2024年4月12日发(作者：毓易槐)
20212
·水资源·
主成分分析法评价汕头境内主饮用水源地水质
陈泽榕
（广东省水文局汕头水文分局，广东
[摘要]
汕头515041）
六价铬、溶解氧、氨氮、五日生化需氧量、粪大肠菌群、氟化物、总磷、铜、锌10个最具代表性的水质监测指标进行计
运用主成分分析法对汕头境内8个主要饮用水源地2019年的监测数据进行分析评价，选取高锰酸盐指数、
算分析，并将评价结果与当前常用的单因子评价法进行对比，得出主成分分析法具有评价结果客观、主观误差少，
适用于评价受多种污染物指标影响的水体水质。因此，在判定水体水质类别和污染情况时，将国标单因子指数法
与主成分分析法结合起来综合分析判定，可以得到更为科学的评价结果。
[关键词]
[中图分类号]
主成分分析法；单因子评价法；饮用水源地；水质评价；汕头
X824[文献标识码]A[文章编号]1003-1510（2021）02-0038-04
1概述
2.1监测断面及监测指标的确定
韩江是汕头近560万人口的主要饮用水源，关
水质评价的核心是水质评价方法，当前主流的
系到汕头经济社会的稳定和发展，因此本文选取韩
江汕头境内7个主要水源地监测断面2019年水质
监测指标进行分析研究，7个主要水源地监测断面
分别为南社、庵埠水厂、澄海东部水厂、澄海第二水
厂、澄海第一水厂、秋风岭水库和河溪水库。同时
结合实际污染物指标的情况，选取高锰酸盐指数、
六价铬、溶解氧、氨氮、五日生化需氧量、粪大肠菌
群、氟化物、总磷、铜、锌10个最具代表性的水质监
测指标进行统计（见表1）。
2.2监测数据的标准化处理
由于溶解氧的浓度和水质呈负相关关系，即溶
解氧越小水质越差。因此，需要对溶解氧指标进行
正向化处理，并将处理后的数据与其他监测数据一
起进行标准化处理（见表2）。
2.3主要计算结果及分析
本文采用spssstatistics17.0软件对上述指标进
行主成分分析，并对得到的相关结果进行分析，10项
原始指标的相关系数矩阵见表3，特征值、方差贡献
率及累计贡献率见表4。由表3可知，大多数污染物
指标之间存在较大的相关系数（即相关系数绝对值
大于或等于0.3），例如高锰酸盐指数和五日生化需
氧量、氨氮、粪大肠菌群、氟化物、铜、锌和总磷的相
水质分析评价方法有单因子评价法、综合水质标识
指数评价法、人工神经网络评价法、模糊数学综合
评价法、灰色系统评价法等等
[1~4]
。
单因子评价法是当前国标使用的分析评价方
法
[5]
，评价计算过程简单直观，直接从监测数据指标
中筛选出最差的单项指标对应的水质类别作为水
体的最终水质类别，判断水体水质是否达标，但是
水体的污染情况和污染程度是受多种污染物指标
共同影响的，不能简单一概而论，所以其科学合理
性值得商榷。因此，选择一种能全面客观反映各种
污染指标对水体水质真实影响的分析方法作为国
标单因子评价法的补充是非常必要的。
主成分分析法可以综合考虑各种影响因子的
影响，在最大程度保留各种监测指标信息的基础
上，将多维因子通过降维纳入同一体系，简化数据
结构，将繁多的原始指标转化成少量综合指标进行
评价，从根本上避免了少数污染指标对水质类别的
决定性影响，合理客观地赋予各个污染指标权重，
7]
使最终评价结果更加科学准确
[6、
。
2汕头境内主要饮用水源地水质评价
[收稿日期]
[作者简介]
2020-12-16
陈泽榕（1989-），男，广东澄海人，广东省水文局汕头水文分局工程师，学士，从事水质监测和水环境评价工作。
38
20212
表1
断面名称
庵埠水厂
澄海第一水厂
澄海第二水厂
澄海东部水厂
北溪桥
南社
河溪水库
秋风岭水库
六价铬
（X
1
）
0.005
0.006
0.006
0.006
0.006
0.006
0.004
0.004
（X
2
）
8.18
7.94
8.12
7.73
6.56
8.18
7.66
7.85
各评价断面2019年水质监测数据平均值
氨氮（X
5
）
0.03
0.03
0.03
0.13
0.25
0.03
0.02
0.03
粪大肠菌氟化物
群（X
6
）
10938
11343
78895
45159
9520
2238
638
7666
（X
7
）
0.15
0.16
0.16
0.17
0.20
0.16
0.07
0.06
铜（X
8
）
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
<0.002
0.002
锌（X
9
）
总磷（X
10
）
0.0019
0.0020
0.0018
0.0018
0.0018
