píng)價(jià)法是當(dāng)前國(guó)標(biāo)使用的分析評(píng)價(jià)方法[5]，評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，直接從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)中篩選出最差的單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類別作為水體的最終水質(zhì)類別，判斷水體水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，但是水體的污染情況和污染程度是受多種污染物指標(biāo)共同影響的，不能簡(jiǎn)單一概而論，所以其科學(xué)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(biāo)對(duì)水體水質(zhì)真實(shí)影響的分析方法作為國(guó)標(biāo)單因子評(píng)價(jià)法的補(bǔ)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(cè)指標(biāo)信息的基礎(chǔ)上，將多維因子通過(guò)降維納入同一體系，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將繁多的原始指標(biāo)轉(zhuǎn)化成少量綜合指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從根本上避免了少數(shù)污染指標(biāo)對(duì)水質(zhì)類別的決定性影響，合理客觀地賦予各個(gè)污染指標(biāo)權(quán)重，使最終評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確[6、7]。

2 汕頭境內(nèi)主要飲用水源地水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)指標(biāo)的確定

韓江是汕頭近560 萬(wàn)人口的主要飲用水源，關(guān)系到汕頭經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展，因此本文選取韓江汕頭境內(nèi)7 個(gè)主要水源地監(jiān)測(cè)斷面2019 年水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，7 個(gè)主要水源地監(jiān)測(cè)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(fēng)嶺水庫(kù)和河溪水庫(kù)。同時(shí)結(jié)合實(shí)際污染物指標(biāo)的情況，選取高錳酸鹽指數(shù)、六價(jià)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(gè)最具代表性的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表1）。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于溶解氧的濃度和水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溶解氧越小水質(zhì)越差。因此，需要對(duì)溶解氧指標(biāo)進(jìn)行正向化處理，并將處理后的數(shù)據(jù)與其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（見(jiàn)表2）。

2.3 主要計(jì)算結(jié)果及分析

本文采用spss statistics 17.0軟件對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，并對(duì)得到的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行分析，10項(xiàng)原始指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣見(jiàn)表3，特征值、方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4。由表3可知，大多數(shù)污染物指標(biāo)之間存在較大的相關(guān)系數(shù)（即相關(guān)系數(shù)絕對(duì)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(guān)性分別達(dá)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(qiáng)的相關(guān)性，表明其反映的信息存在重疊，適宜進(jìn)行主成分分析。依據(jù)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(xiàn)率為65.862%和23.261%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已達(dá)89.123%，符合累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%的要求，這說(shuō)明前兩個(gè)主成分已經(jīng)反映了89.123%的變量信息，可以確定主成分的個(gè)數(shù)為2。

表1 各評(píng)價(jià)斷面2019年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值

表2 標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)

表3 10項(xiàng)原始指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 特征值、方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

各水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)主成分載荷矩陣見(jiàn)表5。由表5可以看出，在方差貢獻(xiàn)率為65.862%的第1主成分中，六價(jià)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(shuō)明這些原始污染指標(biāo)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(jī)污染物指標(biāo)，糞大腸菌群、氟化物、銅和總磷為無(wú)機(jī)有毒害污染物指標(biāo)，綜合表明水體主要受到工業(yè)廢污水、生活污水和農(nóng)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(jī)污染特征，說(shuō)明其受到工業(yè)廢污水的影響。

表5 各水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)主成分載荷矩陣

根據(jù)表5中各水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的主成分載荷系數(shù)以及其對(duì)應(yīng)的表4 中第1 和第2 主成分對(duì)應(yīng)特征值計(jì)算可得到主成分1（F1）、主成分2（F2）以及綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F的表達(dá)式如下：

通過(guò)表達(dá)式（1）～（3）計(jì)算各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面2019年的主成分得分和水污染綜合得分，進(jìn)而定量化描述所監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)污染程度，結(jié)果見(jiàn)表6，分值越高，水質(zhì)越差，污染越嚴(yán)重。

評(píng)價(jià)結(jié)果可知，2019年汕頭境內(nèi)主要飲用水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面污染程度綜合排序?yàn)榍镲L(fēng)嶺水庫(kù)＜河溪水庫(kù)＜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(cè)的結(jié)果基本相符。

表6 各監(jiān)測(cè)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(duì)

將10 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中各級(jí)水質(zhì)類別對(duì)應(yīng)的上限值進(jìn)行上述主成分分析法計(jì)算可得各級(jí)水質(zhì)的綜合得分（見(jiàn)表7），其中由于河流和水庫(kù)總磷的評(píng)價(jià)上限值不同需要分開計(jì)算，最后根據(jù)表6 中各監(jiān)測(cè)斷面的綜合得分確定相應(yīng)的水質(zhì)類別并與通過(guò)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)的水質(zhì)類別進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表8）。

表7 各級(jí)水質(zhì)的綜合得分

表8 兩種評(píng)價(jià)方法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表

由表8 可知，澄海第一水廠、澄海第二水廠、河溪水庫(kù)和秋風(fēng)嶺水庫(kù)這4個(gè)斷面的水質(zhì)類別用兩種分析方法評(píng)價(jià)的結(jié)果是一致的。而庵埠水廠和南社斷面由于糞大腸菌群檢測(cè)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(gè)斷面均為Ⅳ類水質(zhì)；澄海東部水廠和北溪橋雖然糞大腸菌群的檢測(cè)濃度值超過(guò)Ⅴ類水的標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)類別為劣Ⅴ類外，其他水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)的水質(zhì)類別均低于Ⅰ類水和Ⅱ類水的標(biāo)準(zhǔn)限值，因此主成分分析法在全方面科學(xué)考慮各個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的實(shí)際情況后判定這兩個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)類別為Ⅴ類。

3 結(jié)論和建議

由以上分析評(píng)價(jià)過(guò)程可知，主成分分析法通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行降維處理，并在簡(jiǎn)化變量的同時(shí)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(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)程度，評(píng)價(jià)結(jié)果比只采用最差因子賦全權(quán)的單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)出來(lái)的結(jié)果更能科學(xué)合理地反映監(jiān)測(cè)水體水質(zhì)的真實(shí)情況。

不過(guò)如果檢測(cè)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(jì)算分析后傾向于將水質(zhì)類別判定高一個(gè)類別，雖然其綜合考慮到各檢測(cè)項(xiàng)目之間的影響因素，但是與目前通過(guò)的國(guó)標(biāo)單因子評(píng)價(jià)法判定的水質(zhì)類別有所差異。因此，在判定水體水質(zhì)類別和污染情況時(shí)，將主成分分析法與單因子指數(shù)法結(jié)合起來(lái)共同分析判定，必將得到更為客觀全面的評(píng)價(jià)結(jié)果。

根據(jù)上述評(píng)價(jià)結(jié)果可知，目前汕頭境內(nèi)飲用水源地水質(zhì)大體良好，水質(zhì)超標(biāo)斷面主要的污染指標(biāo)均為糞大腸菌群，河流斷面糞大腸菌群超標(biāo)主要是受沿岸城鄉(xiāng)生活污水、農(nóng)田施肥使用的人畜糞便以及河流兩岸的生活垃圾未經(jīng)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(zhì)類別的綜合判定。因此，政府各相關(guān)職能部門因出臺(tái)相應(yīng)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(shí)保障汕頭近560 萬(wàn)人口的飲用水安全。