基于主成分分析的农村饮用水监测点水质综合评价

摘要：以农村饮用水监测县（贞丰县）为例，采用主成分分析法对各监测点的水质指标进行综合评价。结果表明：贞丰县农村饮用水监测点水质问题主要是微生物和有机物污染；北盘江乡新屯村监测点水质较差，小屯乡分水岭村监测点水质较好，综合评价结果与实际情况相一致。主成分分析法以较少的综合指标来反映原始指标中的主要信息，适用于客观地综合评价农村生活饮用水水质质量。

关键词：主成分分析法；农村生活饮用水；水质评价

中图分类号：R123文献标志码：A文章编号：

1672-1683（2015）001-0047-03

Application of principal component analysis in evaluating water quality in rural area

XIANG Hong1，CHEN Gang1，KAI Jin-xiang2.MO Kui3

（1.Guizhou Provincial Center for Disease Control and Prevention，Guiyang 550004，China；2.Qianxian Center for Disease Control and Prevention，Xingyi 562400，China；3.Zhenfeng Center for Disease Control and Prevention，Zhenfeng 562200，China）

Abstract：Taking the monitoring county （Zhenfeng） of rural drinking water quality as an example，principal component analysis was used to have a comprehensive evaluation on drinking water quality of the monitoring points.The results that the primary problems of water quality in the monitoring points were microbial and organic pollution.The water quality of Xintun village was the poorer than the others.However，the water quality of Fenshuiling village was better than the others.The analysis results were consistent with actual situations.The principal component analysis reflects the main information of the original indicators by less aggregative indicators and is suitable for comprehensive evaluation of the rural drinking water quality.

Key words：principal component analysis；rural drinking water；evaluation of water quality

农村饮水安全是广大农村居民最关心现实的问题，同时也是农村居民生活状况改善的重要标志。近年来农村集中式供水工程建设加快，为保障农村饮用水安全打下了很好的基础[1]。然而农村饮用水监测显示[2-3]，由于集中式供水工程存在处理工艺不够完善、运行管理不够规范等问题，同时对水源未实施有效的保护，水源水受到不同程度的污染，致使农村饮用水水质卫生仍存在较大安全隐患。目前针对农村生活饮用水水质评价常用单项水质指标的合格率来描述，该方法能了解主要污染物，但不能全面评价水质。同时水质是由多因子构成的复杂系统，这种方法不能反映多个指标的综合作用，结论具有片面性[4]。主成分分析是从多个指标之间的相互关系着手，将多个指标化为少数几个不相关的综合指标的多元统计方法。本文通过主成分分析法探讨农村饮水安全工程水质监测点水质质量的综合评价，为监测点生活饮用水水质卫生质量改善提供依据。

1对象与方法

1.1对象

以贞丰县2011 年农村饮用水监测点为研究对象，共有10个监测点，涉及6个乡10个村。

1.2方法

1.2.1水质监测

监测点水质检测指标包括感官性状和一般化学指标（色度、浑浊度、臭和味、肉眼可见物、pH、铁、锰、氯化物、硫酸盐、溶解性总固物、总硬度、耗氧量、氨氮）、毒理学指标（氟化物、砷、硝酸盐）、细菌学指标（菌落总数、总大肠菌群）。按照《生活饮用水卫生标准》GB/T 5749-2006评价出浑浊度、锰、耗氧量、氨氮、硝酸盐、菌落总数和总大肠菌群等7项指标有的超标情况，然后针对这7项指标应用主成分分析法进行监测点水质的综合评价。

1.2.2主成分分析评价

主成分分析法是通过降维处理，把多指标转化为少数几个综合指标的多元统计分析方法。假设有n个被评价的水样，每个水样有m个指标，原始数据为n×m阶矩阵（Xij）n×m。评价的基本步骤如下。

（1）对原始数据矩阵进行标准化处理，消除量纲的影响。本文采用标准差标准化法，即各指标的原始数据减去该指标的均值再除以标准差。

X′ij=（xij-xj）sj（1）

xj=1n∑ni=1xij（2）

sj=1n-1∑ni=1（xij-xj）2（3）

式中：X′ij为标准化数据；xj和sj（j=1，2，…，m）分别为各指标的均值和标准差。

（2）根据标准化数据（X′ij）n×m 计算它的相关矩阵R=（rij）m×m。

（3）计算相关矩阵R的特征值和特征值所对应的特征向量。

（4）计算主成分的贡献率，根据累计贡献率选取主成分个数。一般取累计贡献率>80%的前 k个主成分。

（5）选出k个特征值对应的单位特征向量，写出主成分

计算公式Zj（j=1，2，…，k）。

（6）将各监测点的标准化数据分别代入监测点各主成分的表达式中，可计算监测点各主成分的得分，然后与其贡献率乘积的和又可算出综合主成分得分。

2结果

2.1原始数据标准化处理

本文以2011 年贞丰县农村饮用水监测点水质监测上报数据为例进行分析，检测18项常规水质指标，其中7项指标有超标情况，针对这7项指标的监测数据进行标准化处理，标准化数据见表1。