0.0024
0.0011
0.0008
0.04
0.03
0.03
0.05
0.05
0.03
0.01
0.01
溶解氧高锰酸盐五日生化需
指数（X
3
）
氧量（X
4
）
2.0
1.8
1.8
2.1
2.2
1.9
1.9
1.5
1.1
1.2
1.2
1.8
2.2
1.2
1.2
0.8
表2
断面名称
庵埠水厂
澄海第一水厂
澄海第二水厂
澄海东部水厂
北溪桥
南社
河溪水库
秋风岭水库
六价铬
（VX
1
）
-0.409
0.682
0.682
0.682
0.682
-1.501
-1.501
0.682
溶解氧
（VX
2
）
-0.758
-0.306
-0.645
0.090
2.294
0.221
标准化处理后的数据
氨氮粪大肠菌群氟化物
（VX
5
）
（VX
6
）
（VX
7
）
-0.476
-0.476
-0.476
0.752
2.224
-0.482
-0.362
-0.347
2.130
0.893
0.177
0.380
0.380
0.582
1.189
-1.442
-1.645
0.380
铜
（VX
8
）
0.504
0.504
0.504
0.504
0.504
-0.840
-2.184
0.504
锌
（VX
9
）
0.392
0.588
0.196
0.196
0.196
-1.177
-1.765
1.373
总磷
（VX
10
）
-0.081
-0.081
1.208
1.208
0.564
高锰酸盐指五日生化需
数（VX
3
）
氧量（VX
4
）
-0.468
-0.468
0.935
1.403
0.000
-1.871
0.000
0.468-0.535
-0.310
-0.310
1.042
1.943
-0.758
-0.137
-0.310
-0.310
-1.211
-0.476
-0.598
-0.476
-0.414
-0.681
-0.739
-0.081
-1.369
-1.369
表3
指标
VX
1
VX
2
VX
3
VX
4
VX
5
VX
6
VX
7
VX
8
VX
9
VX
10
VX
1
0.092
0.511
0.558
0.409
0.518
0.935
0.865
0.856
0.766
1
VX
2
1
VX
3
10项原始指标的相关系数矩阵
VX
4
VX
5
VX
6
VX
7
VX
8
VX
9
VX
10
0.521
0.798
0.897
0.458
0.272
-0.171
0.353
0.010
0.858
0.705
0.676
0.717
0.718
0.511
0.818
1
0.938
0.810
0.701
0.525
0.316
0.780
1
0.730
0.586
0.297
0.131
0.701
1
0.570
0.415
0.237
0.773
1
0.908
0.834
0.910
1
0.904
0.788
1
0.650
1
1
关性分别达到0.858、0.705、0.676、0.717、0.718、0.511
和0.818，由此得出许多变量之间具有很强的相关
性，表明其反映的信息存在重叠，适宜进行主成分分
析。依据特征值大于1的筛选原则，由表4可知，只
有主成分1和主成分2的特征根大于1，分别为6.586
和2.326，方差贡献率为65.862%和23.261%，累计
方差贡献率已达89.123%，符合累计方差贡献率大
于85%的要求，这说明前两个主成分已经反映了
89.123%的变量信息，可以确定主成分的个数为2。
主成分
1
2
3
4
5
6
7
表4特征值、方差贡献率及累计贡献率
初始特征值
方差贡献率/%
65.862
23.261
4.839
3.925
1.340
0.701
0.072
累积贡献率/%
65.862
89.123
93.962
97.887
99.227
99.928
100.00
特征值
6.586
2.326
0.484
0.392
0.134
0.070
0.007
39
5
中，
可以看出，
各水质监测指标主成分载荷矩阵见表
六价铬、高锰酸盐指数、
在方差贡献率为
五日生化需氧量、
65.862%的第1
5。由表
主成分
氨氮、
粪大肠菌群、氟化物、铜和总磷均有较高的载荷，说
明这些原始污染指标主要反映在第1主成分中。其
中，高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮为水体
有机污染物指标，粪大肠菌群、氟化物、铜和总磷为
无机有毒害污染物指标，综合表明水体主要受到工
