基于spss的飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

基于spss的飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，飲用水安全問題越來越受到重視。水源污染日益嚴(yán)重，個(gè)別廢水事故層出不窮，嚴(yán)重影響了人們的生活。飲用水的安全與人們生活息息相關(guān),因此必須做好飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià),為人們的飲水安全提供保障。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)就是根據(jù)各水質(zhì)指標(biāo)值,對(duì)某水體的水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)判,為水體的科學(xué)管理和污染防治提供決策依據(jù),在地區(qū)可持續(xù)發(fā)展中具有重要意義。1主成分分析法及其應(yīng)用水質(zhì)評(píng)價(jià)要對(duì)多個(gè)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析,各個(gè)指標(biāo)之間一般會(huì)具有一定程度的相關(guān)性,每一個(gè)指標(biāo)從某一方面反映了水質(zhì)的情況,但依據(jù)它們做出綜合評(píng)價(jià)仍有一定的難度。目前常見的方法主要有:簡(jiǎn)單指數(shù)法、主成分分析法、分級(jí)加權(quán)評(píng)分法、普通概率統(tǒng)計(jì)法、模糊數(shù)學(xué)法等等,各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。就水環(huán)境而言,已有許多研究者從多種影響因素的最終效果入手,擺脫紛繁指標(biāo)之間的互相干擾,以簡(jiǎn)化的指標(biāo)來反映水環(huán)境壓力與水污染防治能力,對(duì)兩者的關(guān)系進(jìn)行深入探討和分析,比較區(qū)域差異,為今后全國(guó)的水污染防治規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。本文介紹利用主成分分析法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),該方法在指標(biāo)權(quán)重選取方面具有一定的優(yōu)越性,并借助SPSS15.0版本軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,便于上機(jī)操作。社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件SPSS(StatisticalProgramforSocialSciences)是世界上最早的統(tǒng)計(jì)分析軟件,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域和行業(yè),在國(guó)際學(xué)術(shù)交流中,凡使用SPSS軟件完成的計(jì)算,可以不必說明算法,可見影響之大。作為統(tǒng)計(jì)分析工具,SPSS軟件理論嚴(yán)謹(jǐn)、內(nèi)容豐富,數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)研究、制表繪圖、文字處理等功能,幾乎無所不包。主成分分析也稱主分量分析,旨在利用降維的思想,把較多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)。在多指標(biāo)變量研究中,由于每個(gè)指標(biāo)都或多或少反映了所研究問題的某些信息,并且指標(biāo)之間有一定的相關(guān)性,因而所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映的信息在一定程度上有重疊。在用統(tǒng)計(jì)方法研究多變量問題時(shí),變量過多會(huì)增加計(jì)算量以及分析問題的復(fù)雜性,人們希望在進(jìn)行定量分析的過程中,涉及變量較少,得到信息量較多。主成分分析正是適應(yīng)這一要求產(chǎn)生的,是解決這類問題的理想工具。2factoranalysis的數(shù)據(jù)生成以某市13個(gè)水廠(水廠A~水廠M)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)為例,取12個(gè)指標(biāo)(汞、砷、氟化物、臭和味、鐵、錳、溶解性固體、渾濁度、余氯、細(xì)菌總數(shù)、總有機(jī)碳、氨氮)作為測(cè)量數(shù)據(jù)。按步驟:Analyze→DescriptiveStatistics→Descriptives,彈出Descriptives對(duì)話框后,把左邊方框內(nèi)的原始數(shù)據(jù)選入Variables框中,在Savestandardizedvaluesasvariables前的方框打上鉤,點(diǎn)擊“OK”,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)填入數(shù)據(jù)窗口中(表1)。需要注意的是,SPSS軟件處理的數(shù)據(jù)必須全是數(shù)字,不能是其他字符,因此必須將文字?jǐn)⑹龅闹笜?biāo)舍去或是改為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字。