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主成分分析法的武烈河流域水質(zhì)探究

論文導(dǎo)讀::而主成分分析法(PCA)利用降維技術(shù)把多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)主成分。武烈河流域目前還缺少水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)研究。水質(zhì)評(píng)價(jià)涉及的影響因子眾多。
論文關(guān)鍵詞:主成分分析法,武烈河流域,水質(zhì)評(píng)價(jià)

  引言
  水質(zhì)評(píng)價(jià)涉及的影響因子眾多,導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析中某些重要信息受到干擾甚至被掩蓋,影響綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[1]。目前,常用的水環(huán)境評(píng)價(jià)方法主要有簡(jiǎn)單指數(shù)法、分級(jí)加權(quán)平均法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、普通概率統(tǒng)計(jì)法等[2-3],但卻無(wú)法解決水環(huán)境系統(tǒng)多因子問(wèn)題[4]。而主成分分析法(PCA)利用降維技術(shù)把多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)主成分,對(duì)高維變量進(jìn)行綜合和簡(jiǎn)化,并且能夠客觀地確定各指標(biāo)的權(quán)重,取前后方差較大的幾個(gè)主成分因子來(lái)代表所有因子,能夠減少原始數(shù)據(jù)信息損失、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、避免主觀隨意性環(huán)境保護(hù)論文,目前已廣泛應(yīng)用于水環(huán)境、大氣環(huán)境、土壤環(huán)境以及區(qū)域綜合評(píng)價(jià)中[5-9],如李湘凌等利用層次聚類發(fā)和主成分分析法解析研究銅陵市大氣降塵污染元素來(lái)源[10],劉總堂等運(yùn)用主成分分析法研究云南湖庫(kù)水體中重金屬分布[11],伊元榮等[12-13]采用主成分分析法分別評(píng)價(jià)了伊犁河和南淝河河流水環(huán)境質(zhì)量;LOSKA等[14]對(duì)Rybnik水庫(kù)表層沉積物中的重金屬來(lái)源作了分析;李瓊等[15]利用主成分分析法評(píng)估我國(guó)98年洪災(zāi)損失等。但是,武烈河流域目前還缺少水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)研究。
  為解決流域防洪安全、水資源供需矛盾、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題,《全國(guó)大型水庫(kù)建設(shè)規(guī)劃(2008-2012年)》和《海河流域防洪規(guī)劃(2007年)》等規(guī)劃提出修建雙峰寺水庫(kù),該水庫(kù)位于武烈河流域石洞子川、鸚鵡川、茅溝川、頭溝川等4條支流匯合口以下、承德市區(qū)上游[16](圖1)。本文利用MATLAB軟件,采用主成分分析法對(duì)武烈河流域水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),旨在為流域水資源合理開(kāi)發(fā)利用、雙峰寺水庫(kù)水環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)理論和參考,也為治理域環(huán)境狀況提供依據(jù)。
  
  圖1武烈河及雙峰寺水庫(kù)工程位置
  Figure 1 The locationof Shuang Fengsi reservoir andWu-lie River
  1區(qū)域概況
  武烈河流域地處灤河中游左岸,位于東經(jīng)117°42'~118°26'、北緯40°53'~41°42'之間。流域面積2580km2,流域上游有石洞子川、鸚鵡川、茅溝川、頭溝川等4條支流,呈扇形分布,雙峰寺水庫(kù)位于四條支流匯合后的武烈河干流上論文網(wǎng)。河道全長(zhǎng)114km,河道平均坡降10.8‰。流域涉及圍場(chǎng)、隆化、承德等縣,地勢(shì)北高南低,整個(gè)流域均屬土石山區(qū)(圖2)。
  
  圖2武烈河流域地形地貌圖
  Figure 2 The topographyand geomorphy of Wulie River basin
  流域處于暖溫帶和寒溫帶過(guò)渡地帶,屬大陸性燕山山地氣候,年平均氣溫8.9℃環(huán)境保護(hù)論文,1956~2008年系列多年平均年降水量為537.2mm,受中小尺度天氣系統(tǒng)影響,汛期7、8月份經(jīng)常出現(xiàn)歷時(shí)短、強(qiáng)度大、影響面積小的局部大暴雨。流域內(nèi)承德站地表水天然年均徑流量2.60億m3。 土壤主要有棕壤、褐土、草甸土三大類,沿河兩岸的河谷地帶多為草甸土。從土壤質(zhì)地上看,研究區(qū)主要以粉砂壤土、粘壤土、粉砂質(zhì)粘壤土為主。流域植被覆蓋度較高,主要植被類型有栽培植被,灌叢、闊葉林、草甸,并有少量針葉林分布(圖3-4)。
  
