基于主成分分析法的武烈河流域水质评价研究

论文导读:：而主成分分析法（PCA）利用降维技术把多个变量化为少数几个主成分。武烈河流域目前还缺少水质综合评价的相关研究。水质评价涉及的影响因子众多。
论文关键词：主成分分析法，武烈河流域，水质评价

　　引言
　　水质评价涉及的影响因子众多，导致数据分析中某些重要信息受到干扰甚至被掩盖，影响综合评价结果[1]。目前，常用的水环境评价方法主要有简单指数法、分级加权平均法、综合污染指数法、模糊数学法、普通概率统计法等[2-3]，但却无法解决水环境系统多因子问题[4]。而主成分分析法（PCA）利用降维技术把多个变量化为少数几个主成分，对高维变量进行综合和简化，并且能够客观地确定各指标的权重，取前后方差较大的几个主成分因子来代表所有因子，能够减少原始数据信息损失、简化数据结构、避免主观随意性环境保护论文，目前已广泛应用于水环境、大气环境、土壤环境以及区域综合评价中[5-9]，如李湘凌等利用层次聚类发和主成分分析法解析研究铜陵市大气降尘污染元素来源[10]，刘总堂等运用主成分分析法研究云南湖库水体中重金属分布[11]，伊元荣等[12-13]采用主成分分析法分别评价了伊犁河和南淝河河流水环境质量；LOSKA等[14]对Rybnik水库表层沉积物中的重金属来源作了分析；李琼等[15]利用主成分分析法评估我国98年洪灾损失等。但是，武烈河流域目前还缺少水质综合评价的相关研究。
　　为解决流域防洪安全、水资源供需矛盾、生态环境恶化等一系列问题，《全国大型水库建设规划（2008-2012年）》和《海河流域防洪规划（2007年）》等规划提出修建双峰寺水库，该水库位于武烈河流域石洞子川、鹦鹉川、茅沟川、头沟川等4条支流汇合口以下、承德市区上游[16]（图1）。本文利用MATLAB软件，采用主成分分析法对武烈河流域水环境质量进行了综合评价，旨在为流域水资源合理开发利用、双峰寺水库水环境影响评价提供基础理论和参考，也为治理域环境状况提供依据。
　　
　　图1武烈河及双峰寺水库工程位置
　　Figure 1 The locationof Shuang Fengsi reservoir andWu-lie River
　　1区域概况
　　武烈河流域地处滦河中游左岸，位于东经117°42'～118°26'、北纬40°53'～41°42'之间。流域面积2580km2，流域上游有石洞子川、鹦鹉川、茅沟川、头沟川等4条支流，呈扇形分布，双峰寺水库位于四条支流汇合后的武烈河干流上论文网。河道全长114km，河道平均坡降10.8‰。流域涉及围场、隆化、承德等县，地势北高南低，整个流域均属土石山区（图2）。
　　
　　图2武烈河流域地形地貌图
　　Figure 2 The topographyand geomorphy of Wulie River basin
　　流域处于暖温带和寒温带过渡地带，属大陆性燕山山地气候，年平均气温8.9℃环境保护论文，1956~2008年系列多年平均年降水量为537.2mm，受中小尺度天气系统影响，汛期7、8月份经常出现历时短、强度大、影响面积小的局部大暴雨。流域内承德站地表水天然年均径流量2.60亿m3。 土壤主要有棕壤、褐土、草甸土三大类，沿河两岸的河谷地带多为草甸土。从土壤质地上看，研究区主要以粉砂壤土、粘壤土、粉砂质粘壤土为主。流域植被覆盖度较高，主要植被类型有栽培植被，灌丛、阔叶林、草甸，并有少量针叶林分布（图3-4）。
　　
　　图3武烈河流域土壤类型分布图 图4 武烈河流域植被类型图
　　Figure 3 The distributionof soil types of Figure 4 The distribution ofPlant types of
　　Wulie River basinWulie River basin
　　2数据来源与分析方法
　　2.1数据来源
　　为了解流域重点断面的水质现状，承德市环境监测中心站2008-2010年对武烈河上的高寺台镇、黑山矿区排水口下游、双峰寺小庙子坝址、上二道河子（水源地）、雹神庙、滦河污水处理厂下游等断面进行了水质监测。水质监测项目包括PH、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、总氮、总磷、氨氮、铬、硫化物、氰化物等地表水环境质量标准常规项目。鉴于武烈河流域主要污染源来自铁矿采选废水、生活污水和农业退水，本研究选取化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和溶解氧（DO）为评价指标，采用其三年监测均值进行水质评价。
　　2.2主成分分析方法
　　在水环境质量评价过程中，主成分分析法不仅能够评价各监测断面的相对污染程度，还能够确定造成污染的主要成分[17-18]，具体计算步骤如下：
　　（1） 建立原始矩阵
　　设有m个样本，每个样本有n个指标变量，建立原始变量矩阵 ，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n； 表示第i个样本的第j项指标值。
　　（2） 标准化处理
　　对原始矩阵X进行标准化处理，采用Z-Score变换进行标准化生成新矩阵 ，其标准化公式为：
　　 （1）
　　其中环境保护论文， ，
　　（3） 确定主成分
　　计算标准化矩阵的相关系数矩阵R，并求相关系数矩阵的特征根 （i=1,2,…P）和特征向量 ，将标准化指标变量变换成主成分： 。其中， 为第一主成分， 为第二主成分，…， 为第p主成分。
　　（4） 确定主成分个数
　　根据累计方差贡献率确定主成分个数，即按照方差占总方差的比例：
　　 （2）
　　来选取。其中， ，p为主成分的个数。