主成分分析方法在水库水质综合评价中应用.pdfVIP

主成分分析方法在水库水质综合评价中的应用 1 1,2 1 库路巴依 ，白云鹏 ，王玲 １河海大学水文水资源学院，南京（210098 ） 2 河北省张家口市水文水资源勘测局，河北张家口（075000 ） E-mail ：kulubay6@ 摘 要：主成分分析方法是一种将多维因子纳入同一系统进行定性、定量化研究，理论比较 完善的多元统计分析方法。该方法应用于水环境质量评价中，对客观、准确、全面的评价水 环境质量有很好的实用性。本文采用SPSS 统计软件，运用主成分分析方法对张家口市内三 个典型水库水质进行综合评价、年际变化分析和季节性变化分析，确定影响水库水质的主要 指标、掌握其变化规律。对张家口市区域水库的水资源保护研究与决策提供技术依据。 关键词：主成分分析法；水质评价；变化规律 1. 引言 水质评价是水环境质量评价的主要内容,用数学模型方法进行这方面的定量化研究,国内 目前常见的方法主要有:简单指数法、分级加权评分法、普通概率统计法、模糊数学法等等, 每种方法各有其优点和缺陷[1] 。水质综合评价的难点在于:水质系统是由多维因子(各种污染 物含量指标变量)组成的复杂系统,因子间具有不同程度的相关性,每一因子从某一方面反映 了水质质量,但依据它们作综合评价有一定难度。主成分分析方法正是一种将多维因子纳入 同一系统进行定量化研究、理论比较完善的多元统计分析方法,且在解决很多实际问题时已 取得较好效果[2] 。 张家口市地理位置特殊,位于首都北京上游,流入官厅水库、密云水库的地表水是北京的 主要饮用水源，加强对张家口区域内地表水水质状况的评价和研究有很重要的实际意义。本 文选取张家口区域内的三座典型水库，选用张家口水环境监测中心监测的 17 项污染指标的 10 年监测资料，运用主成分分析方法对典型水库水质进行综合评价、年际变化分析和季节 性变化分析。 2. 水质评价的主成分分析法 2.1 主成分分析法的基本原理 主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)也称为主分量分析，是一种通过降维 来简化数据结构的方法：如何把多个变量（指标）化为少数几个综合变量（综合指标），而 这几个综合变量可以反映原来多个变量的大部分信息。为了使这些综合变量所含的信息互不 重叠，应要求它们之间互不相关。用少量的几个综合变量代替原来的许多变量是有实际意义 的。由这几个综合变量出发还有可能得到一个总的指标，按此总指标来排序、分类，问题就 可能简单多了[3，4] 。主成分分析法是多元分析法的一种，设法将原来众多具有相关性的指标 重新组合成一组新的相互无关的综合指标来代替原来指标。 3. 分析水库基本概况和资料的选取 3.1 分析区域基本概况 张家口市位于河北省西北部，东经113°50′至116°30′，北纬39°30′至42°10′之间。北和西 北与内蒙古自治区毗连，西南与山西省接壤，东南和南部与北京市及河北省保定市相邻，面 积36965km2 。张家口市地势较高，自西北向东南倾斜，地形复杂，可划分为坝上、坝下两 -1- 个不同的地貌单元。境 内河流分属三个流域， 即：内陆河流域、滦河 流域及海河流域。主要 有五个水系，即：内陆 河水系、滦河水系及海 河流域的永定河水系、 潮白河水系和大清河水 系[5] 。 建国以来，水利建 设取得了较大成绩。全 市建成各类水库98座， 其中大型水库2座，中型 水库7座，小型水库89 座。考虑地理位置的因 素，并结合当地实际， 本文主要选取位于滦河 源头附近的闪电河水 库、位于作为北京主要 水源地的密云水库上游 的云洲水库和位于河北和陕西交界处的壶流河水库三座典型水库做为分析对象进行分析。三 座水库位置见图1。 3.2 资料的选取 根据张家口水环境监测中心的资料，选取闪电河水库、云洲水库和壶流河水库三座典型 水库17项污染指