基于主成分分析及單因子指數(shù)法的青通河水質(zhì)評(píng)價(jià)

方宇媛，徐正韻，謝海賓，石夢(mèng)琴，李迎澳，李天貴

（池州學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，安徽池州247000）

由于人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)，大量的生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)廢水以及各種廢棄物直接流入水體，水體所能承受污染物的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流入水體的污染物量，導(dǎo)致地表水水質(zhì)惡化，污染范圍擴(kuò)大，水環(huán)境問(wèn)題更加突出，水資源逐漸減少[1-2]。因此，了解地表水污染情況，分析流域主要污染物，對(duì)于控制流域主要污染物排入水體，改善水質(zhì)狀況而言尤為重要[3-4]。

針對(duì)河流水質(zhì)污染狀況，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了較多的研究。徐袈檬[5]等利用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法等方法研究了北方典型城市地區(qū)的地表水和地下水水質(zhì)污染情況；張瑩瑩[6]利用水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和主成分分析法開(kāi)展敖江流域水質(zhì)污染及變化趨勢(shì)。裴培[7]利用有機(jī)污染指數(shù)和富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法評(píng)價(jià)了渤海海域的水體污染現(xiàn)狀和富營(yíng)養(yǎng)化水平。付寧[8]等以蘭州市地表水為研究對(duì)象，采用水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)法分析其水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)。王竹[9]等采用綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、單因子指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法及主成分分析法對(duì)海河流域?yàn)春酉掠味嗡|(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示不同的評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果不完全一致，其中采用單因子指數(shù)法和主成分分析法相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法不僅在計(jì)算過(guò)程中簡(jiǎn)潔方便，同時(shí)能夠滿足流域水質(zhì)評(píng)價(jià)的要求。

綜合國(guó)內(nèi)水質(zhì)評(píng)價(jià)的相關(guān)研究結(jié)果可知，目前并無(wú)普適性的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。本文選用被廣泛應(yīng)用的單因子指數(shù)法和主成分分析法，針對(duì)池州市境內(nèi)的青通河開(kāi)展水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，探討青通河流域的主要水質(zhì)污染因子。研究結(jié)論可以為青通河的治理和規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

青通河屬于大通河支流，發(fā)源于九華山東麓的岔泉嶺，主干長(zhǎng)41km，控制面積388.7km2。根據(jù)《池州市水功能區(qū)劃》，青通河從牛橋水庫(kù)至蓉城鎮(zhèn)河段屬于保留區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅱ類，青通河從蓉城鎮(zhèn)至入江口河段屬于開(kāi)發(fā)利用區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類。

青通河河口設(shè)有國(guó)家水質(zhì)控制斷面，斷面考核目標(biāo)水質(zhì)為Ⅱ類。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

2.1.1 單因子指數(shù)法及超標(biāo)倍數(shù)法 利用公式（1）計(jì)算各水質(zhì)指標(biāo)的單因子指數(shù)，當(dāng)單因子指數(shù)大于1時(shí)，代表該水質(zhì)指標(biāo)超過(guò)了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。單因子指數(shù)法可以直觀的看出各水質(zhì)指標(biāo)濃度與評(píng)價(jià)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，而被廣泛應(yīng)用[10-13]。其計(jì)算公式如下：

其中，Pi——第i項(xiàng)污染物的單因子評(píng)價(jià)指數(shù)；

Ci——第i項(xiàng)污染物的平均濃度，mg/L;

Si——第i項(xiàng)污染物的評(píng)價(jià)指標(biāo)值，mg/L

超標(biāo)倍數(shù)法主要用于評(píng)價(jià)水質(zhì)污染的程度和主要污染物的確定，其計(jì)算公式見(jiàn)下式：

2.1.2 主成分分析法 主成分分析是將具有一定相關(guān)性的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)方法重新組合并設(shè)法從眾多具有一定相關(guān)性的原始變量中導(dǎo)出少數(shù)互相無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo)的分析方法，這些綜合指標(biāo)可以盡可能多地保留原始變量的信息[14-16]。

2.2 研究數(shù)據(jù)

2017-2018年，池州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)青通河河口斷面進(jìn)行例行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為每月取樣分析一次。選用例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的CODCr、CODMn、NH3-N和TP共4項(xiàng)具有代表性的指標(biāo)進(jìn)行研究。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2017年水質(zhì)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明（圖1），除6月份外，所有月份水質(zhì)指標(biāo)均可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2002規(guī)定的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)超標(biāo)倍數(shù)計(jì)算（表1），6月份中，主要的超標(biāo)因子是CODCr，超標(biāo)倍數(shù)為0.27倍。

圖1 2017年青通河河口水質(zhì)單因子指數(shù)變化趨勢(shì)圖

表1 青通河2017年超標(biāo)因子、超標(biāo)倍數(shù)和現(xiàn)狀水質(zhì)