业废污水、生活污水和农业养殖污水的共同影响。
同理，在第2主成分中溶解氧、五日生化需氧量和氨
氮均显示出较高载荷，反映出有机污染特征，说明
其受到工业废污水的影响。
表5各水质监测指标主成分载荷矩阵
水质指标
主成份
六价铬（VX
0.822
12
1
溶解氧（VX
）
2
高锰酸盐指数（
）
VX
0.497
-0.443
3
五日生化需氧量（VX
）0.876
0.796
4
氨氮（VX
）0.895
0.140
5
粪大肠菌群（
）
VX
0.778
0.425
6
氟化物（VX
）0.770
0.595
0.935
0.307
7
铜（VX
）
8
锌（VX
）0.818
-0.294
9
总磷（VX
）0.675
-0.523
10
）0.948
-0.694
-0.066
根据表5中各水质监测指标的主成分载荷系数
以及其对应的表4中第1和第2主成分对应特征值
计算可得到主成分1（F
1
价函数F的表达式如下：
）、主成分2（F
2
）以及综合评
0.303
F
0.369
VX
1
=0.320VX
1
+0.194VX
2
+0.341VX
3
+0.349VX
4
+
0.390
F
VX
5
+0.300VX
6
+0.364VX
7
+0.319VX
8
+0.263VX
9
10
+
2
=0.290VX
1
+0.552VX
2
+0.092VX
3
+
（1）
0.043
VX
5
+0.201VX
6
-0.193VX
7
-0.343VX
0.279VX
4
+
F
VX
8
10
-0.455VX
9
-
=0.739F
1
+0.261F
2
（2）
2019
通过表达式（1）～（3）计算各水质监测断面
（3）
化描述所监测断面水质污染程度，
年的主成分得分和水污染综合得分，
结果见表
进而定量
6，分值
越高，水质越差，污染越严重。
评价结果可知，2019年汕头境内主要饮用水源
地水质监测断面污染程度综合排序为秋风岭水库
＜河溪水库＜澄海第二水厂＜庵埠水厂＜澄海第
一水厂＜南社＜澄海东部水厂＜北溪桥，与2019年
40
度常规监测的结果基本相符。
表6各监测断面主成分得分及排序
断面名称
F
-0.05
1
F
2
庵埠水厂
得分得分
综合得分F
F排名
澄海第一水厂
0.06268
760-1.09-0.32
澄海第二水厂
-0.10
-1.26
824
-0.28
9214
澄海东部水厂
2.65
183-1.27
483
-0.40
3805
北溪桥
3.85
4960.52
061
2.09
3
南社
0.32
2792.24
334
3283.43
861
688
271
7
8
河溪水库
-2.53
514-1.83883-0.236
秋风岭水库
-4.19
830
784
1.26
1.44
163
425
-1.54
965
-2.72
652
525
2
1
2.4主成分分析法和单因子指数法的比对
将10个评价指标按照《地表水环境质量标准》
GB3838-2002）中各级水质类别对应的上限值进行
上述主成分分析法计算可得各级水质的综合得分
7），其中由于河流和水库总磷的评价上限值
不同需要分开计算，最后根据表6中各监测断面的
综合得分确定相应的水质类别并与通过单因子指
数评价的水质类别进行对比（见表8）。
表7各级水质的综合得分
水质类别综合得分（河流）综合得分（湖库）
Ⅰ
Ⅱ
类-3.58-3.46
Ⅲ
类-1.59
929
-1.59
705
Ⅳ
类-0.59
059
-0.70
476
Ⅴ
类
类
1.77
577
4.00
033
531
1.65
973
4.11
611
542
表8两种评价方法综合评价结果表
断面名称
水质类别
主成分分析法单因子指数法
庵埠水厂
澄海第一水厂
ⅣⅢ
澄海第二水厂
Ⅳ
类
澄海东部水厂
Ⅳ
类Ⅳ
类
Ⅳ
类
北溪桥
Ⅴ
类
劣Ⅴ
类
类
南社
Ⅴ
类
劣Ⅴ类
河溪水库
Ⅳ
类
秋风岭水库
Ⅲ
类Ⅲ
Ⅱ
类
类
Ⅲ
类
Ⅱ
类
类
由表8可知，澄海第一水厂、澄海第二水厂、河
溪水库和秋风岭水库这4个断面的水质类别用两种
分析方法评价的结果是一致的。而庵埠水厂和南
社断面由于粪大肠菌群检测浓度值分别位于Ⅲ类
水浓度区间中距离上限值仅29%和6%的位置，均
逼近Ⅲ类水上限，因此主成分分析法在充分考虑粪
（
（见表
20212
大肠菌群的浓度值在Ⅲ类水浓度区间中所在位置
情况后判定这两个断面均为Ⅳ类水质；澄海东部水
厂和北溪桥虽然粪大肠菌群的检测浓度值超过Ⅴ
类水的标准限值，但是考虑到澄海东部水厂和北溪
桥断面除粪大肠菌群的水质类别为劣Ⅴ类外，其他
