PCA模型在農(nóng)村飲用水消毒設(shè)備使用效果評價(jià)中的應(yīng)用
——以浙江省為例

劉 滔，陳毛良，裴 瑤，江 煒

（浙江省水利科技推廣與發(fā)展中心，浙江 杭州 310012）

農(nóng)村飲用水水質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)系到浙江省千百萬農(nóng)民的身體健康，當(dāng)前全省已基本解決千萬農(nóng)民喝水難的問題，但在末梢水中微生物指標(biāo)超標(biāo)的現(xiàn)象依然存在[1]，飲用水中微生物指標(biāo)的合格率與消毒設(shè)備的使用效果緊密相關(guān)。采用PCA模型，對2019年3 — 5月全省農(nóng)村飲用水工程中不同消毒方法的末梢水水質(zhì)結(jié)果進(jìn)行全面分析和評價(jià)，從而判斷各個(gè)消毒設(shè)備的使用效果情況，以便為全省實(shí)施的“農(nóng)村飲用水達(dá)標(biāo)提標(biāo)行動”提供相關(guān)技術(shù)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 采樣及處理方法

為了解浙江省農(nóng)村飲用工程中消毒設(shè)備的使用效果情況，在全省11個(gè)地市選取84處具有消毒設(shè)備的飲用水工程水樣，其中緩釋消毒器的末梢水樣有21個(gè)，二氧化氯發(fā)生器的末梢水樣有8個(gè)、二氧化氯（消毒劑投加）的末梢水樣17個(gè)，商品次氯酸鈉溶液投加的末梢水樣有32個(gè)，商品液氯投加的末梢水樣有6個(gè)。

末梢水樣的檢測項(xiàng)目為GB 5749 — 2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的 pH 、色度、濁度、嗅和味、肉眼可見物、氨氮、硝酸鹽、耗氧量、菌落總數(shù)以及總大腸菌群等10項(xiàng)[2]。

1.2 主成分分析

水質(zhì)評價(jià)是通過對多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，各個(gè)指標(biāo)之間通常具有一定程度的相關(guān)性，每個(gè)指標(biāo)都從某一方面反映水質(zhì)的情況，但由于水質(zhì)指標(biāo)較多，依據(jù)它們做出綜合評價(jià)仍有一定難度，需要采取一種可以簡化評價(jià)指標(biāo)數(shù)量的評價(jià)方法[3]。

主成分分析法（PCA）旨在保證原始數(shù)據(jù)信息丟失最小的情況下，對原始的高維變量進(jìn)行降維處理，盡可能保持原有數(shù)據(jù)信息的前提下，經(jīng)過線性變換和舍棄部分信息，以少數(shù)的綜合變量代替原有的多維變量，既抓住了主要矛盾，又簡化了評價(jià)工作[4-7]。

2 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的主成分分析

目前浙江省消毒設(shè)備主要為緩釋消毒器、二氧化氯發(fā)生器、二氧化氯（消毒劑投加）、商品次氯酸鈉溶液投加、商品液氯投加以及膜處理等。本次選取的84個(gè)末梢水樣中除膜處理以外其他消毒設(shè)備類型均包含在內(nèi)，末梢水的監(jiān)測項(xiàng)目為GB 5749 — 2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的pH、渾濁度、色度、肉眼可見物、氨氮、硝酸鹽、耗氧量、菌落總數(shù)以及總大腸菌落等10項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)[2]（見表1）。

表1 各消毒設(shè)備末梢水樣的檢測指標(biāo)表

為消除指標(biāo)的量綱和數(shù)量級對協(xié)方差矩陣的影響[8]，對表1 的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，此處需要注意SPSS只能處理數(shù)據(jù)，所以需要將原有的其他字符轉(zhuǎn)化為數(shù)字。標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)用SPSS 17.0版本的因子分析做降維處理并進(jìn)行主成分分析。各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性情況見表2。

