馬樂寬 謝陽村 溫 勖 路 瑞 續(xù)衍雪 白 輝#(.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 000；.中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 00045)

水環(huán)境質(zhì)量的定量化客觀評(píng)價(jià)是水資源可持續(xù)利用的前提，是環(huán)境管理與決策的依據(jù)。我國關(guān)于地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的研究較多，主要包括水質(zhì)類別判定法、污染指數(shù)法和分級(jí)評(píng)分法。水質(zhì)類別判定法即單因子評(píng)價(jià)法，其將斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)值與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中限值進(jìn)行比較，選取污染最嚴(yán)重指標(biāo)的類別作為該斷面水質(zhì)類別[1]。實(shí)際上，單因子評(píng)價(jià)法遵循一票否決原則。在當(dāng)前水環(huán)境管理工作中，便采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)河流、湖庫斷面的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。單因子評(píng)價(jià)法簡單、操作性強(qiáng)，但若對(duì)全指標(biāo)進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)，則體現(xiàn)了過保護(hù)思想，不利于國家、地方環(huán)保部門作出科學(xué)的管理決策。因此，合理選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，已成為當(dāng)前水環(huán)境管理的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題[2]。

近年來，隨著多元統(tǒng)計(jì)方法的發(fā)展，主成分分析法(PCA)已廣泛應(yīng)用在水、大氣、土壤等環(huán)境介質(zhì)的評(píng)價(jià)中[3]。PCA能從多個(gè)指標(biāo)中篩選具有代表性的主成分指標(biāo)，簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，排除對(duì)水域環(huán)境功能影響較小的指標(biāo)，使得單因子評(píng)價(jià)能更客觀、準(zhǔn)確地反映河流水質(zhì)[4]。本研究聯(lián)合應(yīng)用PCA、單因子評(píng)價(jià)法，對(duì)全國河流斷面進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，并與單純的單因子評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以期為流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與分析

2012年在全國主要河流布設(shè)765個(gè)國控河流斷面，分布于長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、西北諸河和西南諸河等10大流域。于每月5—10日采水樣1次。現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)指標(biāo)為pH、DO、高錳酸鹽指數(shù)、COD、BOD5、氨氮、TP、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物等21個(gè)指標(biāo)。水樣采集按《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)進(jìn)行，水質(zhì)理化指標(biāo)測(cè)定按文獻(xiàn)[5]進(jìn)行。

1.2 PCA

PCA的基本思想是認(rèn)為在眾多有相關(guān)性的指標(biāo)間必然存在著起支配作用的主要指標(biāo)，通過對(duì)原始變量相關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究，可找出影響水環(huán)境質(zhì)量的主要指標(biāo)，刪除部分次要指標(biāo)，抓住了造成污染的主要成因[6-10]。PCA篩選主要指標(biāo)的具體操作步驟如下：(1)輸入樣本矩陣，將成本型指標(biāo)正向化；(2)將樣本矩陣標(biāo)準(zhǔn)化；(3)求標(biāo)準(zhǔn)化矩陣的特征值及特征向量；(4)建立主成分，按照累積方差貢獻(xiàn)率>60%的準(zhǔn)則，確定主成分個(gè)數(shù)及指標(biāo)；(5)計(jì)算各指標(biāo)在不同主成分上的載荷量，載荷量越大，說明該指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響越大，可認(rèn)為對(duì)應(yīng)的指標(biāo)越重要。

2 結(jié)果和討論

2.1 河流主要污染指標(biāo)

由于pH、DO影響不大，之后的研究主要集中考察其余的19個(gè)水質(zhì)指標(biāo)。用SPSS軟件將19個(gè)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。由表1可見，高錳酸鹽指數(shù)和多數(shù)指標(biāo)呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，其與COD、BOD5、氨氮的相關(guān)系數(shù)分別為0.883、0.732、0.615。其他部分指標(biāo)間也呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，如COD和BOD5的相關(guān)性系數(shù)為0.848、氨氮和TP為0.764、氨氮和BOD5為0.740、BOD5和TP為0.711。

由表2可知，前5個(gè)主成分的特征值均大于1，且方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)60%以上，說明這5個(gè)主成分反映了原始變量提供的60.734%的信息。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)的需要，用上述5個(gè)主成分代替19個(gè)指標(biāo)變量。

主成分載荷矩陣反映了每個(gè)指標(biāo)在主成分上的重要程度，通過比較各指標(biāo)在主成分1上的載荷量(見表3)，可確定影響我國河流水質(zhì)的主要指標(biāo)有高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、氨氮、COD、TP、陰離子表面活性劑。從6個(gè)指標(biāo)Ⅴ或劣Ⅴ類斷面在全國河流的分布特征看，高錳酸鹽指數(shù)、陰離子表面活性劑Ⅴ或劣Ⅴ類斷面主要集中在海河、松花江流域；COD、氨氮、BOD5Ⅴ或劣Ⅴ類斷面主要集中在海河、淮河、黃河、遼河和松花江流域；TP Ⅴ或劣Ⅴ類斷面主要集中在海河、淮河、遼河、松花江和長江流域。由此可見，當(dāng)前水環(huán)境污染呈現(xiàn)一定流域特征。