水质检测指标的水质类别均低于Ⅰ类水和Ⅱ类水
的标准限值，因此主成分分析法在全方面科学考虑
各个检测指标的实际情况后判定这两个水质监测
断面的水质类别为Ⅴ类。
根据上述评价结果可知，目前汕头境内饮用水
源地水质大体良好，水质超标断面主要的污染指标
均为粪大肠菌群，河流断面粪大肠菌群超标主要是
受沿岸城乡生活污水、农田施肥使用的人畜粪便以
及河流两岸的生活垃圾未经处理直排到河流的综
合影响，从而使粪大肠菌群的浓度维持在高位，影
响水质类别的综合判定。因此，政府各相关职能部
门因出台相应的法律法规，并加大饮用水源地水污
染综合执法力度，切实保障汕头近560万人口的饮
用水安全。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
利水电，2017（2）：1-5.
吴佳宁，陈明，袁润权，等.河流水质评价综述[J].广东水
徐祖信.我国河流综合水质标识指数评价方法研究[J].
3结论和建议
由以上分析评价过程可知，主成分分析法通过
数学方法对水质评价因子进行降维处理，并在简化
变量的同时最大限度地保留原有变量所反映的污
染物的信息，充分考虑各种水质监测指标对水体污
染的贡献程度，评价结果比只采用最差因子赋全权
的单因子指数法评价出来的结果更能科学合理地
反映监测水体水质的真实情况。
不过如果检测因子的浓度位于类别浓度区间
的上限，用主成分分析法计算分析后倾向于将水质
类别判定高一个类别，虽然其综合考虑到各检测项
目之间的影响因素，但是与目前通过的国标单因子
评价法判定的水质类别有所差异。因此，在判定水
体水质类别和污染情况时，将主成分分析法与单因
子指数法结合起来共同分析判定，必将得到更为客
观全面的评价结果。
同济大学学报（自然科学版），2005，33（4）：482-488.
计算机仿真，2012（4）：173-176.
牛红惠，尚艳玲.模糊神经网络在水质评价中的研究[J].
李祚泳，邓新民.人工神经网络在水环境质量评价中的
应用[J].中国环境监测，1996，12（2）：36-39.
GB3838-2002，地表水环境质量标准[S].
合评价的研究[J].中国给水排水，2007，23（5）：82-84.
赵杰，刘志坚，郝海红，等.主成分分析用于管网水质综
万金宝，何华燕，曾海燕，等.主成分分析法在潘阳湖水
质评价中的应用[J].南昌大学学报，2010，32（2）：113-117.
（责任编辑：窦波元）
WaterqualityevaluationformaindrinkingwatersourcesinShantou
Citybyprincipalcomponentanalysismethod
CHENZe-rong
(ShantouBranchofGuangdongHydrologyBureau,Shantou515041,China)
Abstract:Themonitoringdataof8maindrinkingwatersourcesinShantouCityin2019wereanalyzedandevaluated
byprincipalcomponentanalysismethod.10mostrepresentativewaterqualitymonitoringindexeswereselectedfor
calculationandanalysisincludingpermanganateindex,hexavalentchromium,dissolvedoxygen,ammonianitrogen,
five-daybiochemicaloxygendemand,fecalcoliform,fluoride,totalphosphorus,luationre⁃
sultswerecomparedwitncludedthe
principalcomponentanalysismethodissuitableforevaluationofwateraffectedbymultiplepollutantindexessince
theevore,comprehensiveanalysisand
judgmentofwaterqualitycategoryandpollutionsituationshouldbeconductedcombiningthenationalstandardsin⁃
glefactorindexmethodwithprincipalcomponentanalysismethodtoobtainmorescientificevaluationresults.
