主成分分析法在东张水库水质污染特征分析与评价的应用 陈海鹰

1、主成分分析法在东张水库水质污染特征分析与评价的应用 陈海鹰摘要t采用主成分分析法(PAc)对东张水库水质进行综合评价，分析了其水质的时间和空间变化特征及污染因子对水质的贡献，以揭示东张水库水质变化的时空分布规律和水质污染特征分析评价结果表明：水质时间特征分析可由三个主成分反映东张水库库心断面在20042009年时间跨度上表现为2005年水质污染综合评价排序最高。水质最好；2009年排序次高，水质较好；2006年、2007年和2O08年水质综合评价排序分别3、2和l，其水质逐年恶化。水质空间特征分析可由两个主成分数反映，评价结果表明2009年东张水库各断面水质表现为冬季最好，均达到lI级水；夏季

2、最差，均达到V级水；春季库心和坝前均达到lII级水，进口水质达到级水。关键词主成分分析法；评价；东张水库东张水库于1958年建成蓄水，其位于福清市龙江干流中游，流域面积约200kd，主要入库河流有龙江千流、灵石溪、东林溪，另有一都溪和太城溪两个引水工程，引水流域面积约l15km。东张水库是一座集灌溉、防洪、发电、养殖、旅游等功能的大(II)型水库，设计库容约206亿皿3；正常畜水位54m，相应水面面积15km，相应库容l_85亿，有效库容为153亿，死库容032亿皿3。然而。自l997年以来，东张水库水质逐年变差，至2002年水质有所改善。2O03年开始，由于旱情，水质出现异味，至2008年东

3、张水库局部水域重度富营养化，蓝藻暴发，导致水库供水能力下降，严重影响了水库功能的发挥“。鉴于此，本文对福清市东张水库进行水质综合评价，以期为该区水资源的合理开发利用和水体污染综合防治提供一定的决策依据。l研究对象和研究方法I1研究对象为研究东张水库水体水质年变化情况，于2004年2009年对水库中心断面采样点的9项水质指标进行为期6年的监测，分析水库中心水质时间的变化情况；同时于2009年对该水库的进口、库心和出水口(坝前)的断面分别于3月、7月和l1月，为期3个月监测，用于分析水库水质空间变化情况，具体监测断面见图l。监测指标为pH值、溶解氧(Do)、高锰酸钾指数(c0)、生化需氧量(B0D

4、l5)、氨氮(NI-N)、总磷(TP)、叶绿素a(CHI-a)和大肠菌群。图l断面位置示意图FigiSchemeofsectionposition12研究方法由于研究的水质指标均是各自独立的，难以综合反映东张水库水体水质情况，因此采用何种方法分析与评价水体水质情况成为关键。目前较好的水体综合评价方法有简单指数法、综合污染指数法、模湖数学法等，但是这些方法均无法陈海鹰：主成分分析法在东张水库水质污染特征分析与评价的应用25l贡献很小，为了以尽可能少的指标反映尽量多的信息，选取指标。前三个因子作为主成分，代表主要的东张水库中心断面水质表2特征值和主成分贡献率及累积贡献率()Table2Theelg

5、envaluescontributionratesandaccumulatedcontributionratesoftheprincipalcomponents213综合评价函数的确定表3为因子初始因子载荷矩阵和旋转因子载荷矩阵。由于经旋转后不同主成分对应的各变量的系数项最大和最小转化，使每个主成分上具有最高载荷的变量数最少，旋转后的载荷系数矩阵中各变量对两个主成分的荷载系数差别比较明显。由此从旋转因子载荷矩阵中可知，第一主成分F。在pH、DO和BO具有很大的载荷，载荷值变化在07750954之间：第二主成分F中NbN和CHI-a贡献较大；第三主成分F。中C0D、TP和大肠菌群贡献较大。由此可

6、知第一主成分反映东张水库理化特征和耗氧性有机污染物；第二主成分反映东张水库富营养化程度；第三主成分反映有机污染物、营养性污染物和微生物特征。表3因子载荷矩阵Table3Loadingvaluesoftheprincipalcomponents因子初始因子载荷矩阵旋转因子载荷矩阵123l23pH0954-011301890954019101l2DO075800720165085800570237C0【一034303410775-0053一O4080816B00764-0339007807750036-0320NH广N06950441一O286043907530025TPO43008720073-

7、050103530759CHl-a02880603一O635-00940917一O020大肠菌群-0380-0850-0230-0296一O5650716将因子载荷矩阵三列的数据分别除以其对应特征根的数据相乘，便可以得出主成分表达式。平方根可得到特征向量。而将得到的特征向量与标准化后的=0341Zj+0350Z2+0098Z3+0270Z4+0090Z5-0167Z6014IZ一O117Z8252陈海鹰：主成分分析法在东张水库水质污染特征分析与评价的应用=0007Z,一0092Z20299Z30033Z4+O48Z5+0161z,+O499Z70189Zs=OO03Zl+0202Z2+0491

