主成分分析法在黑鱼水库水质评价中的应用

赵明伟, 王 琦, 陈秋颖, 吴文强, 杨 明

(1. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034; 2. 中国水利水电科学研究院 水环境所, 北京 100038)



主成分分析法在黑鱼水库水质评价中的应用

赵明伟1, 王 琦1, 陈秋颖1, 吴文强2, 杨 明1

(1. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034; 2. 中国水利水电科学研究院 水环境所, 北京 100038)

为研究黑鱼水库一年水质的变化情况,选择4个时期(分别为2014年11月8日、2015年3月29日、2015年5月30日和2015年9月6日)对黑鱼水库部分水质指标进行测量。应用SPSS软件对黑鱼水库这4个时期的5个采样点(分别为入口、库中、支流、出口前、出口后)水质指标(包括溶解氧DO、化学需氧量COD、总氮TN、总磷TP、氨氮NH3-N)做了主成分分析,结果表明,5月30日和11月8日主成分得分低,在3月29日和9月6日主成分得分高,黑鱼支流处主成分得分明显高于其它采样点。说明黑鱼水库水质常年处于一个很差的状态,夏季和秋末冬初时水质好于春季和秋季,黑鱼支流是所有采样点中水质最差的。

水库; 水质指标; 主成分分析法

0 引 言

主成分分析法是一种数学变换法,它的数学原理是把一组同一监测点处监测到的相互影响的监测指标的数据变换成为另一组互不相关的数据,在这个变换的过程中,保持了原数据的总体方差不变。将变换得到的互不相关的数据中方差最大者称为第1主成分,具有次大方差者称为第2主成分,这样原来数组中有多少个数据,就可以变换出多少个主成分,主成分的方差按序列逐渐减小,且均与前面的主成分不相关,主成分含有原数组的信息量也随序号的增大而逐渐减小。主成分分析法将监测到的原始数据线性组合变为若干彼此独立的新数组,通过新建立的数组,能更直观方便地分析出影响水质变化的主要因素,进而有针对性地对污染源进行控制[1]。目前较好的水环境质量综合评价方法有指数法、模糊综合评价法、灰色数学法、神经网络法等,都无法回避多因子这个问题。主成分分析能将多个因子化成少数几个综合因子,在分析问题时,可以舍弃一部分因子,只取前后方差较大的几个主成分因子来代表所有因子,同时减少因子选择和计算的工作量。由于主成分分析法具有能够减少原始数据信息损失、简化数据结构、避免主观随意性等优点,目前已广泛应用在水、大气、土壤等环境介质的评价中[ 2-5]。用主成分分析法确定权数有以下优点:1) 可消除评价指标之间的相关影响,因为主成分分析在对原指标变量进行变换后形成了彼此相互独立的主成分,而且实践证明指标间相关程度越高,主成分分析效果越好。2) 可减少指标选择的工作量,对于其它评价方法,由于难以消除评价指标间的相关影响,所以选择指标时要花费不少精力,而主成分分析由于可以消除这种相关影响,所以在指标选择上相对容易些。3) 主成分分析中各主成分是按方差大小依次排列顺序的,在分析问题时,可以舍弃一部分主成分,只取前后方差较大的几个主成分来代表原变量,从而减少了计算工作量[6]。

反应水质的化学指标较多,其中溶解氧(DO)反映水体的自净能力强弱,化学需氧量(COD)反映水体中还原性物质(以各种有机物为主,还包括无机化合物)的量,总氮(TN)反映水体受生活污水、农田排水和畜牧养殖业污水的污染程度,总磷(TP)反映水体富营养化的程度,氨氮(NH3-N)反映水体受粪便的污染程度[1]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑鱼水库位于辽宁省铁岭市昌图县十八家子乡,地理坐标为123°46′E,42°42′N,处于辽河二级支流小河子上。黑鱼水库始建于1970年,坝长1 050 m,最大坝高8.0 m,复核总库容为200万m3左右,属于小(Ⅰ)型水库。大坝为均质土坝,该水库以防洪、灌溉为主,兼有养鱼等综合利用功能。

1.2 样品采集及处理

图1 黑鱼水库采样区域分布图

于2014年11月8日、2015年3月29日、2015年5月30日和2015年9月6日4个时期在黑鱼水库5个具有代表性的样点进行水体采样见图1,分别为入口(123.7857E,42.72382N)、支流(123.7794E,42.71319N)、库中(123.7696E,42.70758N)、出口前(123.7669E,42.70363N)、出口后(123.7669E,42.70363N)。对8个指标进行测量,分别为DO、COD、TN、TP、NH3-N、TSS、pH和电导率。使用SPSS主成分分析法,根据其中5个重要指标DO、COD 、TN 、TP、NH3-N的测定结果对库水质进行评价。

2 结果与讨论

2.1 指标测量结果

黑鱼水库4个时期8指标测量结果见表1～表4。

表1 2014年11月8日水质测量结果

表2 2015年3月29日水质测量结果

表3 2015年5月30日水质测量结果

表4 2015年9月6日水质测量结果

2.2 SPSS分析结果

以2014年11月8日测量结果为例,应用主成分分析法,对数据进行标准化处理、计算相关系数矩阵、求相关系数矩阵的特征根和特征向量,确定主成分、主成分个数、综合评价函数[3]。

