主成分分析法在黔南河流水體環境質量評價中的應用

陸玉炯，余躍生，程 驊，華燦城，孫 靜

(1.黔南民族醫學高等?？茖W校，貴州 都勻 558013；2.黔南州生態環境監測站，貴州 都勻 558000)

水體環境質量的影響因素較多，單因素分析難以全面反映水質現狀，為此，國內學者采用TOPSIS法[1]、水污染指數法[2]、模糊聚類法[3]、灰色系統評價法[4]、因子分析法[5 ]等分析法對水體環境質量進行綜合評價，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5條主要河流9個斷面的水體環境質量進行綜合分析?，F將結果報道如下。

1 材料與方法

1.1 材料 資料來源于黔南州生態環境監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個斷面枯水期水質監測數據，見表1。主要監測指標為溶解氧(X1)、氨氮(X2)、五日生化需氧量(X3)、高錳酸鹽指數(X4)、砷(X5)、汞(X6)、鉛(X7)、懸浮物(X8)和石油類(X9)。

表1 黔南州河流水體環境單元枯水期水質監測數據(mg/L)

2 結果

2.1 原始數據的同趨勢化處理 河流水體環境質量評價指標中，除溶解氧(X1)為高優指標外，其他均為低優指標(表1)，故將低優指標取倒數，均轉化為高優指標，見表2。

表2 黔南州河流水體環境單元水質監測數據同趨勢化(mg/L)

2.2 同趨勢化數據的標準化處理 將表2中數據進行標準化處理，結果見表3。

2.3 相關系數 9個水質監測指標之間的相關系數，見表4?？梢娙芙庋跖c氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數和懸浮物，高錳酸鹽指數與氨氮、五日生化需氧量和懸浮物，砷與石油類，以及汞與鉛監測數據之間具有一定程度的相關性。

表4 水質監測指標之間的相關系數

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

表5 特征值、貢獻率、累計貢獻率和特征向量

2.5 主成分得分 根據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個水質監測指標的標準化數據代入Z1、Z2、Z3線性方程式中，相應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率之積相加，可得各水體單元的綜合得分。根據綜合得分高低予以排序，因水質檢測指標均轉換為高優指標，所以綜合得分越高，水體環境質量越好。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降維，將多個水質監測指標線性組合為少數幾個彼此獨立的綜合指標，即主成分，根據主成分因子得分對水質進行綜合評價。從表5中可以看出，前3個主成分的累計貢獻率為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個水質監測指標的大部分信息，是評價黔南地區河流水質的重要指標，因此，可根據這3個主成分對水體環境質量進行綜合評價。第一主成分的貢獻率(59.062%)明顯大于第二、第三主成分(分別為20.732%和12.233%)，可以認為第一主成分是評價黔南河流水體單元環境質量的主要指標。根據9個水質監測指標在各主成分上的特征向量，即與各主成分的相關系數，除鉛外，其他8個指標與第一主成分均有較高的相關性，因此，第一主成分可看成是對水體環境質量的綜合反映。其中高錳酸鹽指數、溶解氧、懸浮物、五日生化需氧量與第一主成分的關聯最為密切，為主要影響因子。高錳酸鹽指數、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院的醫療廢水，溶解氧主要是水體有機物多少的體現[7]，即水體有機物含量越多，溶解氧消耗越多，水體環境自凈能力越弱，甚至失去自凈能力，水體污染程度越嚴重。這些均屬于有機物污染評價指標，所以第一主成分主要反映水體有機物污染程度。第二主成分與鉛、汞、氨氮的關系密切，尤其是鉛和汞，呈高度正相關。鉛、汞主要來自礦山開采廢水，氨氮主要來自人畜糞便和農田排水，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，從而認為砷和石油類對水質的影響不容忽視。

從各斷面水質監測數據(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、氨氮、懸浮物、石油類，以及砷、汞、鉛含量最高。經主成分分析，結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率大，在各水體單元總得分中的權重大，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，水質綜合評價較好，川弓水體污染程度較重，水質較差，與實際情況相符。根據各水體單元主成分綜合得分進行排序(表6)，黔南境內5條河流9個斷面的水質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法分析同一組數據的結果一致，說明主成分分析方法可用于水體環境質量綜合評價，分析結果對河流水體環境的綜合治理和生活飲用水資源的開發利用提供了重要的理論依據，值得推廣應用。