從表1中可以清楚的看出溶解性固體的方差值最大,說明極大值與極小值相差最大,反映出溶解性固體在不同時(shí)期波動(dòng)較大;而鐵的方差值只有0.01405,相應(yīng)的體現(xiàn)出鐵在不同時(shí)期波動(dòng)很小;數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是為數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析做準(zhǔn)備。按步驟:Analyze→Date→Factor,在出現(xiàn)的FactorAnalysis對(duì)話框中,將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)(Z開頭的數(shù)據(jù))導(dǎo)入Variables框中,點(diǎn)擊Descriptives對(duì)話框,在CorrelationMatrix框組中選中Coefficients,然后點(diǎn)擊Continue,返回FactorAnalysis對(duì)話框,點(diǎn)擊“OK”。即會(huì)生成相對(duì)應(yīng)的表2。表2顯示的是各指標(biāo)相互間的相關(guān)性,兩指標(biāo)之間聯(lián)系系數(shù)的絕對(duì)值越大,則這兩指標(biāo)之間的聯(lián)系越緊密。從表2中可以看出溶解性固體與砷相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值0.954,相對(duì)其它值是最大的,說明溶解性與砷之間有著較大的相關(guān)性;而氟化物與鐵相關(guān)數(shù)的絕對(duì)值只有0.007,說明氟化物與鐵之間相關(guān)性最差,指標(biāo)之間相關(guān)性都可按此分析。接著點(diǎn)擊Extraction對(duì)話框,選擇principalcomponents方法,將Display中的Screeplot前的小方框勾上,并且在Numberoffactor中寫上2,一般只要選擇2個(gè)主成分就可以完成主成分分析的目的。點(diǎn)擊Continue→OK,軟件數(shù)據(jù)輸出表中就會(huì)生成方差表(表3)和碎石圖(圖1)。主成分個(gè)數(shù)提取原則為主成分對(duì)應(yīng)的特征值大于1的前m個(gè)主成分,特征值可以看成是表示主成分影響力度大小的指標(biāo),如果特征值小于1,說明該主成分的解釋力度不夠。表3中顯示前2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)70%以上,即這2主成分就能解釋大部分?jǐn)?shù)據(jù),因此可以選擇這2個(gè)主成分進(jìn)行提取分析。圖1更加直觀的將各指標(biāo)特征值顯示在圖中。從圖1中可以很清晰的看到指標(biāo)1對(duì)應(yīng)的特征值大于6。特征值大于1的總共有4個(gè)指標(biāo),其余的特征值均小于1。再將Rotation點(diǎn)出,勾上Lodingplot前的小方框,Continue→OK,則會(huì)生成圖2。在圖2中,指標(biāo)離中心越遠(yuǎn),說明指標(biāo)與主成分之間的相關(guān)系數(shù)越大。在圖上可以看出,鐵、臭和味、渾濁度三個(gè)指標(biāo)聚集在一起,表明它們之間聯(lián)系緊密;而總有機(jī)碳、氨氮、溶解性固體、余氯、氟化物四個(gè)指標(biāo)聚集在一起,此圖比較直觀的表明了這些指標(biāo)之間的親疏關(guān)系。表4(主成分載荷矩陣)顯示的是各指標(biāo)與主成分之間的關(guān)系,指標(biāo)與某一主成分的聯(lián)系系數(shù)的絕對(duì)值越大,則該主成分與指標(biāo)之間的聯(lián)系越緊密。從表4可看出,總有機(jī)碳、溶解性固體、砷、氨氮、錳、氟化物、余氯這些指標(biāo)在第一主成分上的荷載較高,說明第一主成分反映了這些指標(biāo)的信息。而鐵、臭和味、汞、渾濁度、細(xì)菌總數(shù)在第二主成分的荷載較高,則第二主成分反映的是這5個(gè)指標(biāo)的信息。因此,用兩個(gè)主成分就可以全面的解釋原來的指標(biāo)。最后我們要計(jì)算出各個(gè)水廠的主成分得分及綜合得分,也是進(jìn)行水質(zhì)分析最重要的一步。主成分得分值一步算法:利用Transform→compute,在對(duì)話框中輸入y1=FAC1_1*SQR(λ1),y2=FAC2_1*SQR(λ2),λ1、λ2分別是第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)值。SPSS軟件自行計(jì)算出主成分得分,其結(jié)果顯示在數(shù)據(jù)窗口最右邊。由主成分得分與客觀權(quán)重(即方差貢獻(xiàn)率)之積得出綜合得分,具體見表5。從表5中清晰的表現(xiàn)出水廠D的水質(zhì)情況最好,而水廠A水質(zhì)情況最差,這樣13個(gè)水廠的水質(zhì)情況一目了然。3水化學(xué)指標(biāo)的組成綜上所述,通過水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析之后,可以從大樣本多指標(biāo)中發(fā)現(xiàn)主要指標(biāo),并用少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)代替,使得在不損失太多信息的基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行分析。通過分析,可以確定影響該市自來水廠管網(wǎng)水質(zhì)的主要指標(biāo)有總有機(jī)碳、溶解性固體、砷、氨氮、錳、氟化物、余氯,其次是鐵、臭和味、汞、渾濁度以及細(xì)菌總數(shù)。因此,可以通過這些主要指標(biāo)找出影響自來水水質(zhì)等級(jí)的原因。4水安全及衛(wèi)生問題成為全球的重大戰(zhàn)略問題水是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),飲水安全則是影響人體健康和