表5 累积方差贡献率

表6 因子载荷矩阵

表7 单位化正交特征向量矩阵

根据表5可知,前3个主成分累积超过85%,达到94.607%,因此,本次需要选取前3个主成分来取代原始变量。根据表6可知,水质主要受总氮、化学需氧量、总磷的影响,且作用依次降低。根据表7可以写出选取主成分的表达式。记溶解氧、总氮、总磷、氨氮、化学需氧量5个指标分别为x1、x2、x3、x4、x5,3个主成分记为y1、y2、y3,则3个主成分的计算公式可以写为

y1=0.272x1+0.341x2-0.166x3+0.3x4-0.249x5

y2=-0.074x1+0.243x2+0.538x3+0.548x4+0.553x5

y3=0.585x1-0.281x2+0.681x3-0.118x4-0.343x5

将原始数据的标准化数据分别带入3个主成分的表达式中,得到每个采样点位的3个主成分值,将这3个主成分的值乘以各自对应特征值得方差贡献率后求和,得到主成分综合得分值y,即

y=54.071%y1+20.847%y2+19.688%y3

通过各监测点的主成分综合得分值y的大小对水质作出评价。3个主成分值与主成分综合得分值如表8。

表8 各主成分得分及综合得分表

综合得分越高,表明污染越严重[7]。根据表8可以看出,采样点污染程度由轻到重依次为出口前、出口后、入口、库中、支流。

用同样的方法对其它时期做相应的主成分分析,分别得到2015年3月29日主成分有2个,作用由大到小为总氮和溶解氧,2015年5月30日主成分有2个,作用由大到小为总磷和化学需氧量,2015年9月6日主成分有2个,作用由大到小为化学需氧量和总氮。4个时期5个采样点综合得分如表9所示。

表9 各时期各采样点综合得分

通过表9可以得出,黑鱼水库在5月30日和11月8日主成分得分低,在3月29日和9月6日主成分得分高,说明水库在夏季和临近冬季的时候水质相对比春季和秋季的好。主成分得分常年处于一个高分状态,说明黑鱼水库水质一直处于一个比较差的状态。黑鱼支流主成分得分长期高于其它点位,说明黑鱼支流处的水质一直处于最差状态。

3 结 论

通过SPSS主成分分析法对黑鱼水库4个时期水质进行评价,参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中规定的5个指标下限的主成分分析结果[1,8]可知,黑鱼水库11月8日出口前属于Ⅳ类水质,其余点属于Ⅴ类水质。3月29日全部属于Ⅴ类水质。5月30日出口前和出口后属于Ⅳ类水质,其余点属于Ⅴ类水质。9月6日全部属于Ⅴ类水质。11月8日和9月6日主成分综合得分比剩余2个时期得分低,预测黑鱼水库水质在夏季和秋末冬初时水质好于春季和秋季。黑鱼水库支流处水质属于所有地方中最差。

[1]邱顺凡. 村镇地表水体水质监测点优化布置与水质评价方法研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2014.

[2]张东方,吴以中,宗良纲,等. 主成分分析方法在农田土壤环境评价中的应用[J]. 江西农业学报, 2008, 20(7): 36-38.

[3]万金保,曾海燕,朱邦辉. 主成分分析法在乐安河水质评价中的应用[J]. 中国给水排水, 2009(16):104-108.

[4]高卫东. 基于主成分分析的矿区地下水水质评价[J]. 安全与环境工程, 2009,16(1):28-30.

[5]贺尧,苏芳莉,郭成久,等. 基于主成分分析法的煤矸石山植被水土保持功能评价[J]. 水土保持研究, 2009,16(1):74-77.

[6]李艳双,曾珍香. 主成分分析法在多指标综合评价方法中的应用[J]. 河北工业大学学报, 1999,28(1):94-97.

[7胡艳玲,齐学斌,黄仲冬,等. 主成分分析法在农村生活饮用水水质评价中的应用[J]. 中国农村水利水电, 2011(11):139-141.

[8国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局. GB 3838—2002地表水环境质量标准[S]. 2002:1-4.

Application of principal component analysis in evaluation of water quality in the Heiyu reservoir

ZHAOMingwei1,WANGQi1,CHENQiuying1,WUWenqiang2,YANGMing1

(1. College of Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. Department of Water Environment, China Institute of Water Resources and Hadropower Research, Beijing 100038, China)

In order to study the variation of water quality of Heiyu reservoir in one year, we took measurement of water quality indicators in several parts of the reservoir during 4 periods respectively (8 November, 2014, 29 March, 2015, 30 May, 2015 and 6 September, 2015). PCA(Principal component analysis) was performed with SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) software and used to analyze the water quality indicators, including DO (dissolved oxygen), COD (chemical oxygen demand), TN (total nitrogen), TP (total phosphorus) and NH3-N (ammonia nitrogen). The samples came from 5 points, the entrance, the center, the tributaries, two points before and behind the export of the Heiyu Reservoir, respectively. The result showed that the PCA scores of samples collected in 8 November, 2014 and 30 May, 2015 were low, however, the scores of samples collected in 9 March, 2015 and 6 September, 2015 were high. In addition, the PCA scores of samples collected from tributary were significantly higher than those of other samples. In conclusion, the water quality of the Heiyu Reservoir was in a bad state all the year round, nevertheless, it was better during summer and late autumn and early winter comparing with spring and autumn, the water quality of the tributaries point in the Heiyu Reservoir was the worst.

reservoirs; water quality indicators; principal components analysis

2016-01-08。

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07501-004); 国家自然科学基金资助项目(51479212)。

赵明伟(1990-),男,甘肃金昌人,沈阳师范大学硕士研究生; 通信作者:杨 明(1966-),女,辽宁铁岭人,沈阳师范大学教授,博士。

1673-5862(2016)02-0188-05

X524

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.02.013