2.2计算相关系数矩阵

采用SPSS11.5 软件进行主成分分析，得到7个变量的相关系数矩阵（表2），由表2可知，变量间有较大的相关系数，

表1贞丰县农村生活饮用水监测点水质标准化监测数据

表2标准化数据的相关系数矩阵

适于用主成分分析法来研究变量之间的关系。

2.3主成分的确定

主成分分析显示，主成分的特征值、贡献率和累积贡献率见表3。 由表3可知，第1、2、3主成分的累计贡献率达85%以上，表明它们代表了原始数据的大部分信息，因此取这3 个主成分对原始监测点水质进行综合评价。本文采用因子正交旋转法[5]，由表4的特征向量可得z1、z2和z3这3个主成分与各个变量线性关系表达式（4）、式（5）和式（6）。

Z1=-0085x1-0066x2+0775x3-0184x4+0136x5+0945x6+0951x7（4）

表3主成分的特征值、贡献率和累积贡献率

表4主成分的特征向量

由主成分的线性表达式可见，第1主成分与水质指标耗氧量（x3）、菌落总数 （x6）和总大肠菌群（x7） 关系密切，第2主成分与水质指标锰（x2） 和氨氮（x4） 关系密切；第3主成分与水质指标浑浊度（x1） 和硝酸盐（x5） 关系密切；其中第一主成分占的比例最大，主要反映饮用水的有机污染和微生物污染状况。将原始指标的标准化数据分别代入方程（4）、（5） 和（6），求得监测点各个主成分的得分，然后以贡献率为权数，得到各监测点的综合得分，见表5。

表5监测点水质综合评价结果

从表5可见，各监测点水质综合得分由高到低依次为北盘江乡新屯村、长田乡大地村、珉谷乡白蜡村、平街乡李家屯村、珉谷乡旗上村、小屯乡半坡村、小屯乡小屯村、鲁贡乡鲁贡村、小屯乡分水岭村和小屯乡仁朝村。综合分值低的监测点，水质好于分值高的监测点。

3讨论

水质综合评价有指数评价法、模糊数学法、人工神经网络评价法、灰色评价法和主成分分析法等多种方法[6]，从不同的角度对水质进行评价，各具优缺点。如翟敏等[7]应用综合指数法评价农村小型集中式供水水质，能对整体水质做出定量描述，反映水体污染的性质和程度；刘涛等[8]应用基于模糊理论和神经网络方法构建混合型模糊神经网络模型对农村水源地水质进行评价，可对水质评价系统中的模糊信息进行学习，又可对模型信息进行处理和决策，得到的结果更加科学、可靠。目前主成分分析方法已应用于江河、湖泊等水体的水质评价，并开始在农村饮用水水质评价中得到逐步应用；赵艳玲等[4]采用主成分分析方法对三种处理方式（完全处理、部分处理和未处理）的农村自来水进行水质评价；该分析方法能够在保证原始数据信息损失最小的情况下，效地减少了分析指标的数量。

本文利用主成分分析法对农村饮水安全工程水质监测点水质质量进行综合评价，结果显示贞丰县农村饮用水监测点水质问题主要是微生物和有机物污染；从各监测点综合得分来看，北盘江乡新屯村监测点水质较差，小屯乡分水岭村监测点水质较好。综合评价结果与监测实际情况相一致，说明主成分分析法能客观地综合评价农村生活饮用水水质质量。分析结果还提示应加强水质较差监测点水源的保护，防止人畜粪便或生活污水污染导致的微生物和有机物污染综合指标超标；同时，应强化饮用水的消毒处理工艺等措施，来提高监测点水质卫生质量，保障农村居民的饮水安全。参考文献：

[1]张琦，魏海春，李洪兴，等.农村饮用水水质卫生管理现状及发展[J].环境与健康杂志，2013，30（3）：263-265.

[2]金立坚，刘祖阳，张成云，等.四川省2008年农村饮水安全工程水质调查分析[J].中国卫生工程学，2009，8（6）：341-344.

[3]蔡建民，楼哓明，王哓峰，等.浙江省农村水厂出厂水水质调查监测情况分析[J].中国卫生检验杂志，2010，20（11）：2929-2930.

[4]赵艳玲，陶勇，付彦芬.主成分分析在农村饮用水水质评价中的应用[J].现代预防医学，2008，35（1）：50-52.

[5]胡艳玲，齐学斌，黄仲冬，等.主成分分析法在农村生活饮用水水质评价中的应用[J].中国农村水利水电，2011（11）：139-141.

[6]甘霖，张强，李大斌，等.基于熵权的尼梅罗指数法在农村生活饮用水评价中的应用[J].现代预防医学，2010，37（20）：3821-3823.

[7]翟敏，王连顺，李印龙，等.用单因子和综合指数法评价农村小型集中式供水水质[J].环境与职业医学，2010，27（7）：432-434.

[8]刘涛，倪福全，邓玉，等.农村饮水水质的模糊神经网络评价[J].安徽农业科学，2011， 39（23）：14250-14252.