8、Z30112Z40029Z5+0337Z6一O119Z70361Zs综合评价函数：南+南+十+=0412即o3+0284214评价结果分析断面水质的主成分得分，其排序情况见表4。按综合评价函数计算得到20042009年东张水库库心表42004-2009年东张水库库心断面水质的主成分得分及排序Table4ScoresofthecomprehensivepollutionprincipalcomponentandthegradesinDonzhangreservoirfrom2004to2009由表4的主成分得分排序可知，2008年的水质最差，2O09年的水质最好。水质最差的3年主要集中在2006

9、-2008年份，而2006年之前的年份水质相对要好些。这一定程度上反映了东张水库水质在近几年的不断下降。究其原因，主要是随着东张水库流域人口的持续增长和工农业的快速发展，城镇生活污水、工业废水以及农业面源污染(如水产养殖、畜禽养殖污水等)的不断增加导致了水库水质下降。2005年开始，市政府采取有效措脑，对东张水库汇水区域内的部分养猪场予以拆除，因此该年水质较好。但从2006年下半年至2008年期间，由于利益驱动，三镇两库汇水区内畜禽养殖业迅速发展，同时2006年至2008年，市政府投资动建东张水库截污没旋的影响，因此期间水质与其他年份相比污染较重。从2009年各新建拦污醴-施已投入正常使用，使

10、问2009年水质在所有年份中表现的最好。22东张水库水质空间变化情况从东张水库水质时间变化情况可知，2009年水质表现得最好，因此为了解该年份整个水库的水质状况，应用主成分分析法分析水库水质空间情况。采样点位为该年的3月、7月和11月分别于东张水库的进口、库心和出水口(坝前)的各断面。221数据的标准化将2009年3个时期的各断面水质指标，即pH、D0、C0、B0、NH3一N、11)和大肠菌群进行数据标准化处理(其中DO为逆指标，先将其进行倒数变换，再标准化)，具体见标准化数据表5。222主成分的确定由表6可知，第一、第二主成分特征值占总方差的百分比已经大于85，说明第一、二主成分已经包含了以

11、上7个指标的所有信息，其对水质变化的影响最大。其中第一主成分携带的信息最多，达到5o以上，第一、第二主成分的累计贡献率达到87482，其他主成分对总方差的贡献很小。为此选择第一、第二主成分作为主要的东张水厍水质指标。223综合评价函数的确定由表7的旋转因子载荷矩阵可知，与第一主成分密切相关的是pH、D0、N地一N和TP，与第二主成分相关的是COD、BOD。和大肠菌群从主成分载荷大小可将东张水库污染物主要有3类，一类为NII3一N、TP富营化物质，反映东张水库有陈海鹰：主成分分析法在东张水库水质污染特征分析与评价的应用353一定的富营化趋势；另一类群是微生物特征，反映东张水库有受到人盲废水污染趋

12、势。CO、B0D5则反映的是有机污染物，最后一类为大肠菌表5标准化数据表Tab】|5StandardizatiOnofdaT8表6特征值和主成分贡献率及累积贡献率()Table6Theelgenvaluescontributionratesandaccumulatedcontributionratesoftheprincipalcomponents表7因子载荷矩阵Table7Loadingvaluesoftheprincipalcomponentsy=量=(一一x,)sj，其中式中：=1备，一(一-)(3)确定主成分个数。根据累积方差贡献率来进行确定，即按照方差占总方差的比例。口=i=l，一般

13、口80El8570来选取一船口oUo枣谗由P为主成分的个数。(4)确定主成(f=1，2，尸)的表达式。f=ql+a2l+l=口I2十+口矗21【=qzx,+z+2(5)确定综合评价函数。F=南+五+p2结果与分析21东张水库水质时间变化情况211数据标准化将东张水库中心断面2004-2009年，共6年的pH、Do、C0n-、BO、N地一N、TP、CH1-a和大肠茵群的8个水质指标数据标准化处理(其中D0为逆指标，先将其进行倒数变换，再标准化)，具体见标准化数据表l。表1标准化数据表TablelStandardizatiOIlofdata212主成分的确定表2是各水体指标含量的总方差分解表，由表

14、可以看出第一第二和第三主成分特征值占总方差的百分比已经大于82(第三主成分特征值为l-402，大于l：第四主成分特征值为0668，小于1)，即前三个主成分已经对8个监测指标所涵盖的大部分污染物信息进行了概括，其中第一主成分携带的信息最多，达到38以上，第一、第二、第三主成分的累计贡献率达到84683其他主成分对总方差的254陈海鹰：主成分分析法在东张水库水质污染特征分析与评价的应用由此可得2009年东张水库各断面的综合评价函数，其计算方法同213中综合评价函数的确定。：0265Z+0289Z2+O105Z3-0092Z4+O203Z5+O268Z6一oo5oz7=-0139Z一0078Z2+0