  圖3武烈河流域土壤類型分布圖 圖4 武烈河流域植被類型圖
  Figure 3 The distributionof soil types of Figure 4 The distribution ofPlant types of
  Wulie River basinWulie River basin
  2數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法
  2.1數(shù)據(jù)來(lái)源
  為了解流域重點(diǎn)斷面的水質(zhì)現(xiàn)狀,承德市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站2008-2010年對(duì)武烈河上的高寺臺(tái)鎮(zhèn)、黑山礦區(qū)排水口下游、雙峰寺小廟子壩址、上二道河子(水源地)、雹神廟、灤河污水處理廠下游等斷面進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括PH、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、總氮、總磷、氨氮、鉻、硫化物、氰化物等地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)項(xiàng)目。鑒于武烈河流域主要污染源來(lái)自鐵礦采選廢水、生活污水和農(nóng)業(yè)退水,本研究選取化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和溶解氧(DO)為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用其三年監(jiān)測(cè)均值進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。
  2.2主成分分析方法
  在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中,主成分分析法不僅能夠評(píng)價(jià)各監(jiān)測(cè)斷面的相對(duì)污染程度,還能夠確定造成污染的主要成分[17-18],具體計(jì)算步驟如下:
 。1) 建立原始矩陣
  設(shè)有m個(gè)樣本,每個(gè)樣本有n個(gè)指標(biāo)變量,建立原始變量矩陣,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;表示第i個(gè)樣本的第j項(xiàng)指標(biāo)值。
 。2) 標(biāo)準(zhǔn)化處理
  對(duì)原始矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,采用Z-Score變換進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生成新矩陣,其標(biāo)準(zhǔn)化公式為:
  (1)
  其中環(huán)境保護(hù)論文,,
 。3) 確定主成分
  計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化矩陣的相關(guān)系數(shù)矩陣R,并求相關(guān)系數(shù)矩陣的特征根(i=1,2,…P)和特征向量,將標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)變量變換成主成分:。其中,為第一主成分,為第二主成分,…,為第p主成分。
 。4) 確定主成分個(gè)數(shù)
  根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率確定主成分個(gè)數(shù),即按照方差占總方差的比例:
  (2)
  來(lái)選取。其中,,p為主成分的個(gè)數(shù)。
 。5) 構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)函數(shù)
     對(duì)主成分進(jìn)行加權(quán)求和,得到綜合評(píng)價(jià)函數(shù):
  (3)
  3區(qū)域水質(zhì)空間變化分析
  3.1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化
  對(duì)武烈河流域高寺臺(tái)上游、高寺臺(tái)下游、雙峰寺壩址、上二道河子、雹神廟和污水處理廠出水口下游六個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和溶解氧(DO)六個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,具體結(jié)果見(jiàn)表1。其中,溶解氧為逆指標(biāo),需先將其進(jìn)行倒數(shù)變換論文網(wǎng)。
  表1 標(biāo)準(zhǔn)化水質(zhì)數(shù)據(jù)表
  Table 1Standardized water quality data table
  

監(jiān)測(cè)斷面

COD

BOD5

TP

TN

NH3-N

DO

高寺臺(tái)上游

-1.4516

-0.7641

0.285

-0.2074

-0.3141

-0.6471

高寺臺(tái)下游

0.5975

1.2886

1.0178

0.0189

1.8516

0.931

雙峰寺壩址

1.0433

0.1482

0.3827

-0.886

-0.3637

-0.6999

上二道河子

-0.8076

-1.3228

-1.8158

-1.2253

0.0165

-0.9839

雹神廟

-0.2402

-0.2965

0.5293

1.0368

-0.0331

1.4989

污水處理廠出水口下游

0.8587

0.9465

-0.399

1.263

-1.1573

-0.099

3.2主成分確定
  第1、2、3主成分的特征值分別為3.0725、1.2738和1.0612,均大于1,方差貢獻(xiàn)率分別為51.2%、21.2%和17.7%,其累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.1%,大于85%環(huán)境保護(hù)論文,說(shuō)明這三個(gè)成分反映了原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)約90%的信息,所以可確定斷面的主成分個(gè)數(shù)為3(表2)。
  表2 特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率
  Table 2 Theeigenvalues, contribution rates and accumulated contribution rates of theprincipal components
  

