區(qū)域地表水主要污染物的主成分分析

金志浩，王晨君，魏亞龍

(上海市虹口區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，上海 200083)

1 引言

在水質(zhì)污染狀況分析時(shí)，需考慮影響水質(zhì)狀況的多種因素。為減少分析問題的復(fù)雜性，學(xué)者們致力于從眾多的影響因素中剔除含重復(fù)信息或測(cè)量誤差太大的因素，找到最佳的關(guān)鍵因素組合[1～4]。主成分分析作為一種定量化研究的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，可以利用降維思路，在數(shù)據(jù)損失最少的原則下，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，能夠客觀地確定影響水質(zhì)的主控因子，相較于其他方法有一定的優(yōu)越性，并在解決實(shí)際問題中取得了良好的成效，是環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)一種簡(jiǎn)單有效的方法[5～8]。本文采用SPSS軟件對(duì)某區(qū)域地表水主要污染物進(jìn)行主成分分析，從而探究該分析方法在水質(zhì)污染狀況評(píng)價(jià)中的可行性[9～15]。

2 研究方法

數(shù)據(jù)來源于2019年上海市虹口區(qū)生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書[16]，包括區(qū)域內(nèi)11個(gè)地表水監(jiān)測(cè)斷面的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、揮發(fā)酚和石油類等9種主要水質(zhì)污染物監(jiān)測(cè)指標(biāo)的年均值。

主成分分析法，采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件，進(jìn)行單因素方差分析，比較差異的顯著性，并確定水體主要污染因子，從而探討影響水質(zhì)狀況的主要因素。

綜合水質(zhì)指數(shù)法，采用單因子評(píng)價(jià)法，根據(jù)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)地表水監(jiān)測(cè)斷面的各監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

2019年虹口區(qū)11個(gè)地表水監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(年均值)，如表1所示。

將表1中所列的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z，其Z元素分布表(無綱量)，如表2所示。

表1 地表水監(jiān)測(cè)結(jié)果 mg/L

3.2 主成分分析

對(duì)矩陣Z進(jìn)行主成分分析，求出Z的協(xié)方差矩陣的特征值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z元素分布

表3 主成分特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率

由表3可知，特征值λ1=6.16，λ2=1.81，第1、2主成分占總方差的相對(duì)貢獻(xiàn)為88.54%[17]。一般認(rèn)為累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85% 時(shí)，就能保證不丟失太多的重要信息[18]。因此，可以把第1、2主成分作為共同因子。9個(gè)參數(shù)在第1、2公共因子上的主成分矩陣，如表4所示。

表4 主成分矩陣

由表4可知：主成分與指數(shù)變量之間有著相關(guān)關(guān)系。第1成分與溶解氧之間有著較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其他因子之間有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。第2成分與溶解氧、五日生化需氧量、總磷、總氮、石油類之間有著一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。可以看出，第1、2主成分均與溶解氧指標(biāo)有著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，這可能是由于溶解氧是首要污染因素所導(dǎo)致的。

3.3 水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)

通過進(jìn)一步計(jì)算，可得水質(zhì)污染因素的2 個(gè)主成分得分，最后根據(jù)主成分得分和特征值貢獻(xiàn)率，求到最終的綜合得分，并進(jìn)行排序，如表5所示。

表5 主成分得分及排序

綜合得分越高，即水質(zhì)污染程度越嚴(yán)重。由表5可知：水質(zhì)污染因素的主成分綜合得分排序?yàn)椋簲嗝?1>10>6>8>9>3>2>1>4>7>5。

此外，用綜合水質(zhì)指數(shù)法對(duì)地表水11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)，并結(jié)合表5的主成分得分排序情況，其結(jié)果如表6所示。

表6 綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)與主成分分析排序

由表6可知，在水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)中，綜合水質(zhì)指數(shù)法與主成分分析的結(jié)果，趨勢(shì)基本保持一致。這表明主成分分析法在水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)中，具有較高的可信度。

4 結(jié)論

(1)通過主成分分析，可將9個(gè)水質(zhì)指標(biāo)降維為 2個(gè)主成分分量。這2個(gè)主成分分量均與溶解氧存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，這可能是由于溶解氧是首要污染物所致。

(2)主成分分析與綜合水質(zhì)指數(shù)法，在進(jìn)行水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)判結(jié)果趨勢(shì)基本保持一致。這表明相關(guān)性分析在水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)中，具有較高的可信度。