主成分分析法在黔南河流水體環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

陸玉炯，余躍生，程 驊，華燦城，孫 靜

(1.黔南民族醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，貴州 都勻 558013；2.黔南州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，貴州 都勻 558000)

水體環(huán)境質(zhì)量的影響因素較多，單因素分析難以全面反映水質(zhì)現(xiàn)狀，為此，國內(nèi)學(xué)者采用TOPSIS法[1]、水污染指數(shù)法[2]、模糊聚類法[3]、灰色系統(tǒng)評價法[4]、因子分析法[5 ]等分析法對水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，取得了滿意效果。本文試用主成分分析法[6]對貴州省黔南境內(nèi)5條主要河流9個斷面的水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合分析。現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1 材料與方法

1.1 材料 資料來源于黔南州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站對黔南漳江的回龍角和洗布河，都柳江的三都橋和交梨，清水江的茶園、營盤和川弓，紅水河的羅羊，蒙江的邊外河等5條河流9個斷面枯水期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表1。主要監(jiān)測指標(biāo)為溶解氧(X1)、氨氮(X2)、五日生化需氧量(X3)、高錳酸鹽指數(shù)(X4)、砷(X5)、汞(X6)、鉛(X7)、懸浮物(X8)和石油類(X9)。

表1 黔南州河流水體環(huán)境單元枯水期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(mg/L)

2 結(jié)果

2.1 原始數(shù)據(jù)的同趨勢化處理 河流水體環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)中，除溶解氧(X1)為高優(yōu)指標(biāo)外，其他均為低優(yōu)指標(biāo)(表1)，故將低優(yōu)指標(biāo)取倒數(shù)，均轉(zhuǎn)化為高優(yōu)指標(biāo)，見表2。

表2 黔南州河流水體環(huán)境單元水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)同趨勢化(mg/L)

2.2 同趨勢化數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 將表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見表3。

2.3 相關(guān)系數(shù) 9個水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，見表4。可見溶解氧與氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和懸浮物，高錳酸鹽指數(shù)與氨氮、五日生化需氧量和懸浮物，砷與石油類，以及汞與鉛監(jiān)測數(shù)據(jù)之間具有一定程度的相關(guān)性。

表4 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)

2.4 特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率和特征向量 由相關(guān)系數(shù)，求出各個主成分的特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率，以及水質(zhì)指標(biāo)在各個主成分上的特征向量，然后根據(jù)主成分的確定原則，提取了3個主成分，見表5 。這3個主成分的貢獻(xiàn)率分別為59.062%、20.732%和12.233%，累計貢獻(xiàn)率達(dá)92.018%(>85%)，它們代表了水體環(huán)境質(zhì)量評價中原始指標(biāo)提供的大部分信息。

表5 特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率和特征向量

2.5 主成分得分 根據(jù)特征向量可以建立主成分得分的線性方程式：

Z1=0.895X1+0.661 X2+ 0.844 X3+0.940X4+0.786 X5+0.576 X6+0.354X7+0.888X8+0.786X9

Z2=-0.343X1-0.602 X2-0.230X3-0.199X4+0.312 X5+0.531X6+0.903X7-0.034X8+0.312X9

Z3=-0.033X1-0.187 X2+0.352X3+0.020X4-0.514 X5+0.515X6+0.023X7+0.383X8-0.514X9

將9個水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)代入Z1、Z2、Z3線性方程式中，相應(yīng)得到各水體單元第一、二、三主成分得分，然后將主成分得分與其貢獻(xiàn)率之積相加，可得各水體單元的綜合得分。根據(jù)綜合得分高低予以排序，因水質(zhì)檢測指標(biāo)均轉(zhuǎn)換為高優(yōu)指標(biāo)，所以綜合得分越高，水體環(huán)境質(zhì)量越好。見表6。

表6 水體單元主成分得分、綜合得分及排序

3 討論

主成分分析法是通過科學(xué)降維，將多個水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)線性組合為少數(shù)幾個彼此獨立的綜合指標(biāo)，即主成分，根據(jù)主成分因子得分對水質(zhì)進(jìn)行綜合評價。從表5中可以看出，前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率為92.018%(>85%)，其特征值均大于1(分別為5.316、1.865和1.101)，說明這3個主成分包含原有9個水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的大部分信息，是評價黔南地區(qū)河流水質(zhì)的重要指標(biāo)，因此，可根據(jù)這3個主成分對水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價。第一主成分的貢獻(xiàn)率(59.062%)明顯大于第二、第三主成分(分別為20.732%和12.233%)，可以認(rèn)為第一主成分是評價黔南河流水體單元環(huán)境質(zhì)量的主要指標(biāo)。根據(jù)9個水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)在各主成分上的特征向量，即與各主成分的相關(guān)系數(shù)，除鉛外，其他8個指標(biāo)與第一主成分均有較高的相關(guān)性，因此，第一主成分可看成是對水體環(huán)境質(zhì)量的綜合反映。其中高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、懸浮物、五日生化需氧量與第一主成分的關(guān)聯(lián)最為密切，為主要影響因子。高錳酸鹽指數(shù)、懸浮物和五日生化需氧量主要來自于沿河村寨生活污水和醫(yī)院的醫(yī)療廢水，溶解氧主要是水體有機(jī)物多少的體現(xiàn)[7]，即水體有機(jī)物含量越多，溶解氧消耗越多，水體環(huán)境自凈能力越弱，甚至失去自凈能力，水體污染程度越嚴(yán)重。這些均屬于有機(jī)物污染評價指標(biāo)，所以第一主成分主要反映水體有機(jī)物污染程度。第二主成分與鉛、汞、氨氮的關(guān)系密切，尤其是鉛和汞，呈高度正相關(guān)。鉛、汞主要來自礦山開采廢水，氨氮主要來自人畜糞便和農(nóng)田排水，可見第二主成分主要反映水體重金屬污染程度。第三主成分與汞、砷和石油類的關(guān)系密切，其中砷和石油類主要來自化工廠和冶煉廠的廢水排放，從而認(rèn)為砷和石油類對水質(zhì)的影響不容忽視。

從各斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(表1)可以看出，茶園水體單元的溶解氧含量最高，高錳酸鹽指數(shù)和懸浮物含量最低；川弓水體單元的溶解氧含量最低，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、懸浮物、石油類，以及砷、汞、鉛含量最高。經(jīng)主成分分析，結(jié)果顯示茶園水體單元的第一主成分得分最高(6.7156)，川弓水體單元得分最低(-11.0126)，因第一主成分的貢獻(xiàn)率大，在各水體單元總得分中的權(quán)重大，所以茶園水體單元的主成分總得分最高(4.0599)，川弓水體單元的總得分最低(-6.6393)，說明茶園水體污染程度較輕，水質(zhì)綜合評價較好，川弓水體污染程度較重，水質(zhì)較差，與實際情況相符。根據(jù)各水體單元主成分綜合得分進(jìn)行排序(表6)，黔南境內(nèi)5條河流9個斷面的水質(zhì)從好到差依次為茶園、洗布河、回龍角、邊外河、羅羊、交梨、三都橋、營盤、川弓水體單元，與陸玉炯等[1]用TOPSIS法分析同一組數(shù)據(jù)的結(jié)果一致，說明主成分分析方法可用于水體環(huán)境質(zhì)量綜合評價，分析結(jié)果對河流水體環(huán)境的綜合治理和生活飲用水資源的開發(fā)利用提供了重要的理論依據(jù)，值得推廣應(yīng)用。