主成分分析在黃河干流甘肅段水質(zhì)分析中的應(yīng)用＊

尚婷婷，丁杰萍，張亞群，周 靜

（甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院1，甘肅 蘭州 730020）

甘肅省作為黃河流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和補(bǔ)給區(qū)，地處黃河上游，貢獻(xiàn)了黃河60%的水資源量，在推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等方面具有重大戰(zhàn)略意義[1-2]。近年來(lái)，黃河干流水質(zhì)持續(xù)保持III類及以上，水環(huán)境持續(xù)向好，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，仍對(duì)流域生態(tài)環(huán)境形成嚴(yán)重威脅。為掌握黃河干流的水質(zhì)狀況，保障黃河下游飲用水安全，開(kāi)展水質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

目前，有關(guān)黃河干流甘肅段水質(zhì)研究?jī)H限于采用有單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法等對(duì)水質(zhì)開(kāi)展定性評(píng)價(jià)，但定性評(píng)價(jià)無(wú)法體現(xiàn)污染物的分布情況，且需要多個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，具有局限性[3-4]。本研究采用SPSS軟件以主成分分析法作為評(píng)價(jià)方法，對(duì)黃河干流甘肅段7個(gè)斷面的水質(zhì)開(kāi)展了定量評(píng)價(jià)，計(jì)算得出2011—2020年各斷面水質(zhì)的主成分綜合得分及影響，分析2011—2020年黃河干流甘肅段水質(zhì)時(shí)間和空間的變化趨勢(shì)，為下一步開(kāi)展流域綜合治理奠定了基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

黃河干流兩次穿越甘肅省境。第一次從青海省入境，流經(jīng)瑪曲段，后又進(jìn)入青海省，流程433 km，主要支流有白河、黑河、西科河等。第二次從積石山峽入境流經(jīng)臨夏、蘭州、白銀等地，于黑山峽段出境，流程480 km，主要支流有銀川河、大夏河、洮河、湟水、莊浪河、宛川河、祖厲河等。干流全長(zhǎng)913 km，年徑流量為290億m3。干流水系流域面積5.67萬(wàn)km2。黃河干流甘肅段水系概化圖見(jiàn)圖1。

圖1 黃河干流甘肅段水系概化圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究在黃河干流甘肅段上選取瑪曲、扶和橋、新城橋、什川橋、青城橋、靖遠(yuǎn)橋和五佛寺7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并選取了7個(gè)斷面連續(xù)10年（2011—2020年）的6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，分別是化學(xué)需氧量、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、總磷和氨氮。水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于水質(zhì)監(jiān)測(cè)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3 分析方法

主成分分析法分析步驟[5-6]：（1）對(duì)原始水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；（2）進(jìn)行KMO檢驗(yàn)及Bartlett球形檢驗(yàn)；（3）根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣確定相關(guān)性；（4）提取主成分；（5）得出主成分評(píng)價(jià)函數(shù)及綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；（6）計(jì)算各個(gè)斷面逐年綜合得分。

2 水質(zhì)評(píng)價(jià)與分析

采用SPSS軟件對(duì)7個(gè)斷面近10年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共70組420個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了基于主成分分析的KMO檢驗(yàn)及Bartlett球形檢驗(yàn)。KMO檢驗(yàn)結(jié)果＞0.5，且Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性概率P值＜0.05，說(shuō)明本研究水質(zhì)數(shù)據(jù)適合運(yùn)用主成分分析法。

利用SPSS軟件對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到相關(guān)系數(shù)矩陣見(jiàn)表1。由表1可知，黃河干流7個(gè)斷面其高錳酸鹽指數(shù)和生化需氧量?jī)烧咧g相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.925，在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；其次是總氮和總磷，相關(guān)系數(shù)為0.862，在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；總磷和氨氮、生化需氧量和總磷、總氮和氨氮以及生化需氧量和氨氮相關(guān)性相對(duì)較差，相關(guān)系數(shù)分別為0.714、0.624、0.600和0.520。

