基于主成分分析法的南四湖流域水污染物排放水平空間布局分析

孫靈文 閆中曉 邵波 賈永飛

摘要：本文基于2007年第一次全國污染源普查數(shù)據(jù)，運用主成分分析法，對南四湖流域山東省境內(nèi)的28個縣市區(qū)行政單元的水污染物排放水平進行了綜合評價，結果顯示：滕州市的污染物排放水平明顯高于流域內(nèi)的其他區(qū)域，濟寧市中區(qū)、鄒城市、菏澤市區(qū)、曹縣的污染物排放水平也較高。因此這五個縣市是今后南四湖流域治污的重點。

關鍵詞：主成分分析；南四湖流域；污染物排放；空間布局

中圖分類號： X5 文獻標識碼：A DOI： 10.3969/j.issn1003-8256.2013.06.013

1 引言

南四湖是南水北調(diào)東線工程的重要調(diào)蓄水庫[1]。國家要求流域內(nèi)的水質(zhì)達到國家Ⅲ類水質(zhì)要求[2]。這對南四湖流域來說是個嚴峻的挑戰(zhàn)，如何在盡量不影響經(jīng)濟發(fā)展的同時保證調(diào)水的水質(zhì)，是急需解決的問題。本文根據(jù)2007年的污染普查數(shù)據(jù)，對當時南四湖流域的污染物空間分布進行分析，提出了相應的對策建議。

南四湖流域北起大汶河左岸，南至廢黃河南堤，東以泰沂山脈的尼山為分水嶺，西至黃河右堤，屬于淮河流域泗河水系?？偭饔蛎娣e約3.2萬平方公里，包括山東、江蘇、河南、安徽四省38個縣（市、區(qū)）。本文研究范圍為南四湖流域山東境內(nèi)所有區(qū)域，流域面積約2.9 萬平方公里，包括濟寧市、棗莊市、菏澤市和寧陽縣三市一縣[3-6]。

全國污染源普查是為貫徹落實科學發(fā)展觀，加強環(huán)境監(jiān)督管理，了解各類企事業(yè)單位與環(huán)境有關的基本信息，建立健全各類重點污染源檔案和各級污染源信息數(shù)據(jù)庫，為制定經(jīng)濟社會政策提供依據(jù)，國務院決定開展第一次全國污染源普查所得數(shù)據(jù)。全國污染源普查對象是我國境內(nèi)排放污染物的工業(yè)污染源（簡稱“工業(yè)源”）、農(nóng)業(yè)污染源（簡稱“農(nóng)業(yè)源”）、生活污染源（簡稱“生活源”）和集中式污染治理設施。普查內(nèi)容包括各類污染源的基本情況、主要污染物的產(chǎn)生和排放數(shù)量、污染治理情況等[7]。

2 分析方法介紹

2.1 主成分分析法

主成分分析法最早是由美國心理學家 Charles Spearman在1904年提出。他將實測的多個指標所表達的信息用少數(shù)幾個潛在的獨立的主成分指標來表達，而這些相互獨立的主成分指標是由實測指標的線性組合來表示，來反映原來多個實測指標所要反映的主要信息[8]，即主成分分析法是把原來多個變量劃為了少數(shù)幾個綜合指標的一種統(tǒng)計方法[9]。

2. 2 3σ法

3σ法通常用于測量誤差的處理，它的基本思想是由于隨機誤差是服從于正態(tài)分布，誤差的絕對值主要集中在均值 3σ附近，如有大于3σ的誤差，是粗大誤差，應予以剔除。從概率來看，有：

P（|d|>3σ）=0.0027 （4）

所測的數(shù)據(jù)大于3σ的概率為2.7‰，這一概率是非常小的。因此如果所測數(shù)據(jù)大于3σ，可以認為其是極端的水平?；?σ法原理，通過計算各個指標數(shù)據(jù)系列的中心值和標準差，本文確定以偏離中心值0.5倍標準差的區(qū)間即[ E-0.5σ，E+0.5σ ]屬于中；偏離中心值1.5倍標準差和0.5倍標準差的區(qū)間即[E-1.5σ，E-0.5σ]屬于中低水平和[E+0.5σ，E+1.5σ]屬于中高水平區(qū)間；偏離中心值1.5倍標準差以上的區(qū)間即[-∞，E-1.5σ]屬于低水平和[E+1.5σ，+∞ ]屬于高水平區(qū)間。這樣就得到了水污染物排放水平的5個區(qū)間。

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于南四湖是南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄水庫，其水質(zhì)的好壞直接影響著調(diào)水的成敗。本文以2007年全國污染物普查的數(shù)據(jù)，選取四個與水質(zhì)相關的生活源污染物排放量，即COD排放量X1（噸）、氨氮排放量X2（噸）、總氮排放量X3（噸）、總磷排放量X4（噸），和四個與水質(zhì)密切相關的工業(yè)源污染物排放量：化學需氧量排放量X5（噸），氨氮排放量X6（噸），石油類排放量X7（噸）和生化需氧量排放量X8（噸）等。運用SPSS18.0統(tǒng)計軟件對污染物普查指標數(shù)據(jù)進行主成分分析，利用SPSS求得特征值和方差貢獻率及累計貢獻率，見表1。

表1 相關主成分累計貢獻率

成份 初始特征值

特征根 方差的 % 累積 %

1 4.308 53.847 53.847

2 1.445 18.068 71.914

3 1.019 12.735 84.650

4 .893 11.164 95.814

5 .201 2.510 98.324

6 .128 1.604 99.928

從表中得出前4個主成分的累積百分比即貢獻率已達到95.814%大于85%，故取前4個樣本主成分。污染指標載荷值見表4，每個載荷量表示主成分與對應變量的相關系數(shù)。

