主因子分析法在东江湖水质评价中的应用

陈荣, 李雄华



主因子分析法在东江湖水质评价中的应用

陈荣, 李雄华

(中南林业科技大学生命科学与技术学院, 湖南长沙, 410014)

为了科学地评价东江湖水质, 选取了东江湖10个常规断面, 根据11个水质指标进行评价。利用主因子分析模型分析了污染成因, 并与单因子指数法、平均综合评价法得到的结果进行了比较。研究结果表明: 10个断面水质均达到国家地表水Ⅲ类标准, 其中小东江、头山、白廊3处水质状况最好; 在两个季度中,1和3均在黄草镇燕子排断面出现最高点,2最高点出现在高龙村滁口。东江湖总体水质良好, 但码头、黄草镇燕子排和高龙村滁口断面比其他断面水质差, 需采取有效防控措施。

主因子分析法;东江湖;水质评价

不同的水质指标所组成的复杂体系构成了水质评价系统, 每个指标都从不同的方面反映水体质量, 指标之间具有一定的相关性, 水质评价就是依据这些水质指标对水质进行现状评价。Jacobs H L[1]提出了水质评价的质量指数法(WQI), 标志着水质现状评价工作的开端, 水质评价历经了几十年的发展, 已有几十种评价方法, 主要包括单因子评价法、污染指数法、模糊评价法、灰色评价法、物元分析法、神经网络法、主因子分析法等[2–7]。主因子分析法是利用降维的方法, 将多个指标变量因子纳入同一个系统从而转化为少数几个综合指标因子进行定量研究且较完善的多元统计分析方法[8–9]。

东江湖是国家“六五”重点能源工程——东江水电站的蓄水水库, 也是湖南省重要的水源地, 因此很有必要对东江湖水质进行科学评价。本文首先采用主因子分析法确定综合指标因子, 对东江湖的10个断面进行分析评价, 再通过与单因子分析法和平均综合评价法得到的结果进行比较, 分析污染成因, 以期对东江湖水环境保护提供科学依据。

1 研究对象与样品采集

东江湖位于资兴市南部, 是湘江一级支流耒水上游的一座大型水库, 流域面积4719 km2, 占耒水流域总面积的39.6%, 湖面面积160 km2, 总库容9.74 × 109m3, 正常蓄水量8.12 × 109m3。流域内52个乡镇(其中资兴14个乡镇、汝城18个乡镇、桂东17个乡镇、宜章3个乡镇), 总共60.41万人, 素有“湘南洞庭”之美称[10]。东江湖水位海拔为280 m, 比长沙海拔高230 m, 湖水可自流至长沙。充分利用东江湖优质洁净的水资源, 向长沙、株洲、湘潭、衡阳、郴州5市13个县(市)提供优质饮用水, 可以让1 300万人受益[11]。根据东江湖流域的水文状况和主体功能区的设置, 郴州市环保监测站在东江湖设了13个常规监测断面。本研究在2014年3月以及6月的枯水期进行采样, 选取东江湖区域的10个监测断面, 分别是清江大垅、码头、湖体水流右侧库岔、坪石库岔、黄草镇燕子排、高龙村滁口、东坪、小东江、白廊、头山。涉及常规水质监测指标共11项, 分别是温度、pH值、溶解氧(O)、高锰酸钾指数、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮、总氮、砷、氟化物、铜、粪大肠菌群个数。水样采集按照《地表水和污水检测技术规范》和《水质分析方法国家标准汇编》的相关规范进行。

2 研究方法

主因子分析法是一种定量的方法, 通过将一组相关的变量转换成一组不相关的变量, 再根据方差递减的顺序排列, 最大方差的因子成为第一主成分, 并根据此逻辑依次类推, 最后一个主因子方差最小, 并且与之前的主因子都不相关[12–14]。例如,个水样监测了个因子变量, 则形成了一个×阶矩阵, 由于变量之间存在无量纲的影响, 因此需要将矩阵标准化。标准化的关系式为=-E/δ, 其中E是的期望值, δ是的标准差。标准化后形成新的矩阵, 即的标准化矩阵。通过特征方程|-| = 0计算矩阵的特征值和特征向量, 从而确定各个因子所起作用的大小。通过计算因子贡献率和累积贡献率, 确定公因子个数。因子贡献率体现的是每个因子的变异程度占所有因子变异程度的百分比。主因子评价主要通过因子模型确定主因子得分, 并通过得分结果确定污染程度。其模型为:1=111+122+ ··· +1px;2=211+222+ ··· +2px; ··· ;F=a11+a22+ ··· +ax。综合得分的计算公式为= (11+22+ ··· +FC)/。其中:F为不同主因子的得分;a为第个主因子的第项指标的得分系数;为水质指标数;x为不同水质指标标准化后的数据;C为第个主因子的旋转后方差百分比;为个主因子的累积方差百分比;为断面的综合得分。

