基于主成分分析法的现有水质评价体系改进探讨

马乐宽 谢阳村 温 勖 路 瑞 续衍雪 白 辉#(.环境保护部环境规划院，北京 000；.中广电广播电影电视设计研究院，北京 00045)

水环境质量的定量化客观评价是水资源可持续利用的前提，是环境管理与决策的依据。我国关于地表水水质评价方法的研究较多，主要包括水质类别判定法、污染指数法和分级评分法。水质类别判定法即单因子评价法，其将断面水质监测值与《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中限值进行比较，选取污染最严重指标的类别作为该断面水质类别[1]。实际上，单因子评价法遵循一票否决原则。在当前水环境管理工作中，便采用单因子评价法对河流、湖库断面的水质进行评价。单因子评价法简单、操作性强，但若对全指标进行单因子评价，则体现了过保护思想，不利于国家、地方环保部门作出科学的管理决策。因此，合理选择评价指标对河流水质进行科学评价，已成为当前水环境管理的热点和难点问题[2]。

近年来，随着多元统计方法的发展，主成分分析法(PCA)已广泛应用在水、大气、土壤等环境介质的评价中[3]。PCA能从多个指标中筛选具有代表性的主成分指标，简化数据结构，排除对水域环境功能影响较小的指标，使得单因子评价能更客观、准确地反映河流水质[4]。本研究联合应用PCA、单因子评价法，对全国河流断面进行水质评价，并与单纯的单因子评价结果进行对比分析，以期为流域水环境质量评价方法的改进提供参考。

1 材料和方法

1.1 样品采集与分析

2012年在全国主要河流布设765个国控河流断面，分布于长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西北诸河和西南诸河等10大流域。于每月5—10日采水样1次。现场及实验室监测指标为pH、DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、氨氮、TP、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物等21个指标。水样采集按《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)进行，水质理化指标测定按文献[5]进行。

1.2 PCA

PCA的基本思想是认为在众多有相关性的指标间必然存在着起支配作用的主要指标，通过对原始变量相关矩阵内部结构关系的研究，可找出影响水环境质量的主要指标，删除部分次要指标，抓住了造成污染的主要成因[6-10]。PCA筛选主要指标的具体操作步骤如下：(1)输入样本矩阵，将成本型指标正向化；(2)将样本矩阵标准化；(3)求标准化矩阵的特征值及特征向量；(4)建立主成分，按照累积方差贡献率>60%的准则，确定主成分个数及指标；(5)计算各指标在不同主成分上的载荷量，载荷量越大，说明该指标对评价结果的影响越大，可认为对应的指标越重要。

2 结果和讨论

2.1 河流主要污染指标

由于pH、DO影响不大，之后的研究主要集中考察其余的19个水质指标。用SPSS软件将19个水质指标数据进行Z-Score标准化，并对标准化后的数据进行相关性分析。由表1可见，高锰酸盐指数和多数指标呈现较好的相关性，其与COD、BOD5、氨氮的相关系数分别为0.883、0.732、0.615。其他部分指标间也呈现良好的相关性，如COD和BOD5的相关性系数为0.848、氨氮和TP为0.764、氨氮和BOD5为0.740、BOD5和TP为0.711。

由表2可知，前5个主成分的特征值均大于1，且方差累积贡献率达60%以上，说明这5个主成分反映了原始变量提供的60.734%的信息。根据综合评价的需要，用上述5个主成分代替19个指标变量。

主成分载荷矩阵反映了每个指标在主成分上的重要程度，通过比较各指标在主成分1上的载荷量(见表3)，可确定影响我国河流水质的主要指标有高锰酸盐指数、BOD5、氨氮、COD、TP、阴离子表面活性剂。从6个指标Ⅴ或劣Ⅴ类断面在全国河流的分布特征看，高锰酸盐指数、阴离子表面活性剂Ⅴ或劣Ⅴ类断面主要集中在海河、松花江流域；COD、氨氮、BOD5Ⅴ或劣Ⅴ类断面主要集中在海河、淮河、黄河、辽河和松花江流域；TP Ⅴ或劣Ⅴ类断面主要集中在海河、淮河、辽河、松花江和长江流域。由此可见，当前水环境污染呈现一定流域特征。

2.2 河流水质评价结果

对19个指标进行单因子水质评价，765个国控河流断面Ⅰ～Ⅲ、Ⅳ～Ⅴ、劣Ⅴ类断面比例分别占66.4%、22.1%、11.5%，主要污染指标为高锰酸盐指数、BOD5、COD、氨氮、TP和阴离子表面活性剂。

先利用PCA筛选出河流断面的主要污染指标为高锰酸盐指数、BOD5、COD、氨氮、TP和阴离子表面活性剂，再以此6个指标对河流断面进行单因子水质评价，则Ⅰ～Ⅲ、Ⅳ～Ⅴ、劣Ⅴ类断面比例分别占69.6%、19.0%、11.4%。

从评价结果看，两种方法无显著差异，体现在：(1)从污染指标看，两种方法均识别出河流断面的主要污染指标为高锰酸盐指数、BOD5、COD、氨氮、TP和阴离子表面活性剂，两种方法呈现一致性。(2)从水质类别看，采用PCA-单因子评价法评价后，其中1个劣Ⅴ类断面提升至Ⅱ类，原因为松花江源头的瀑布下断面氟化物呈劣Ⅴ类，其余指标均达Ⅱ类；2个Ⅴ类断面提升至Ⅲ和Ⅳ类，原因为挥发酚呈Ⅴ类，其余指标均达Ⅳ类；15个Ⅳ类断面提升至Ⅲ类以上，原因为石油类呈Ⅳ类，其余指标均达Ⅲ类。而氟化物、挥发酚、石油类3个指标为特征污染物，且多为背景值超标，不至于影响水体使用功能，若按类别标准严格进行评价，则对水体实施了过保护。由此可见，将PCA与单因子评价法联合应用于河流水质评价，更能真实、客观地反映河流水质状况，有利于环保部门作出科学的管理决策。

2.3 改进建议

目前，国家及地方环境管理部门采用单因子评价法对河流全指标进行评价，若有1个水质指标超标，则认为所属水域不能满足使用功能，对部分影响水域使用功能较小的指标并未放宽要求，不利于管理部门准确认识河流水质状况。建议在水质评价过程中，首先利用PCA将评价指标分为主要和次要指标，若主要指标超标，则认为水质未达到类别要求；若次要指标超标，则认为水域使用功能受到威胁，但依然达到水质类别要求。通过对水质指标分类评价，准确掌握河流水质状况，并提出有针对性的水环境保护政策措施。

3 结 论

(1) 利用PCA识别我国河流国控断面主要污染指标为高锰酸盐指数、BOD5、COD、氨氮、TP和阴离子表面活性剂，且污染呈现一定流域特征。

(2) 分别利用单因子评价法、PCA-单因子评价法评价2012年全国河流水质状况，从污染指标识别看，两种方法的识别结果较一致；从水质类别评价看，将PCA与单因子评价法联合应用于河流水质评价，更能真实、客观地反映河流水质状况，有利于作出科学管理决策。

表1 2012年河流水质指标相关关系Table 1 River water quality indicator correlation matrix in 2012

表2 水质指标方差分解主成分提取分析Table 2 Water quality indicator variance decomposition main component extraction analysis

表3 2012年各水质指标主成分载荷量Table 3 Water quality indicators principal component loading matrix in 2012

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