表1 相關(guān)系數(shù)矩陣

通過(guò)相關(guān)系數(shù)矩陣表明不同水質(zhì)指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，這容易造成水質(zhì)信息的重疊。本研究采用主成分分析進(jìn)行降維來(lái)簡(jiǎn)化影響水質(zhì)的多個(gè)指標(biāo)，爭(zhēng)取用較少的水質(zhì)指標(biāo)來(lái)反映黃河干流甘肅段水質(zhì)的大部分關(guān)鍵信息[7-13]。主成分的方差及方差貢獻(xiàn)率見(jiàn)表2。本研究以特征值大于1，且累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%為準(zhǔn)則，提取出了3個(gè)主成分，累積方差貢獻(xiàn)率為88.091%，說(shuō)明前3種主成分代表了水質(zhì)數(shù)據(jù)88.091%的信息。

表2 主成分貢獻(xiàn)率與累積貢獻(xiàn)率

3個(gè)主成分的成分矩陣見(jiàn)表3。由表3可知，氨氮、總磷、生化需氧量在F1上占有較高的載荷；總氮和總磷在F2上占有較高的載荷；化學(xué)需氧量在F3上占有較高的載荷，貢獻(xiàn)率為17.129%。

由表2和表3可以計(jì)算得出3個(gè)主成分評(píng)價(jià)函數(shù)F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3及綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F。根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)公式可計(jì)算出每個(gè)斷面的水質(zhì)污染得分。各評(píng)價(jià)函數(shù)表達(dá)式：

其中，ZX1、ZX2、ZX3、ZX4、ZX5、ZX6分別代表化學(xué)需氧量、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、總磷和氨氮的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；λ表示不同主成分對(duì)應(yīng)的特征值。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)各評(píng)價(jià)函數(shù)表達(dá)式計(jì)算得出2011—2020年各斷面水質(zhì)的主成分綜合得分見(jiàn)表4。由表4可知，2011—2020年黃河干流甘肅段各斷面主成分綜合得分存在一定規(guī)律，瑪曲斷面2011年水質(zhì)狀況最好，2011—2016年呈現(xiàn)變差的趨勢(shì)，2016年水質(zhì)最差達(dá)到最大值0.02，2016年之后水質(zhì)又逐漸改善；扶和橋和新城橋斷面2011—2020年水質(zhì)波動(dòng)較大，2011年均達(dá)到峰值，水質(zhì)狀況最差；什川橋、青城橋、靖遠(yuǎn)橋和五佛寺2011—2015年波動(dòng)較大，2016年之后水質(zhì)狀況持續(xù)向好。

表4 2011-2020年各斷面水質(zhì)的主成分綜合得分值F

各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的主成分得分值均值特征見(jiàn)圖2。由圖2可知，黃河干流甘肅段上瑪曲、扶和橋和新城橋水質(zhì)狀況好，綜合得分值均為負(fù)值，其中扶和橋斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)狀況最好，得分為-1.35；什川橋、青城橋、靖遠(yuǎn)橋和五佛寺綜合得分值均為正值，呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這表明黃河干流甘肅段水質(zhì)狀況由上游-下游呈變差趨勢(shì)，靖遠(yuǎn)橋和五佛寺斷面水質(zhì)最差，綜合得分分別為0.75和0.76。通過(guò)對(duì)比各監(jiān)測(cè)斷面F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3可知，從代表氨氮、總磷和生化需氧量的F1來(lái)看，靖遠(yuǎn)橋和五佛寺斷面污染最嚴(yán)重；從代表總氮和總磷的F2來(lái)看，靖遠(yuǎn)橋和五佛寺斷面污染最嚴(yán)重；從代表化學(xué)需氧量的F3來(lái)看，新城橋和什川橋污染最為嚴(yán)重。

圖2 各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的主成分得分值均值

4 結(jié)論

（1）通過(guò)主成分分析結(jié)果得出，2011—2020年黃河干流甘肅段各斷面水質(zhì)狀況存在一定程度波動(dòng)，2016年之后基本呈現(xiàn)水質(zhì)狀況持續(xù)向好。

（2）黃河干流甘肅段上瑪曲、扶和橋和新城橋水質(zhì)狀況好，其次是什川橋、青城橋，靖遠(yuǎn)橋和五佛寺斷面水質(zhì)最差，這表明黃河干流甘肅段水質(zhì)狀況由上游-下游呈變差趨勢(shì)。

（3）本研究通過(guò)SPSS軟件對(duì)黃河干流甘肅段7個(gè)斷面水質(zhì)狀況進(jìn)行了主成分分析，保證了結(jié)果準(zhǔn)確性和客觀性，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，為下一步開(kāi)展甘肅省黃河流域水質(zhì)綜合治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。