单因子指数法是通过实测指标浓度与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的标准值之间的比值, 从而确定水质是否达标的一种方法。综合污染指数法则是在单因子指数的基础上, 将多个单因子指数求平均值评价水质的方法。

单因子指数公式为P=C/si。其中:P为第项指标指数;C,si分别表示第项污染物的实测浓度和标准浓度。

pH的指数计算公式为pH= 7.0-pH/7.0-pHsi, pH< 7.0, pHsi= 6.5;pH= pH-7.0/ pHsi-7.0, pH≥ 7.0, pHsi= 8.5。其中, pH和pHsi分别为pH的实测值和标准值。

溶解氧(O)的指数计算公式:= |Of-Oi|/(Of-Osi),Oi≥Osi;= 10-9O/Osi,Oi≤Osi;Of= 468/(31.6 +)。其中:Of为饱和溶解氧浓度;O,Osi分别为溶解氧的实测值和标准值。

平均综合评价指数是通过平均加权单因子的污染指数, 是确定污染程度的一种方法, 其计算公式为WQ=。其中,为第项水质指标的单因子指数,为水质指标的个数。

3 结果与分析

原始数据存在量纲和数量级的影响, 用SPSS 19.0软件将2014年6月的试验数据按照标准化公式进行标准化, 标准化数据见表1。对标准化后的数据进行相关性分析, 得出相关系数矩阵[15]。从相关系数矩阵可以看出, 绝大部分数据的绝对值大于0.3, 表明指标之间存在较大的相关性, 因此适合采用主因子分析法进行分析。

表1 东江湖各指标的标准化数据表

用SPSS软件计算标准化矩阵的特征值和方差百分比, 采用方差最大化直角旋转法, 使具有载荷较大因子的变量个数降到最少。由表2可知, 前3种主因子反映了总方差的83.619%, 因此前3种主因子足以代表所有因子反映水质状况。

表2 旋转矩阵及得分系数矩阵

由主成份载荷矩阵可知, 其中1占总方差的46.241%, 旋转后占40.757%。与1密切相关的是水温、溶解氧、高锰酸钾、BOD5、粪大肠菌群。这些关系的绝对值均超过75%, 说明与1存在较大的相关性(表2), 其中最相关的是BOD5, 为0.972, 说明水中含有的有机污染物比较多, 由于水体中消解有机物需要消耗水中的溶解氧, 因此溶解氧的百分比为负数。2占总方差的25.402%, 与2相关的有pH、氨氮、总氮, 其中总氮为0.940, 氨氮为0.839, 说明与2相关的主要为氨氮营养盐。

由主因子成因分析可知, 形成1、2相关的好氧有机物和氨氮营养盐污染物主要来自城镇生活污水、农业污染和渔业污染。由于污水处理厂处理能力严重不够, 因此一部分生活用水也会直接排放至水体中, 城镇生活垃圾随便乱丢的现象也比较严重, 直接导致有机物污染增加。农业污染源主要是农村生活污水排放、畜禽养殖和农田径流, 农业集中区大部分都集中在二级饮用水源保护区区域, 这些污染源大部分都是直接排放至湖体, 直接造成水体中有机物和营养物质的增加。渔业污染源主要是指通过网箱养鱼, 向水体投入相当数量的鱼饲料, 会一定程度地影响水体环境。目前, 东江湖有养鱼网箱13 000口, 主要集中于二级饮用水源保护区域。旅游污染物主要排放在东江大坝、兜率岩景区、黄草景区和白廊景区, 即东江湖二级饮用水源保护区域和东江湖一级饮用水源保护区域。

3占总方差的17.459%, 与3相关的是氟化物、砷和铜, 其中砷为0.900, 说明与3相关的为有毒有害物质, 主要是工业污染源。工业企业发展造成的环境问题主要是库区上游个别矿区非法采选矿十分猖獗。这些非法小型采选矿企业一般未建尾砂坝, 采选矿废水未经处理直接排放, 导致部分河段水质变差。矿山开采造成植被破坏, 产生局部较为严重的水土流失。