2.2 河流水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)19個(gè)指標(biāo)進(jìn)行單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)，765個(gè)國控河流斷面Ⅰ～Ⅲ、Ⅳ～Ⅴ、劣Ⅴ類斷面比例分別占66.4%、22.1%、11.5%，主要污染指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、COD、氨氮、TP和陰離子表面活性劑。

先利用PCA篩選出河流斷面的主要污染指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、COD、氨氮、TP和陰離子表面活性劑，再以此6個(gè)指標(biāo)對(duì)河流斷面進(jìn)行單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)，則Ⅰ～Ⅲ、Ⅳ～Ⅴ、劣Ⅴ類斷面比例分別占69.6%、19.0%、11.4%。

從評(píng)價(jià)結(jié)果看，兩種方法無顯著差異，體現(xiàn)在：(1)從污染指標(biāo)看，兩種方法均識(shí)別出河流斷面的主要污染指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、COD、氨氮、TP和陰離子表面活性劑，兩種方法呈現(xiàn)一致性。(2)從水質(zhì)類別看，采用PCA-單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)后，其中1個(gè)劣Ⅴ類斷面提升至Ⅱ類，原因?yàn)樗苫ń搭^的瀑布下斷面氟化物呈劣Ⅴ類，其余指標(biāo)均達(dá)Ⅱ類；2個(gè)Ⅴ類斷面提升至Ⅲ和Ⅳ類，原因?yàn)閾]發(fā)酚呈Ⅴ類，其余指標(biāo)均達(dá)Ⅳ類；15個(gè)Ⅳ類斷面提升至Ⅲ類以上，原因?yàn)槭皖惓盛纛?，其余指?biāo)均達(dá)Ⅲ類。而氟化物、揮發(fā)酚、石油類3個(gè)指標(biāo)為特征污染物，且多為背景值超標(biāo)，不至于影響水體使用功能，若按類別標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格進(jìn)行評(píng)價(jià)，則對(duì)水體實(shí)施了過保護(hù)。由此可見，將PCA與單因子評(píng)價(jià)法聯(lián)合應(yīng)用于河流水質(zhì)評(píng)價(jià)，更能真實(shí)、客觀地反映河流水質(zhì)狀況，有利于環(huán)保部門作出科學(xué)的管理決策。

2.3 改進(jìn)建議

目前，國家及地方環(huán)境管理部門采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)河流全指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，若有1個(gè)水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)，則認(rèn)為所屬水域不能滿足使用功能，對(duì)部分影響水域使用功能較小的指標(biāo)并未放寬要求，不利于管理部門準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)河流水質(zhì)狀況。建議在水質(zhì)評(píng)價(jià)過程中，首先利用PCA將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為主要和次要指標(biāo)，若主要指標(biāo)超標(biāo)，則認(rèn)為水質(zhì)未達(dá)到類別要求；若次要指標(biāo)超標(biāo)，則認(rèn)為水域使用功能受到威脅，但依然達(dá)到水質(zhì)類別要求。通過對(duì)水質(zhì)指標(biāo)分類評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確掌握河流水質(zhì)狀況，并提出有針對(duì)性的水環(huán)境保護(hù)政策措施。

3 結(jié) 論

(1) 利用PCA識(shí)別我國河流國控?cái)嗝嬷饕廴局笜?biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、COD、氨氮、TP和陰離子表面活性劑，且污染呈現(xiàn)一定流域特征。

(2) 分別利用單因子評(píng)價(jià)法、PCA-單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)2012年全國河流水質(zhì)狀況，從污染指標(biāo)識(shí)別看，兩種方法的識(shí)別結(jié)果較一致；從水質(zhì)類別評(píng)價(jià)看，將PCA與單因子評(píng)價(jià)法聯(lián)合應(yīng)用于河流水質(zhì)評(píng)價(jià)，更能真實(shí)、客觀地反映河流水質(zhì)狀況，有利于作出科學(xué)管理決策。

表1 2012年河流水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系Table 1 River water quality indicator correlation matrix in 2012

表2 水質(zhì)指標(biāo)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年各水質(zhì)指標(biāo)主成分載荷量Table 3 Water quality indicators principal component loading matrix in 2012

[1] 尹海龍，徐祖信.我國單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)方法改進(jìn)探討[J].凈水技術(shù)，2008，27(2)：1-3.

[2] 鄒志紅，孫靖南，任廣平.模糊評(píng)價(jià)因子的熵權(quán)法賦權(quán)及其在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(4)：552-556.

[3] 王群妹，梁雪春.基于主成分分析的水質(zhì)評(píng)價(jià)研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010，21(6)：140-143.

[4] 彌艷，常順利，師慶東，等.艾比湖流域2008年豐水期水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)[J].湖泊科學(xué)，2009，21(6)：891-894.

[5] 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[6] 侯保燈，李佳蕾，潘妮，等.基于改進(jìn)熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)模型在濕地水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，8(6)：80-83.

[7] 張先起，梁川.基于熵權(quán)的模糊物元模型在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào)，2005，36(9)：1057-1061.

[8] 徐祖信.我國河流綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，33(4)：482-488.

[9] 徐祖信.我國河流單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，33(3)：321-325.

[10] 李祚泳，丁晶，彭荔紅.環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)原理與方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.