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

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

隨著人類社會的進步和經(jīng)濟的快速發(fā)展，飲用水安全問題越來越受到重視。水源污染日益嚴重，個別廢水事故層出不窮，嚴重影響了人們的生活。飲用水的安全與人們生活息息相關,因此必須做好飲用水水質(zhì)評價,為人們的飲水安全提供保障。水質(zhì)綜合評價就是根據(jù)各水質(zhì)指標值,對某水體的水質(zhì)等級進行綜合評判,為水體的科學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用水質(zhì)評價要對多個水質(zhì)評價指標進行分析,各個指標之間一般會具有一定程度的相關性,每一個指標從某一方面反映了水質(zhì)的情況,但依據(jù)它們做出綜合評價仍有一定的難度。目前常見的方法主要有:簡單指數(shù)法、主成分分析法、分級加權評分法、普通概率統(tǒng)計法、模糊數(shù)學法等等,各種方法都有其優(yōu)缺點。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,擺脫紛繁指標之間的互相干擾,以簡化的指標來反映水環(huán)境壓力與水污染防治能力,對兩者的關系進行深入探討和分析,比較區(qū)域差異,為今后全國的水污染防治規(guī)劃提供科學依據(jù)。本文介紹利用主成分分析法對水質(zhì)進行評價,該方法在指標權重選取方面具有一定的優(yōu)越性,并借助SPSS15.0版本軟件進行數(shù)據(jù)處理,便于上機操作。社會科學統(tǒng)計軟件SPSS(StatisticalProgramforSocialSciences)是世界上最早的統(tǒng)計分析軟件,目前已經(jīng)廣泛應用于眾多領域和行業(yè),在國際學術交流中,凡使用SPSS軟件完成的計算,可以不必說明算法,可見影響之大。作為統(tǒng)計分析工具,SPSS軟件理論嚴謹、內(nèi)容豐富,數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析、趨勢研究、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,把較多指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標。在多指標變量研究中,由于每個指標都或多或少反映了所研究問題的某些信息,并且指標之間有一定的相關性,因而所得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)反映的信息在一定程度上有重疊。在用統(tǒng)計方法研究多變量問題時,變量過多會增加計算量以及分析問題的復雜性,人們希望在進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個水廠(水廠A~水廠M)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)為例,取12個指標(汞、砷、氟化物、臭和味、鐵、錳、溶解性固體、渾濁度、余氯、細菌總數(shù)、總有機碳、氨氮)作為測量數(shù)據(jù)。按步驟:Analyze→DescriptiveStatistics→Descriptives,彈出Descriptives對話框后,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,點擊“OK”,經(jīng)標準化的數(shù)據(jù)會自動填入數(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,因此必須將文字敘述的指標舍去或是改為相對應的數(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期波動較大;而鐵的方差值只有0.01405,相應的體現(xiàn)出鐵在不同時期波動很小;數(shù)據(jù)標準化是為數(shù)據(jù)進一步分析做準備。按步驟:Analyze→Date→Factor,在出現(xiàn)的FactorAnalysis對話框中,將標準化后的指標數(shù)據(jù)(Z開頭的數(shù)據(jù))導入Variables框中,點擊Descriptives對話框,在CorrelationMatrix框組中選中Coefficients,然后點擊Continue,返回FactorAnalysis對話框,點擊“OK”。即會生成相對應的表2。表2顯示的是各指標相互間的相關性,兩指標之間聯(lián)系系數(shù)的絕對值越大,則這兩指標之間的聯(lián)系越緊密。從表2中可以看出溶解性固體與砷相關系數(shù)絕對值0.954,相對其它值是最大的,說明溶解性與砷之間有著較大的相關性;而氟化物與鐵相關數(shù)的絕對值只有0.007,說明氟化物與鐵之間相關性最差,指標之間相關性都可按此分析。接著點擊Extraction對話框,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個主成分就可以完成主成分分析的目的。點擊Continue→OK,軟件數(shù)據(jù)輸出表中就會生成方差表(表3)和碎石圖(圖1)。主成分個數(shù)提取原則為主成分對應的特征值大于1的前m個主成分,特征值可以看成是表示主成分影響力度大小的指標,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個主成分累計貢獻率達70%以上,即這2主成分就能解釋大部分數(shù)據(jù),因此可以選擇這2個主成分進行提取分析。圖1更加直觀的將各指標特征值顯示在圖中。從圖1中可以很清晰的看到指標1對應的特征值大于6。特征值大于1的總共有4個指標,其余的特征值均小于1。再將Rotation點出,勾上Lodingplot前的小方框,Continue→OK,則會生成圖2。在圖2中,指標離中心越遠,說明指標與主成分之間的相關系數(shù)越大。在圖上可以看出,鐵、臭和味、渾濁度三個指標聚集在一起,表明它們之間聯(lián)系緊密;而總有機碳、氨氮、溶解性固體、余氯、氟化物四個指標聚集在一起,此圖比較直觀的表明了這些指標之間的親疏關系。表4(主成分載荷矩陣)顯示的是各指標與主成分之間的關系,指標與某一主成分的聯(lián)系系數(shù)的絕對值越大,則該主成分與指標之間的聯(lián)系越緊密。從表4可看出,總有機碳、溶解性固體、砷、氨氮、錳、氟化物、余氯這些指標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的信息。而鐵、臭和味、汞、渾濁度、細菌總數(shù)在第二主成分的荷載較高,則第二主成分反映的是這5個指標的信息。因此,用兩個主成分就可以全面的解釋原來的指標。最后我們要計算出各個水廠的主成分得分及綜合得分,也是進行水質(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值。SPSS軟件自行計算出主成分得分,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重(即方差貢獻率)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個水廠的水質(zhì)情況一目了然。3水化學指標的組成綜上所述,通過水質(zhì)指標進行主成分分析之后,可以從大樣本多指標中發(fā)現(xiàn)主要指標,并用少數(shù)幾個指標代替,使得在不損失太多信息的基礎上對復雜問題進行分析。通過分析,可以確定影響該市自來水廠管網(wǎng)水質(zhì)的主要指標有總有機碳、溶解性固體、砷、氨氮、錳、氟化物、余氯,其次是鐵、臭和味、汞、渾濁度以及細菌總數(shù)。因此,可以通過這些主要指標找出影響自來水水質(zhì)等級的原因。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,飲水安全則是影響人體健康和