Keywords：Principalcomponentanalysismethod;singlefactorevaluationmethod;drinkingwatersource;water
qualityevaluation;Shantou
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2024年4月12日发(作者：毓易槐)
20212
·水资源·
主成分分析法评价汕头境内主饮用水源地水质
陈泽榕
（广东省水文局汕头水文分局，广东
[摘要]
汕头515041）
六价铬、溶解氧、氨氮、五日生化需氧量、粪大肠菌群、氟化物、总磷、铜、锌10个最具代表性的水质监测指标进行计
运用主成分分析法对汕头境内8个主要饮用水源地2019年的监测数据进行分析评价，选取高锰酸盐指数、
算分析，并将评价结果与当前常用的单因子评价法进行对比，得出主成分分析法具有评价结果客观、主观误差少，
适用于评价受多种污染物指标影响的水体水质。因此，在判定水体水质类别和污染情况时，将国标单因子指数法
与主成分分析法结合起来综合分析判定，可以得到更为科学的评价结果。
[关键词]
[中图分类号]
主成分分析法；单因子评价法；饮用水源地；水质评价；汕头
X824[文献标识码]A[文章编号]1003-1510（2021）02-0038-04
1概述
2.1监测断面及监测指标的确定
韩江是汕头近560万人口的主要饮用水源，关
水质评价的核心是水质评价方法，当前主流的
系到汕头经济社会的稳定和发展，因此本文选取韩
江汕头境内7个主要水源地监测断面2019年水质
监测指标进行分析研究，7个主要水源地监测断面
分别为南社、庵埠水厂、澄海东部水厂、澄海第二水
厂、澄海第一水厂、秋风岭水库和河溪水库。同时
结合实际污染物指标的情况，选取高锰酸盐指数、
六价铬、溶解氧、氨氮、五日生化需氧量、粪大肠菌
群、氟化物、总磷、铜、锌10个最具代表性的水质监
测指标进行统计（见表1）。
2.2监测数据的标准化处理
由于溶解氧的浓度和水质呈负相关关系，即溶
解氧越小水质越差。因此，需要对溶解氧指标进行
正向化处理，并将处理后的数据与其他监测数据一
起进行标准化处理（见表2）。
2.3主要计算结果及分析
本文采用spssstatistics17.0软件对上述指标进
行主成分分析，并对得到的相关结果进行分析，10项
原始指标的相关系数矩阵见表3，特征值、方差贡献
率及累计贡献率见表4。由表3可知，大多数污染物
指标之间存在较大的相关系数（即相关系数绝对值
大于或等于0.3），例如高锰酸盐指数和五日生化需
氧量、氨氮、粪大肠菌群、氟化物、铜、锌和总磷的相
水质分析评价方法有单因子评价法、综合水质标识
指数评价法、人工神经网络评价法、模糊数学综合
评价法、灰色系统评价法等等
[1~4]
。
单因子评价法是当前国标使用的分析评价方
法
[5]
，评价计算过程简单直观，直接从监测数据指标
中筛选出最差的单项指标对应的水质类别作为水
体的最终水质类别，判断水体水质是否达标，但是
水体的污染情况和污染程度是受多种污染物指标
共同影响的，不能简单一概而论，所以其科学合理
性值得商榷。因此，选择一种能全面客观反映各种
污染指标对水体水质真实影响的分析方法作为国
标单因子评价法的补充是非常必要的。
主成分分析法可以综合考虑各种影响因子的
影响，在最大程度保留各种监测指标信息的基础
上，将多维因子通过降维纳入同一体系，简化数据
结构，将繁多的原始指标转化成少量综合指标进行
评价，从根本上避免了少数污染指标对水质类别的
决定性影响，合理客观地赋予各个污染指标权重，
7]
使最终评价结果更加科学准确
[6、
。
2汕头境内主要饮用水源地水质评价
[收稿日期]
[作者简介]
2020-12-16
陈泽榕（1989-），男，广东澄海人，广东省水文局汕头水文分局工程师，学士，从事水质监测和水环境评价工作。
38
20212
表1
断面名称
庵埠水厂
澄海第一水厂
澄海第二水厂
澄海东部水厂
北溪桥
南社
河溪水库
秋风岭水库
六价铬
（X
1
）
0.005
0.006
0.006
0.006
0.006
0.006
0.004
0.004
（X
2
）
8.18
7.94
8.12
7.73
6.56
8.18
7.66
7.85
各评价断面2019年水质监测数据平均值
氨氮（X
5
）
0.03
0.03
0.03
0.13
0.25
0.03
0.02
0.03
粪大肠菌氟化物
群（X
6
）
10938
11343
78895
45159
9520
2238
638
7666
（X
7
）
0.15
0.16
0.16
0.17
0.20
0.16
0.07
0.06
铜（X
8