2018年，青通河水質(zhì)出現(xiàn)了顯著下降的趨勢(shì)（圖 2），CODCr、CODMn、NH3-N 和 TP四項(xiàng)指標(biāo)在2018年的不同月份均出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)。超標(biāo)倍數(shù)計(jì)算結(jié)果表明（表2），超標(biāo)倍數(shù)最大的三項(xiàng)指標(biāo)為 CODCr、CODMn和 NH3-N，分別為 2.20 倍、1.48倍和0.70倍，為該斷面的主要污染物。

圖2 2018年青通河河口水質(zhì)單因子指數(shù)變化趨勢(shì)圖

表2 青通河2018年超標(biāo)因子、超標(biāo)倍數(shù)和水質(zhì)現(xiàn)狀

3.2 青通河水質(zhì)主成分分析

為了能夠與根據(jù)單因子指數(shù)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選取的分析指標(biāo)為 CODCr、CODMn、NH3-N和TP。

利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，經(jīng)軟件計(jì)算得出2017年的水質(zhì)指標(biāo)的主成分及特征值如表3所示。分析數(shù)據(jù)顯示，青通河河口斷面水質(zhì)指標(biāo)的第1和第2主成分的特征值均大于1，且第1和第2主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)70.733%。因此，通過(guò)前2個(gè)主成分可以總體上反映出水質(zhì)數(shù)據(jù)信息，可以利用前2個(gè)主成分評(píng)價(jià)2017年青通河水質(zhì)。選擇主成分1和2，計(jì)算4種水質(zhì)指標(biāo)與之所對(duì)應(yīng)的載荷系數(shù)形成主成分得分，結(jié)果如表4所示。將4種指標(biāo)的各個(gè)主成分得分與相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率相乘，然后將各指標(biāo)的得分相加得到各個(gè)指標(biāo)主成分綜合得分，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行從大到小的排序。如表5所示。

由前文的分析可知，2017年影響青通河水環(huán)境因子分為2類：主成分1貢獻(xiàn)率為41.836%；主成分2貢獻(xiàn)率為28.897%；影響水環(huán)境的各因子主成分綜合得分按從大到小的順序排列為CODCr、CODMn、TP和NH3-N?？梢?jiàn)，2017年青通河河口斷面水質(zhì)主成分分析的結(jié)果與前面的單因子指數(shù)分析結(jié)果一致。

表3 2017年水質(zhì)指標(biāo)主成分及特征值

表4 2017年各水質(zhì)指標(biāo)與主成分得分

表5 2017年各水質(zhì)因子得分及排序

利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得出2018年的水質(zhì)指標(biāo)的主成分及特征值，見(jiàn)表6。結(jié)果表明，青通河的第1和第2主成分的特征值均大于1，且第1和第2主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)88.554%。因此，可以選擇前2個(gè)主成分評(píng)價(jià)2018年青通河水質(zhì)。選擇主成分1和2，計(jì)算4種水質(zhì)指標(biāo)與之所對(duì)應(yīng)的載荷系數(shù)形成的主成分得分，見(jiàn)表7。將4種指標(biāo)的主成分1和主成分2的得分與相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率相乘，并將其乘積相加得到各個(gè)指標(biāo)的主成分綜合得分，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行從大到小的排序，結(jié)果見(jiàn)表8。

表6 2018年水質(zhì)指標(biāo)主成分及特征值

表7 2018年各水質(zhì)指標(biāo)與主成分的得分

表8 2018年各水質(zhì)因子得分及排序

從前面的分析結(jié)果可知，2018年影響青通河水環(huán)境因子分為2類：主成分1貢獻(xiàn)率為58.017%；主成分2貢獻(xiàn)率為30.537%；影響2018年青通河河口斷面水環(huán)境的各因子主成分綜合得分按從大到小排列為 CODMn、CODCr、NH3-N和TP。該結(jié)果與單因子指數(shù)分析的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

利用斷面例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用單因子指數(shù)法分析了青通河河口斷面水質(zhì)現(xiàn)狀，并利用主成分分析法分析斷面的主要水污染因子，得出了2017年和2018年青通河的總體污染情況。研究結(jié)果表明，2017年青通河河口斷面水質(zhì)總體較好，但2018年出現(xiàn)了明顯下降趨勢(shì)，2018年1月-5月，分別有不同水質(zhì)指標(biāo)出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)。2018年6-8月水質(zhì)總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但進(jìn)入9月份后，水質(zhì)又出現(xiàn)惡化趨勢(shì)。主成分分析結(jié)果表明，2018年青通河河口斷面主要水質(zhì)污染因子為CODMn、CODCr，表明河流受有機(jī)物污染較嚴(yán)重。