主成分分析在黃河干流甘肅段水質(zhì)分析中的應(yīng)用＊

尚婷婷，丁杰萍，張亞群，周 靜

（甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院1，甘肅 蘭州 730020）

甘肅省作為黃河流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和補給區(qū)，地處黃河上游，貢獻了黃河60%的水資源量，在推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展等方面具有重大戰(zhàn)略意義[1-2]。近年來，黃河干流水質(zhì)持續(xù)保持III類及以上，水環(huán)境持續(xù)向好，但隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，仍對流域生態(tài)環(huán)境形成嚴重威脅。為掌握黃河干流的水質(zhì)狀況，保障黃河下游飲用水安全，開展水質(zhì)評價，對推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義。

目前，有關(guān)黃河干流甘肅段水質(zhì)研究僅限于采用有單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法等對水質(zhì)開展定性評價，但定性評價無法體現(xiàn)污染物的分布情況，且需要多個水質(zhì)監(jiān)測指標，具有局限性[3-4]。本研究采用SPSS軟件以主成分分析法作為評價方法，對黃河干流甘肅段7個斷面的水質(zhì)開展了定量評價，計算得出2011—2020年各斷面水質(zhì)的主成分綜合得分及影響，分析2011—2020年黃河干流甘肅段水質(zhì)時間和空間的變化趨勢，為下一步開展流域綜合治理奠定了基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

黃河干流兩次穿越甘肅省境。第一次從青海省入境，流經(jīng)瑪曲段，后又進入青海省，流程433 km，主要支流有白河、黑河、西科河等。第二次從積石山峽入境流經(jīng)臨夏、蘭州、白銀等地，于黑山峽段出境，流程480 km，主要支流有銀川河、大夏河、洮河、湟水、莊浪河、宛川河、祖厲河等。干流全長913 km，年徑流量為290億m3。干流水系流域面積5.67萬km2。黃河干流甘肅段水系概化圖見圖1。

圖1 黃河干流甘肅段水系概化圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究在黃河干流甘肅段上選取瑪曲、扶和橋、新城橋、什川橋、青城橋、靖遠橋和五佛寺7個監(jiān)測斷面，并選取了7個斷面連續(xù)10年（2011—2020年）的6個水質(zhì)指標，分別是化學(xué)需氧量、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、總磷和氨氮。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于水質(zhì)監(jiān)測月監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.3 分析方法

主成分分析法分析步驟[5-6]：（1）對原始水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行標準化；（2）進行KMO檢驗及Bartlett球形檢驗；（3）根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣確定相關(guān)性；（4）提取主成分；（5）得出主成分評價函數(shù)及綜合評價函數(shù)；（6）計算各個斷面逐年綜合得分。

2 水質(zhì)評價與分析

采用SPSS軟件對7個斷面近10年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)共70組420個數(shù)據(jù)進行了基于主成分分析的KMO檢驗及Bartlett球形檢驗。KMO檢驗結(jié)果＞0.5，且Bartlett球形檢驗結(jié)果的顯著性概率P值＜0.05，說明本研究水質(zhì)數(shù)據(jù)適合運用主成分分析法。

利用SPSS軟件對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行標準化處理后得到相關(guān)系數(shù)矩陣見表1。由表1可知，黃河干流7個斷面其高錳酸鹽指數(shù)和生化需氧量兩者之間相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.925，在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；其次是總氮和總磷，相關(guān)系數(shù)為0.862，在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；總磷和氨氮、生化需氧量和總磷、總氮和氨氮以及生化需氧量和氨氮相關(guān)性相對較差，相關(guān)系數(shù)分別為0.714、0.624、0.600和0.520。