15、272Z3+O373Z4+O145Z5+0022Z6+O367Z7+_0578+0422+。+224评价结果分析计算出3个监测断面及各级水体的各主成分得分及综合得分。监测断面各主成分得分及综合得分见表8。水质标准采用国家地表水环境质量标准(683838-2002)，将相同指标的各个水质等级的标准值按上述方法计算“，得出的各水质等级的综合得分判别标准见表9，根据此判别标准确定出测试样本的水质等级。表820o9年东张水库监测断面水质主成分分析评价结果表Table8ScoresofthecomprehensivepollutionprincipalcomponentandthegradesinDon

16、zhangreservoirin2o09由表8可知，各断面I1月份水质得分均比3月份高，3个断面的水质好坏是：l1月份3月份7月份，即7月份东张水库水质较差。11月份的各监测断面均为II级水，3月份的库心和坝前断面为III级水，进口断面为级水，7月份各断面为V级水。研究区水质状况7月份水质最差，其次是3月水质较差，l1月份水质监测断面水质最好。分析主要原因是近几年环东张截污工程取得一定的成效，但农业面源的污染还是存在，水源保护区内种植速生林和果林在近几年呈发展的趋势，氮、磷肥的过度施用对水库在3月、7月出现中度富营养有一定的贡献，还有东张水库的氮、磷的内源贡献也是造成水库富营养物质浓度升高的重

17、要原因之一，内源贡献主要是水库底泥及沉积物的再悬浮或在一定环境条件下营养物质的释放，以及鱼类等排泄物。3结论利用主成分分析法能有效地反映东张水库水质的时间和空间变化特征，对因子选择和计算比较简单，对水质各样陈海鹰：主成分分析法在东张水库水质污染特征分析与评价的应用255本的具体情况进行综合比较并作出评价从对主成分特征的分析结果表明：(1)从水质时间特征分析结果表明，第一主成分反映东张水库理化特征和耗氧性有机污染物；笫二主成分反映东张水库富营养化程度；第三主成分反映有机污染物、营养性污染物和微生物特征。从水质空问特征分析结果表明，第一主成分反映东张水库理化特征和营养性污染物；第二主成分反映有机物

18、和微生物特征。(2)东张水库库心断面在20042009年时间跨度上，在2005年水质有所改善，但从2006年至2008年间，水质逐年下降，反映在此期间东张水库的污染程度在不断加重；从2009年开始水质得到改普。(3)2009年东张水库水质空间分布上表现为冬季水质最好达到lI级水，夏季水质最差达到V级水。春季水库水质达1lll和。水质状况不容乐观。参考文献1陈冰照东张水库环境污染现状及保护对策J福建环境，2003(4)：39-412陈冰照东张水库水环境污染调查J环境监测管理与技术，2003(05)：24-253江惠龙福清市东张水库饮用水水源污染控制与污染防治对策研究J化学工程与装备，2009(0

19、8)：204-2104冯利华环境质量的主成分分析J数学的实践与认识。2oo3(08)：32355孙成宝。李云丽环境质量评价中的主成分分析与全局主成分分析方法J甘肃联合大学学报(自然科学版)，2Oo6(O2)：21-256王佳建，王坤环境质量综合评价中的主成分分析方法J佳木斯大学学报(自然科学版)，2o02(1)：l18-1207刘臣辉，吕信红，范海燕。StudyofApplyingPrincipalComponentAnalysistoEnvironmental8王丹，倪长健TheApplicationofPrincipalComponentAnalysistoAirQualityEvalua

20、tionJ平顶山学院学报，201l(02)：112-115。9江家志，龙友国，郭光武，等黔南地区水体环境质量的主成分分析J现代预防医学，2009(15)：2827-28291O郭建辉，杨磊上海市环境空气质量影响参数主成分分析J中国科技信息，2005(15)：36-4111张成甫，朱杰，王珍，等运用主成分分析评价成都市地表水环境质量J西华大学学报(自然科学版)，2007(O6)：63-6512周秉荣。李风霞，申双和，等从IloDIS资料提取土壤湿度信息的主成分分析方法J应用气象学报。程常用消防设计规范简明应用J中国给水排水。2010(2O)：20-235王景龙，肖雪，周义坪水喷雾灭火系统设计及安

21、装应注意的几个问题J消防技术与产品信息。2006(1o)：6-9ApplicationofPrincipleComponentAnalysistoPollutionCharactersAnalysisandEvaluationofWaterQualityinDongzhangReservoirChenHal-ying(FuqinqEnvironmentalProtectionMonitoringStation,FuqingFujian350300)Abstract：Principalcomponentanalysis(PAC)wasapplledtocomprehensiveevaluatio

22、nofwaterqualityinDongzhangreservoirWehavestudiedtemporalandspatialchnagecharacteristicsofwaterquality，andthepollutionfactorscontributiontowaterqualityinDongzhnagreservoir；AndthechraacteristicsofwaterqaulitypollutionanditsrulesoftimespacechnagewererevealedTheresultsindicatedthatthecomprehensiveevaluationofwate