）
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
<0.002
0.002
锌（X
9
）
总磷（X
10
）
0.0019
0.0020
0.0018
0.0018
0.0018
0.0024
0.0011
0.0008
0.04
0.03
0.03
0.05
0.05
0.03
0.01
0.01
溶解氧高锰酸盐五日生化需
指数（X
3
）
氧量（X
4
）
2.0
1.8
1.8
2.1
2.2
1.9
1.9
1.5
1.1
1.2
1.2
1.8
2.2
1.2
1.2
0.8
表2
断面名称
庵埠水厂
澄海第一水厂
澄海第二水厂
澄海东部水厂
北溪桥
南社
河溪水库
秋风岭水库
六价铬
（VX
1
）
-0.409
0.682
0.682
0.682
0.682
-1.501
-1.501
0.682
溶解氧
（VX
2
）
-0.758
-0.306
-0.645
0.090
2.294
0.221
标准化处理后的数据
氨氮粪大肠菌群氟化物
（VX
5
）
（VX
6
）
（VX
7
）
-0.476
-0.476
-0.476
0.752
2.224
-0.482
-0.362
-0.347
2.130
0.893
0.177
0.380
0.380
0.582
1.189
-1.442
-1.645
0.380
铜
（VX
8
）
0.504
0.504
0.504
0.504
0.504
-0.840
-2.184
0.504
锌
（VX
9
）
0.392
0.588
0.196
0.196
0.196
-1.177
-1.765
1.373
总磷
（VX
10
）
-0.081
-0.081
1.208
1.208
0.564
高锰酸盐指五日生化需
数（VX
3
）
氧量（VX
4
）
-0.468
-0.468
0.935
1.403
0.000
-1.871
0.000
0.468-0.535
-0.310
-0.310
1.042
1.943
-0.758
-0.137
-0.310
-0.310
-1.211
-0.476
-0.598
-0.476
-0.414
-0.681
-0.739
-0.081
-1.369
-1.369
表3
指标
VX
1
VX
2
VX
3
VX
4
VX
5
VX
6
VX
7
VX
8
VX
9
VX
10
VX
1
0.092
0.511
0.558
0.409
0.518
0.935
0.865
0.856
0.766
1
VX
2
1
VX
3
10项原始指标的相关系数矩阵
VX
4
VX
5
VX
6
VX
7
VX
8
VX
9
VX
10
0.521
0.798
0.897
0.458
0.272
-0.171
0.353
0.010
0.858
0.705
0.676
0.717
0.718
0.511
0.818
1
0.938
0.810
0.701
0.525
0.316
0.780
1
0.730
0.586
0.297
0.131
0.701
1
0.570
0.415
0.237
0.773
1
0.908
0.834
0.910
1
0.904
0.788
1
0.650
1
1
关性分别达到0.858、0.705、0.676、0.717、0.718、0.511
和0.818，由此得出许多变量之间具有很强的相关
性，表明其反映的信息存在重叠，适宜进行主成分分
析。依据特征值大于1的筛选原则，由表4可知，只
有主成分1和主成分2的特征根大于1，分别为6.586
和2.326，方差贡献率为65.862%和23.261%，累计
方差贡献率已达89.123%，符合累计方差贡献率大
于85%的要求，这说明前两个主成分已经反映了
89.123%的变量信息，可以确定主成分的个数为2。
主成分
1
2
3
4
5
6
7
表4特征值、方差贡献率及累计贡献率
初始特征值
方差贡献率/%
65.862
23.261
4.839
3.925
1.340
0.701
0.072
累积贡献率/%
65.862
89.123
93.962
97.887
99.227
99.928
100.00
特征值
6.586
2.326
0.484
0.392
0.134
0.070
0.007
39
5
中，
可以看出，
各水质监测指标主成分载荷矩阵见表
六价铬、高锰酸盐指数、
在方差贡献率为
五日生化需氧量、
65.862%的第1
5。由表
主成分
氨氮、
粪大肠菌群、氟化物、铜和总磷均有较高的载荷，说
明这些原始污染指标主要反映在第1主成分中。其
中，高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮为水体
