王海波 李虎平 侯俊林

摘要：選定內(nèi)蒙達拉特旗三晌梁地區(qū)40個地下水質(zhì)站點2年資料，在SPSS統(tǒng)計軟件的支持下，將主成分分析方法應(yīng)用于水環(huán)境的綜合評價之中。利用主成分綜合得分從評價分區(qū)、地下水水環(huán)境質(zhì)量評價等方面進行分析，分析結(jié)果理想,體現(xiàn)了主成分分析在水環(huán)境質(zhì)量評價中的實用性。

關(guān)鍵詞:主成分分析 水環(huán)境綜合評價

1. 引言

內(nèi)蒙古達拉特三晌梁工業(yè)園區(qū)是2001年初經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)人民政府批準(zhǔn)成立的自治區(qū)級開發(fā)區(qū)，它主要涉及煤化工、PVC管材及芒硝產(chǎn)業(yè)等，隨著生產(chǎn)規(guī)模逐年擴大，“三廢”排放量的增加，勢必造成地下水污染嚴(yán)重，因而對該區(qū)現(xiàn)有地下水水質(zhì)進行評價，非常必要和及時的，為防止該地區(qū)污染繼續(xù)加劇和保護水質(zhì)，提供前期的基礎(chǔ)研究，研究中采用了SPSS統(tǒng)計軟件和污染指數(shù)方法對地下水污染進行了綜合評價，取得了較好的效果。

SPSS ( Statistical Package for the Social Science)是由美國SPSS公司自20世紀(jì)80年代初開發(fā)的大型統(tǒng)計學(xué)軟件包，目前已推出SPSS 18.0 for Windows版本，具有統(tǒng)計功能強大、分析結(jié)果清晰、界面直觀、操作簡單、易學(xué)易用等特點。

主成分分析(Principal Component Analysis)就是考慮各指標(biāo)之間的相互關(guān)系，利用降維的方法將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個互不相關(guān)的指標(biāo)，從而使進一步研究變得簡單的一種統(tǒng)計方法。主成分分析是由Hotelling于1933年首先提出的，是利用“降維”的思想，在損失很少信息的前提下把多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標(biāo)，稱為主成分。

2. 基于SPSS的主成分分析

主成分分析方法 ( PCA法 )是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進行定量化研究, 理論比較完善的多元統(tǒng)計分析方法。其基本思想是認為在眾多有相關(guān)性的因子之間必然存在著起支配作用的共同因子。根據(jù)這一點, 通過對原始變量相關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究, 找出影響某一環(huán)境質(zhì)量的幾個綜合指標(biāo), 不僅保留了原始的主要信息, 又使其彼此之間不相關(guān), 比原始變量具有某些更優(yōu)越的性質(zhì), 使得在研究各種復(fù)雜的環(huán)境問題時容易抓住主要矛盾。

3. 主成分分析應(yīng)用實例

3.1 資料選取

本次水樣的采集采用了均勻布點的方式，在三晌梁地區(qū)共采集潛水簡分析樣40個，記錄了采樣點的坐標(biāo)（大地坐標(biāo)），采樣深度控制在0-50米的潛水層位，以期確定該地區(qū)潛水的水質(zhì)情況及污染程度。

3.2主成分分析

3.2.1主成分的確定

根據(jù)2007年三晌梁地區(qū)調(diào)查的40處水樣數(shù)據(jù)，共監(jiān)測了18項指標(biāo)進行分析。根據(jù)主成分分析法，先對原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，再求相關(guān)系數(shù)矩陣，由相關(guān)系數(shù)矩陣計算特征值。各主成分貢獻率與累計貢獻率見表1。由表1可知，前五個主成分的累計貢獻率已達82.96%，故只需求出第一、二、三、四、五主成分Z1、Z2、Z3、Z4、Z5即可，它們已能夠充分地反映40處樣點的地下水水質(zhì)綜合水平。計算主成分載荷，結(jié)果見表2。

3.2.2主成分綜合得分的計算

根據(jù)特征向量，求出主成分表達式：

3.3地下水質(zhì)量主成分分析

考察表2:第一主成分Fl與原始變量Na離子、碳酸鹽、氯離子、硫酸鹽和礦化度有一定的正相關(guān)。說明這5項是這一污染類型的主要污染因子，其余幾項指標(biāo)污貢獻率較??；第二主成分F2中，氨氮、亞硝酸鹽以及負硬度的貢獻率較大其余幾項指標(biāo)污貢獻率較?。坏谌鞒煞諪3中，氯離子、PH值和碳酸鹽對其的貢獻率較大；第四主F4中，亞硝酸鹽的貢獻率較大；第五主成分F5中，氟離子含量貢獻率較大。

根據(jù)綜合得分F的值，選取適當(dāng)?shù)姆种祬^(qū)間，可以將參評的地下水分為5個等級:

5等，F(xiàn)<-2.2；4等，-2.2

4. 結(jié)束語

主成分分析法在保證原始數(shù)據(jù)信息損失最小的前提下，經(jīng)過線性變換和舍棄部分信息，以少數(shù)的綜合變量取代原有多維變量，簡化了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使評價結(jié)果客觀合理，可以避免依據(jù)全觀評價確定指標(biāo)權(quán)重的不準(zhǔn)確性。應(yīng)用主成分分析法對和田地下水水質(zhì)進行綜合評價，并結(jié)合成因分析指出研究區(qū)地下水水質(zhì)的主要影響因子和地下水主要污染區(qū)，為地下水水質(zhì)評價和分區(qū)治理提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1] 王嵐，王亞平，許春雪等.多元校正分析在水環(huán)境地球化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].地質(zhì)通報，2009(2)：78-79.

[2] 胡鍵穎，馮泰編.實用統(tǒng)計學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1997.

[3] 張崇甫，陳述云，胡希鈴.統(tǒng)計分析方法及其應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1995.

[4] 李波，濮培民，韓愛民.洪澤湖水質(zhì)的因子分析[J].中國環(huán)境科學(xué)，2003，23(1)：69-73.

[5] 何興江，張信貴，易念平，等.基于SPSS的城市區(qū)域地下水變異Factor Analysis過程[J].地質(zhì)與勘探，2006，1(1)：93-96.

[6] 朱萬森，陳紅光，劉志榮等.應(yīng)用因子分析法對地面水質(zhì)污染狀況的研究[J].復(fù)旦大學(xué)學(xué)報，2003，42(3)：72-74.

[7] 王蘇明，王亞平.水分析技術(shù)進展[J].巖礦測試，1998，17(3)：165-167.

[8] 何曉群.多元統(tǒng)計分析[M].2版.北京：中國人民大學(xué)出版社，2009：223-225.