表1 相關(guān)系數(shù)矩陣

通過相關(guān)系數(shù)矩陣表明不同水質(zhì)指標之間存在一定的相關(guān)性，這容易造成水質(zhì)信息的重疊。本研究采用主成分分析進行降維來簡化影響水質(zhì)的多個指標，爭取用較少的水質(zhì)指標來反映黃河干流甘肅段水質(zhì)的大部分關(guān)鍵信息[7-13]。主成分的方差及方差貢獻率見表2。本研究以特征值大于1，且累計方差貢獻率大于85%為準則，提取出了3個主成分，累積方差貢獻率為88.091%，說明前3種主成分代表了水質(zhì)數(shù)據(jù)88.091%的信息。

表2 主成分貢獻率與累積貢獻率

3個主成分的成分矩陣見表3。由表3可知，氨氮、總磷、生化需氧量在F1上占有較高的載荷；總氮和總磷在F2上占有較高的載荷；化學(xué)需氧量在F3上占有較高的載荷，貢獻率為17.129%。

由表2和表3可以計算得出3個主成分評價函數(shù)F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3及綜合評價函數(shù)F。根據(jù)評價函數(shù)公式可計算出每個斷面的水質(zhì)污染得分。各評價函數(shù)表達式：

其中，ZX1、ZX2、ZX3、ZX4、ZX5、ZX6分別代表化學(xué)需氧量、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、總磷和氨氮的標準化數(shù)據(jù)；λ表示不同主成分對應(yīng)的特征值。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)各評價函數(shù)表達式計算得出2011—2020年各斷面水質(zhì)的主成分綜合得分見表4。由表4可知，2011—2020年黃河干流甘肅段各斷面主成分綜合得分存在一定規(guī)律，瑪曲斷面2011年水質(zhì)狀況最好，2011—2016年呈現(xiàn)變差的趨勢，2016年水質(zhì)最差達到最大值0.02，2016年之后水質(zhì)又逐漸改善；扶和橋和新城橋斷面2011—2020年水質(zhì)波動較大，2011年均達到峰值，水質(zhì)狀況最差；什川橋、青城橋、靖遠橋和五佛寺2011—2015年波動較大，2016年之后水質(zhì)狀況持續(xù)向好。

表4 2011-2020年各斷面水質(zhì)的主成分綜合得分值F

各監(jiān)測斷面水質(zhì)的主成分得分值均值特征見圖2。由圖2可知，黃河干流甘肅段上瑪曲、扶和橋和新城橋水質(zhì)狀況好，綜合得分值均為負值，其中扶和橋斷面水質(zhì)評價狀況最好，得分為-1.35；什川橋、青城橋、靖遠橋和五佛寺綜合得分值均為正值，呈逐漸增長的趨勢，這表明黃河干流甘肅段水質(zhì)狀況由上游-下游呈變差趨勢，靖遠橋和五佛寺斷面水質(zhì)最差，綜合得分分別為0.75和0.76。通過對比各監(jiān)測斷面F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3可知，從代表氨氮、總磷和生化需氧量的F1來看，靖遠橋和五佛寺斷面污染最嚴重；從代表總氮和總磷的F2來看，靖遠橋和五佛寺斷面污染最嚴重；從代表化學(xué)需氧量的F3來看，新城橋和什川橋污染最為嚴重。

圖2 各監(jiān)測斷面水質(zhì)的主成分得分值均值

4 結(jié)論

（1）通過主成分分析結(jié)果得出，2011—2020年黃河干流甘肅段各斷面水質(zhì)狀況存在一定程度波動，2016年之后基本呈現(xiàn)水質(zhì)狀況持續(xù)向好。

（2）黃河干流甘肅段上瑪曲、扶和橋和新城橋水質(zhì)狀況好，其次是什川橋、青城橋，靖遠橋和五佛寺斷面水質(zhì)最差，這表明黃河干流甘肅段水質(zhì)狀況由上游-下游呈變差趨勢。

（3）本研究通過SPSS軟件對黃河干流甘肅段7個斷面水質(zhì)狀況進行了主成分分析，保證了結(jié)果準確性和客觀性，評價結(jié)果與實際情況基本吻合，為下一步開展甘肅省黃河流域水質(zhì)綜合治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。