有机污染物指标，粪大肠菌群、氟化物、铜和总磷为
无机有毒害污染物指标，综合表明水体主要受到工
业废污水、生活污水和农业养殖污水的共同影响。
同理，在第2主成分中溶解氧、五日生化需氧量和氨
氮均显示出较高载荷，反映出有机污染特征，说明
其受到工业废污水的影响。
表5各水质监测指标主成分载荷矩阵
水质指标
主成份
六价铬（VX
0.822
12
1
溶解氧（VX
）
2
高锰酸盐指数（
）
VX
0.497
-0.443
3
五日生化需氧量（VX
）0.876
0.796
4
氨氮（VX
）0.895
0.140
5
粪大肠菌群（
）
VX
0.778
0.425
6
氟化物（VX
）0.770
0.595
0.935
0.307
7
铜（VX
）
8
锌（VX
）0.818
-0.294
9
总磷（VX
）0.675
-0.523
10
）0.948
-0.694
-0.066
根据表5中各水质监测指标的主成分载荷系数
以及其对应的表4中第1和第2主成分对应特征值
计算可得到主成分1（F
1
价函数F的表达式如下：
）、主成分2（F
2
）以及综合评
0.303
F
0.369
VX
1
=0.320VX
1
+0.194VX
2
+0.341VX
3
+0.349VX
4
+
0.390
F
VX
5
+0.300VX
6
+0.364VX
7
+0.319VX
8
+0.263VX
9
10
+
2
=0.290VX
1
+0.552VX
2
+0.092VX
3
+
（1）
0.043
VX
5
+0.201VX
6
-0.193VX
7
-0.343VX
0.279VX
4
+
F
VX
8
10
-0.455VX
9
-
=0.739F
1
+0.261F
2
（2）
2019
通过表达式（1）～（3）计算各水质监测断面
（3）
化描述所监测断面水质污染程度，
年的主成分得分和水污染综合得分，
结果见表
进而定量
6，分值
越高，水质越差，污染越严重。
评价结果可知，2019年汕头境内主要饮用水源
地水质监测断面污染程度综合排序为秋风岭水库
＜河溪水库＜澄海第二水厂＜庵埠水厂＜澄海第
一水厂＜南社＜澄海东部水厂＜北溪桥，与2019年
40
度常规监测的结果基本相符。
表6各监测断面主成分得分及排序
断面名称
F
-0.05
1
F
2
庵埠水厂
得分得分
综合得分F
F排名
澄海第一水厂
0.06268
760-1.09-0.32
澄海第二水厂
-0.10
-1.26
824
-0.28
9214
澄海东部水厂
2.65
183-1.27
483
-0.40
3805
北溪桥
3.85
4960.52
061
2.09
3
南社
0.32
2792.24
334
3283.43
861
688
271
7
8
河溪水库
-2.53
514-1.83883-0.236
秋风岭水库
-4.19
830
784
1.26
1.44
163
425
-1.54
965
-2.72
652
525
2
1
2.4主成分分析法和单因子指数法的比对
将10个评价指标按照《地表水环境质量标准》
GB3838-2002）中各级水质类别对应的上限值进行
上述主成分分析法计算可得各级水质的综合得分
7），其中由于河流和水库总磷的评价上限值
不同需要分开计算，最后根据表6中各监测断面的
综合得分确定相应的水质类别并与通过单因子指
数评价的水质类别进行对比（见表8）。
表7各级水质的综合得分
水质类别综合得分（河流）综合得分（湖库）
Ⅰ
Ⅱ
类-3.58-3.46
Ⅲ
类-1.59
929
-1.59
705
Ⅳ
类-0.59
059
-0.70
476
Ⅴ
类
类
1.77
577
4.00
033
531
1.65
973
4.11
611
542
表8两种评价方法综合评价结果表
断面名称
水质类别
主成分分析法单因子指数法
庵埠水厂
澄海第一水厂
ⅣⅢ
澄海第二水厂
Ⅳ
类
澄海东部水厂
Ⅳ
类Ⅳ
类
Ⅳ
类
北溪桥
Ⅴ
类
劣Ⅴ
类
类
南社
Ⅴ
类
劣Ⅴ类
河溪水库
Ⅳ
类
秋风岭水库
Ⅲ
类Ⅲ
Ⅱ
类
类
Ⅲ
类
Ⅱ
类
类
由表8可知，澄海第一水厂、澄海第二水厂、河
溪水库和秋风岭水库这4个断面的水质类别用两种
分析方法评价的结果是一致的。而庵埠水厂和南
社断面由于粪大肠菌群检测浓度值分别位于Ⅲ类
水浓度区间中距离上限值仅29%和6%的位置，均
逼近Ⅲ类水上限，因此主成分分析法在充分考虑粪
（
（见表
20212
大肠菌群的浓度值在Ⅲ类水浓度区间中所在位置
情况后判定这两个断面均为Ⅳ类水质；澄海东部水
厂和北溪桥虽然粪大肠菌群的检测浓度值超过Ⅴ
类水的标准限值，但是考虑到澄海东部水厂和北溪