将断面每个季度的标准化数据和得分系数矩阵代入2个主因子得分公式中, 计算2个主因子的得分, 说明了不同污染物在每个季度水体的贡献程度, 计算结果见表3。

表3 主因子得分表

由表3可知,1的得分在一季度和二季度表现出相同的变化趋势, 小东江、白廊、头山的污染程度最低, 水质状况比较好, 这与这3个断面为饮用水源一级保护区有关, 其相关的环境标准及管理相对严格。一季度1得分最高出现在为0.85, 而二季度的得分为0.626, 说明该断面(黄草镇燕子排)受第一主因子相关的有机污染物污染。一季度和二季度的2都在高龙村滁口断面出现最高点, 分别是0.782和0.704, 说明这个断面受氨氮营养盐的污染相对较重。3在一季度和二季度的得分最高点都出现在黄草镇燕子排, 分别为0.552和1.096, 说明该断面受有毒有害物质的污染比较多。从2个季度综合得分值可以得到各个断面主因子综合得分。总体来说, 小东江、白廊和头山的污染程度最低, 主要原因是小东江、白廊和头山是根据《东江湖流域水污染规划分区体系》的规划, 作为郴州市重要的水源保护地, 在此区域水质指标控制比较严。而码头、湖体水流右侧库岔、黄草镇燕子排和高龙村滁口存在一定的污染, 其中黄草燕子排和高龙村滁口污染最重。原因可能是这2个断面处于浙水下游, 上游区域生活污水、农业污染源比较多, 并且大部分直排入水体中, 另外上游区域也存在很多工业企业和矿产企业, 加重了有毒有害物质的污染。

4 单因子评价及平均综合指数评价

根据国家地表水标准的要求, 东江湖属于二级饮用水源保护区, 应符合国家地表水Ⅲ类标准。将单因子指数法应用于东江湖水质评价中,计算每个单因子的污染指数, 可以得出东江湖所有断面均达到国家地表水Ⅲ类标准, 其中小东江、白廊、头山断面达到Ⅱ类水质标准。通过对各个指标之间的横向比较可知, 小东江、白廊、头山的BOD5指数均为0.15, 其他断面的污染指数较高, 均在0.75以上, 总氮、氨氮的指数次之, 由此可知, 各个断面受有机物及氨氮营养盐污染的影响最大。将单因子污染指数代入平均综合指数公式中, 结果见表4。由表4可知, 2个季度的污染指数的变化趋势基本一致, 第1季度污染指数最高点出现在黄草镇燕子排, 污染指数为0.366, 第2季度与第1季度污染程度相差不大, 为0.379, 码头、东坪断面第2季度比第1季度相对污染有所增加, 水质相对第1季度较差, 其它断面未出现明显变化。

表4 2种方法结果比较

5 结论

本文分别采用3种方法进行评价, 结果都是小东江、白廊、头山水质状况最佳, 而码头、黄草燕子排和高龙村滁口相对其它断面水质较差。这3种方法各有其优缺点: 单因子指数法通过对每一类污染物确定污染程度, 要求指标因子全面, 其通过最劣污染指标项确定污染等级, 具有一定的主观性, 虽然不能很好地把握整体污染水平及变化趋势, 但方法简便, 可以很清晰地了解污染物的超标倍数, 便于分析断面污染原因。平均综合指数评价法则与单因子指数相反, 它可以很好反映整体污染程度和变化趋势, 但无法确定主要污染物及污染原因。主因子分析法可在信息不全的情况下, 用较少的指标因子取代多指标因子的水环境信息。在识别主要污染物方面, 主因子分析法通过总方差贡献率和因子载荷信息作为因子权重, 从而确定主要污染物。在确定主因子得分方面, 主因子分析法运用标准化方式、得分系数和方差百分比进行确定, 能够定量反映水质的差异性, 能够进动态分析, 但其存在不能确定水质级别和污染超标程度的缺陷。因此,分析3种评价方法的优缺点, 综合利用这些方法可以更加科学地评价水质。

参考文献：

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(责任编校: 刘刚毅)

Application of the main factor analysis to water quality assessment of Dongjiang lake

Chen Rong, Li Xionghua

(College of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410014, China)

For the purpose of the scientific evaluation water quality assessment of Dongjiang lake, 10 conventional sections and 11 water indexes are chosen from Dongjiang lake to constitute evaluation by the model of main factor analysis. The main factors affecting water quality are found out by using the main factors, and compared with the single factor index method and the average comprehensive evaluation method to find the advantage of the main factor analysis. The research shows that 10 conventional sections all reach quality III. In which, Small Dongjiang, Toushan and Bailang are better. In the first main fator score1and3, the highest score is Yanzipai in Huangcao town, and the second main factor score2is Chukou in Gaolong village.Above all,the water quality of Dongjiang lake is well, but compared with other sections, the water quality of Matou, Yanzipai and Chukou are relatively poor, and which should be taken effective measures to prevent and control.

the main factor analysis; Dongjiang lake; water quality assessment

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.04.014

X 824

1672–6146(2015)04–0064–05

陈荣, 897427565@qq.com; 李雄华, 1275358480@qq.com。

2015–08–07