表2 污染指標載荷值

成份

1 2 3 4

X1 .661 .691 -.021 -.112

X2 .853 .310 -.007 -.184

X3 .765 .258 .222 -.461

X4 .339 .550 -.068 .749

X5 .895 -.423 -.076 .088

X6 .083 -.099 .973 .181

X7 .904 -.395 -.077 .132

X8 .904 -.398 -.077 .128

由載荷矩陣求特征向量T1、T2、T3、T4，將特征向量與標準化后的數(shù)據(jù)相乘，就可以得到各個主成分得分 Z1、Z2、Z3、Z4，然后求綜合評價得分（見表3），其計算公式為Y=a1*Z1+a2*Z2+a3*Z3+a4*Z4。

表3 各區(qū)域污染物排放水平得分

行政區(qū) 棗莊市中區(qū) 薛城區(qū) 嶧城區(qū) 臺兒莊 山亭區(qū) 滕州市 濟寧市中區(qū)

得分Y 0.161904 -0.59187 -0.91384 -0.26179 -0.99345 4.704583 0.696016

行政區(qū) 任城區(qū) 微山縣 魚臺縣 金鄉(xiāng)縣 嘉祥縣 汶上縣 泗水縣

得分Y 0.278973 -0.23556 -1.30626 -0.67262 -1.1867 -0.66624 -0.6409

行政區(qū) 梁山縣 曲阜市 兗州市 鄒城市 寧陽縣 菏澤市區(qū) 曹縣

得分Y -0.89833 -0.87131 0.223119 0.73138 0.549499 1.044925 1.067746

行政區(qū) 單縣 成武縣 巨野縣 鄆城縣 甄城縣 定陶縣 東明縣

得分Y 0.523541 -0.3124 -0.0109 0.412391 -0.87827 -0.41041 0.456775

3 南四湖流域污染物排放水平空間分布

由于采用的數(shù)據(jù)都是污染物的排放量，所以主成分得分越高，其污染物排放水平越高，污染的程度越高。根據(jù)樣本的平均值和標準差，計算出u-1.5σ，u-0.5σ，u+0.5σ，u+1.5σ作為劃分污染物排放水平的等級，其結果如下：

表4 南四湖流域污染物排放水平分類

低 中低 中 中高 高

<-1.65407 -1.65407至-0.55136 -0.55136至0.551357 0.551357至1.65407 >1.65407

無 魚臺縣、嘉祥縣、山亭區(qū)、嶧城區(qū)、梁山縣、甄城縣、曲阜市、金鄉(xiāng)縣、汶上縣、泗水縣、薛城區(qū) 定陶縣、成武縣、臺兒莊區(qū)、微山縣、巨野縣、棗莊市中區(qū)、兗州市、任城區(qū)、鄆城縣、東明縣、單縣、寧陽縣 濟寧市中區(qū)、鄒城市、菏澤市區(qū)、曹縣 滕州市

結合ArcMap，對南四湖流域縣級行政單元的污染物的排放量水平進行了空間表達（圖1）。

圖1 南四湖流域污染物排放水平分布圖

結合表6、表7和圖1可以看出，南四湖流域污染物排放水平的主成分得分值介于-1.31和4.91之間，排放水平最高是滕州市，其主成分得分值為4.704583，遠遠大于1.65407，且臨近南四湖，對南四湖的水質(zhì)污染威脅較大，是今后政府治理和調(diào)控的重點。濟寧市中區(qū)、鄒城區(qū)、菏澤市區(qū)和曹縣的排放水平雖沒有滕州市那么高，但相對于其他的縣市來說，仍處于較高的水平，今后應適當加以控制和治理。其他縣市的排放水平處于中、中下水平，是流域內(nèi)污染程度較小的縣市，相對來說對南四湖水質(zhì)污染的威脅較小。流域內(nèi)沒有處于低水平的縣市，說明要達到低水平的排放并非易事，是今后流域努力的方向。

參考文獻：

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[3] 張祖陸，沈吉等.南四湖的形成及水環(huán)境演變[J].海洋與湖沼，2002，33（3）：14-321.

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[7]第一次全國污染源普查公報 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部 環(huán)保部 統(tǒng)計局.

[8]劉亞臣，吳振虎等.基于主成分分析法的沈陽市房地產(chǎn)業(yè)與國民經(jīng)濟協(xié)調(diào)度分析[J].建筑經(jīng)濟，2011（4）：84-88.

[9]趙明華，朱明明.山東半島城市群水資源可持續(xù)利用水平評價研究[J].水利經(jīng)濟，2011，29（3）：34-37.

（責任編輯 張 萌）

Principal Component Analysis-based Study of the Spatial Distribution of Water Pollutant Emissions in Nansi Lake Basin

SUN Lingwen 1，2 ，YAN Zhongxiao3 ，SHAO Bo1，2 ，JIA Yongfei1，2

（1.Institute of Science and Technology for Development of Shandong， Jinan 250014； 2 scientific decision support Key Laboratory of Shandong Academy of Science， Jinan 250014；3 College of Population， Resources and Environment， Shandong Normal University， Jinan 250014）

Abstract： This paper applies the Principal Component Analysis Method to evaluate the water pollutant emission levels of the 28 counties of Nansi Lake basin. Results shows that pollutant emission levels of Tengzhou city are significantly higher than other areas of the basin. Jining City， Zoucheng city， Heze city， Cao county have high emission levels of pollutants， and therefore are recognized as the key areas for pollution control in Nansi Lake basin in the future. Suggestions on the entire river basin management and pollution control measures are also put forward.

Key words：Principal Component Analysis Method；Nansi Lake basin；Emissions；Spatial distribution