桥断面除粪大肠菌群的水质类别为劣Ⅴ类外，其他
水质检测指标的水质类别均低于Ⅰ类水和Ⅱ类水
的标准限值，因此主成分分析法在全方面科学考虑
各个检测指标的实际情况后判定这两个水质监测
断面的水质类别为Ⅴ类。
根据上述评价结果可知，目前汕头境内饮用水
源地水质大体良好，水质超标断面主要的污染指标
均为粪大肠菌群，河流断面粪大肠菌群超标主要是
受沿岸城乡生活污水、农田施肥使用的人畜粪便以
及河流两岸的生活垃圾未经处理直排到河流的综
合影响，从而使粪大肠菌群的浓度维持在高位，影
响水质类别的综合判定。因此，政府各相关职能部
门因出台相应的法律法规，并加大饮用水源地水污
染综合执法力度，切实保障汕头近560万人口的饮
用水安全。
参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
利水电，2017（2）：1-5.
吴佳宁，陈明，袁润权，等.河流水质评价综述[J].广东水
徐祖信.我国河流综合水质标识指数评价方法研究[J].
3结论和建议
由以上分析评价过程可知，主成分分析法通过
数学方法对水质评价因子进行降维处理，并在简化
变量的同时最大限度地保留原有变量所反映的污
染物的信息，充分考虑各种水质监测指标对水体污
染的贡献程度，评价结果比只采用最差因子赋全权
的单因子指数法评价出来的结果更能科学合理地
反映监测水体水质的真实情况。
不过如果检测因子的浓度位于类别浓度区间
的上限，用主成分分析法计算分析后倾向于将水质
类别判定高一个类别，虽然其综合考虑到各检测项
目之间的影响因素，但是与目前通过的国标单因子
评价法判定的水质类别有所差异。因此，在判定水
体水质类别和污染情况时，将主成分分析法与单因
子指数法结合起来共同分析判定，必将得到更为客
观全面的评价结果。
同济大学学报（自然科学版），2005，33（4）：482-488.
计算机仿真，2012（4）：173-176.
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赵杰，刘志坚，郝海红，等.主成分分析用于管网水质综
万金宝，何华燕，曾海燕，等.主成分分析法在潘阳湖水
质评价中的应用[J].南昌大学学报，2010，32（2）：113-117.
（责任编辑：窦波元）
WaterqualityevaluationformaindrinkingwatersourcesinShantou
Citybyprincipalcomponentanalysismethod
CHENZe-rong
(ShantouBranchofGuangdongHydrologyBureau,Shantou515041,China)
Abstract:Themonitoringdataof8maindrinkingwatersourcesinShantouCityin2019wereanalyzedandevaluated
byprincipalcomponentanalysismethod.10mostrepresentativewaterqualitymonitoringindexeswereselectedfor
calculationandanalysisincludingpermanganateindex,hexavalentchromium,dissolvedoxygen,ammonianitrogen,
five-daybiochemicaloxygendemand,fecalcoliform,fluoride,totalphosphorus,luationre⁃
sultswerecomparedwitncludedthe
principalcomponentanalysismethodissuitableforevaluationofwateraffectedbymultiplepollutantindexessince
theevore,comprehensiveanalysisand
judgmentofwaterqualitycategoryandpollutionsituationshouldbeconductedcombiningthenationalstandardsin⁃
glefactorindexmethodwithprincipalcomponentanalysismethodtoobtainmorescientificevaluationresults.
Keywords：Principalcomponentanalysismethod;singlefactorevaluationmethod;drinkingwatersource;water
qualityevaluation;Shantou
41