主成分

特征值

貢獻(xiàn)率(%)

累計(jì)貢獻(xiàn)率(%)

1

3.0725

51.2

51.2

2

1.2738

21.2

72.4

3

1.0612

17.7

90.1

4

0.4052

6.7

96.9

5

0.1874

3.1

100

6

0.0000

0

100

3.3構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)函數(shù)
  從主成分載荷值來(lái)看,第一主成分貢獻(xiàn)率超過(guò)0.5,與其密切相關(guān)的是五日生化需氧量和溶解氧,說(shuō)明流域內(nèi)有機(jī)污染嚴(yán)重,與工農(nóng)業(yè)廢水排放密切相關(guān)。其次,第二主成分、第三主成分貢獻(xiàn)率均在0.2左右,與其相關(guān)性較大的是氨氮和總氮,易產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,需要采取預(yù)防措施(表3)。
  表3 主成分載荷值
  Table 3 Principlecomponent loading values
  

項(xiàng)目

主成分1

主成分2

主成分3

COD

0.6333

-0.3573

-0.6425

BOD5

0.8808

-0.164

-0.3619

TP

0.7985

0.2605

0.0742

TN

0.6622

-0.506

0.528

NH3-N

0.4001

0.8729

-0.1436

DO

0.812

0.1829

0.461

從方差貢獻(xiàn)率來(lái)看,第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為51.2%,要遠(yuǎn)大于第二、三主成分的貢獻(xiàn)率(21.2%和17.7%),說(shuō)明武烈河流域由第一主成分控制(BOD和DO),主要污染物為耗氧型有機(jī)物。
  根據(jù)主成分計(jì)算結(jié)果得到相應(yīng)主成分的計(jì)算表達(dá)式,具體如下:
  
  則可獲得綜合評(píng)價(jià)函數(shù):
  3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析
  根據(jù)上述綜合評(píng)價(jià)函數(shù),計(jì)算六個(gè)監(jiān)測(cè)斷面和全流域的水質(zhì)污染綜合得分(表4),對(duì)水質(zhì)污染程度進(jìn)行定量化描述,分值越大表明污染程度越嚴(yán)重,有利于對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的污染程度進(jìn)行分級(jí)。
  表4 武烈河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面評(píng)價(jià)結(jié)果
  Table 4 Assessmentresults of water-quality monitoring sections in the
  Wu-lie Riverbasin
  

監(jiān)測(cè)斷面

第一主成分H1

H1

排名

第二主成分H2

H2

排名

第三主成分H3

H3

排名

綜合

得分

污染程度

高寺臺(tái)上游

-1.2284

5

0.3815

3

0.8423

2

-0.443

5

高寺臺(tái)下游

2.1882

1

1.433

1

-0.5839

5

1.4652

1

雙峰寺壩址

-0.1162

4

-0.2609

5

-1.3919

6

-0.4001

4

上二道河子

-2.6986

6

0.4315

2

-0.2328

4

-1.477

6

雹神廟

1.0838

2

-0.0063

4

1.4988

1

0.9079

2

污水處理廠出水口下游

0.7712

3

-1.9788

6

-0.1325

3

-0.053

3

對(duì)比主成分得分環(huán)境保護(hù)論文,6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中的高寺臺(tái)下游斷面的水質(zhì)污染比較嚴(yán)重,與附近鐵礦采選處理和農(nóng)業(yè)退水有關(guān),需要采取有效的控制措施。而高寺臺(tái)上游、雙峰寺壩址、上二道河子和污水處理廠出水口下游斷面污染較輕。從流域總體來(lái)看,武烈河水環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好。
  4結(jié)論
  在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重干擾下,我國(guó)面臨水量型缺水和水質(zhì)型缺水的雙重威脅,水資源供需矛盾不斷加劇。本文利用MATLAB軟件,采用主成分分析法研究武烈河流域水質(zhì)的空間分布特征,研究結(jié)果表明:流域整體水環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好,但高寺臺(tái)下游斷面的水質(zhì)污染比較嚴(yán)重,五日生化需氧量和溶解氧的主成分貢獻(xiàn)率超過(guò)0.5,流域內(nèi)有機(jī)污染嚴(yán)重,需要控制工農(nóng)業(yè)廢水排放,采取有效措施遏制污染加劇、預(yù)防富營(yíng)養(yǎng)化爆發(fā)。

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