表2 水質(zhì)各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣表

在表2中2個(gè)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的絕對值越大表明指標(biāo)之間的聯(lián)系性越緊密[9]?？梢钥闯隹偞竽c菌落與耗氧量的相關(guān)系數(shù)為0.924，相對于表2中其他指數(shù)是最大的，表明總大腸菌落與耗氧量具有較強(qiáng)的相關(guān)性，該相關(guān)系數(shù)的大小符合總大腸菌落與耗氧量呈正相關(guān)的特性[10]；而氨氮與pH相關(guān)系數(shù)的絕對值只有0.040，說明氨氮與pH的相關(guān)性最差。其他的相關(guān)性也按此分析。

各指標(biāo)主成分分析結(jié)果見表3。由表3可見，前面4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為100%，表明這4個(gè)指標(biāo)對水質(zhì)的影響已經(jīng)代表全部指標(biāo)，按照主成分個(gè)數(shù)提取原則，需要圖1中主成分所對應(yīng)的特征值大于1的前m個(gè)主成分[11]，特征值代表是主成分影響因子的大小，如果特征值小于1，則代表該主成分的代表性不強(qiáng)。前2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為81.66%，可以較好地反映水質(zhì)情況。

表3 水質(zhì)各指標(biāo)主成分分析結(jié)果表

圖1為水質(zhì)指標(biāo)總成分?jǐn)?shù)碎石圖。圖1可以更加直觀地將各個(gè)主成分所對應(yīng)的特征值顯示出來，主成分1的特征值大于4。特征值大于1的主成分共有3個(gè)，其余的主成分的特征值均小于1。

圖1 水質(zhì)指標(biāo)主成分?jǐn)?shù)碎石圖

表4 水質(zhì)各指標(biāo)主成分載荷矩陣表

在表4中可以看到每個(gè)指標(biāo)對不同主成分的影響情況。指標(biāo)與某一主成分的載荷矩陣系數(shù)的絕對值越大，表示關(guān)系越緊密，更加能代表其屬性。從表4中可以得出，第一主成分中渾濁度、氨氮、耗氧量、菌落總數(shù)以及總大腸菌落的載荷系數(shù)較高，說明第一主成分主要反映的是水質(zhì)中微生物指標(biāo)的信息；第二主成分中pH、色度、硝酸鹽以及肉眼可見物的載荷矩陣，表明第二主成分主要反映的是這5個(gè)指標(biāo)的信息。所以，用這2個(gè)主成分就可以全面反映原來的9個(gè)指標(biāo)的信息。

結(jié)合主成分的確定以及水質(zhì)中各指標(biāo)的載荷系數(shù)，可以得出PCA1、PCA2和水質(zhì)中各指標(biāo)的關(guān)系：

根據(jù)式（1）～（2）分別計(jì)算出第一主成分和第二主成分的得分，通過對主成分的得分與客觀權(quán)重相乘的和可計(jì)算出綜合得分[12]，得分情況反映消毒方法效果的好壞，綜合得分越高表示水質(zhì)越差，消毒效果不佳，反之則表示水質(zhì)較好，消毒效果明顯。在浙江省農(nóng)村飲用水消毒設(shè)備消毒效果由好到差依次為：商品液氯、商品次氯酸鈉投加、二氧化氯發(fā)生器、二氧化氯（消毒劑投加）和緩釋消毒劑（見表5）。

表5 各消毒方法主成分得分及綜合得分表

3 結(jié) 語

本文通過對農(nóng)村飲用水末梢水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，用少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)較好的反映樣本中所有指標(biāo)的信息，使得在不損失太多信息的情況下對復(fù)雜問題進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)前浙江省常見的5種消毒設(shè)備中商品液氯投加和商品次氯酸鈉投加的消毒效果最好，而緩釋消毒器和二氧化氯（消毒劑投加）的消毒效果較差。

從實(shí)際情況來看，由于商品液氯投加和商品次氯酸鈉投加的消毒設(shè)備主要應(yīng)用在大型水廠以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工程中，緩釋消毒器和二氧化氯（消毒劑投加）的消毒設(shè)備主要應(yīng)用在單村工程中。從管理手段、運(yùn)維人員專業(yè)技術(shù)素養(yǎng)以及供水管網(wǎng)條件等其他客觀條件綜合考慮，大型水廠以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工程消毒效果優(yōu)于單村工程。本文中主成分分析的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況一致，較好地反映了實(shí)際情況，因而是農(nóng)村飲用水消毒設(shè)備使用效果綜合評價(jià)的一種簡單可行的方法。