当前世界环境

介绍

在水体中，河流是最容易受到污染的，因为上覆岩石的矿物质受到侵蚀和溶解，以及人为活动，如工业废水和城市污水排放到河流中。河水污染导致物种组成的改变和水生和人类群落的健康下降。通常的做法是在不同的监测站对多个参数进行周期性监测。这种测量结果产生了大量复杂的物理化学和生物参数，需要进一步评估以了解水质。

由于河流是人类消费的最重要资源，因此掌握可靠和易于理解的水质特征及其趋势信息对于有效的水管理非常重要。在此之前的一些研究中，采用了不同的分析技术，如水质指数(WQI)、结构动态模型、模糊逻辑推理等进行水质评价。然而，这些方法并不适用于河流的大尺度数据和长期监测。近年来，多元统计分析技术如主成分分析(PCA)已成功地应用于许多水质分析。这些研究表明，主成分分析法可以解释具有不同水质参数相关性的大尺度复杂数据。PCA成功地应用于蛋白质研究的准谐波分析、分子动力学、预测合适的缓蚀剂，以及理解从核磁共振和其他方面获得的代谢组学数据。^{1 - 9}

本研究利用卡韦里河5个不同站点的水质参数数据库进行主成分分析，提取不同站点采样间的异同信息。此外，还对对样品影响较大的水质参数进行了评价。

实验

卡韦里河是印度泰米尔纳德邦的主要饮用水资源之一。这条河受到各种人为活动的污染。因此，监测和分析河流不同流经点的水质是非常重要的。本研究对5个不同监测站的9个水质参数pH、溶解氧(DO)、生物需氧量(BOD)、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、总硬度、粪便大肠杆菌和总大肠杆菌进行了观测。水质参数是根据泰米尔纳德邦政府在2004-2011年期间在卡韦里河沿岸的蒂鲁奇拉帕利地区观测到的原始数据确定的。¹⁰然而，缺少2007-2008年的原始数据。此外，由于测量中的技术故障，有些数据在数年内是不完整的。在这种情况下，为了避免在评价主要组成部分时遇到困难，已考虑到往年的相应值。采用Scilab软件进行主成分分析(PCA)。编写了专门的程序来输入数据，并以图形形式获得输出。

结果与讨论

一般来说，水的质量在A到e之间进行分类，为了计算的目的，作者用数字1到5代替了这些字母。5个监测站观测到的水质参数及其排序见表1-5。需要注意的是，水质参数与排名一起作为变量(V1 ~ V10)，年份作为常量。利用这些参数编制程序并使用Scilab软件执行。系统显示如图1-5所示。

由图1a可知，V1与V4、V2与V5、V3与V5/V6、V4与V6、V5/V6/V7、V9/V7的夹角约为90^o。这是由于变量之间的非线性关系。相互接近的变量可以分组为(V1, V2, V10)， (V3, V9)， (V5, V6)， (V4, V7)。根据主成分分析，这组变量之间有直接的关系。例如，BOD (V3)与总大肠杆菌计数(V9)呈线性关系。在实践中，BOD是衡量任何微生物生长的直接指标。此外，V9和V4/V7以及V8和V10之间的角度接近180^o，这归因于它们之间的线性关系。显然，水中氯化物(V4)的浓度会影响微生物(V9)的生长。

表1:pathrakaliamman koil观测到的水质参数

一年	pH值	原产mg / L	B.O.D mg / L	氯mg / L	硫酸mg / L	硝酸mg / L	总硬度mg/L	粪便大肠杆菌 / 100毫升	总大肠杆菌 / 100毫升	DBU排名
2004 - 2005	7.35	7.6	2	6	2	0.2	22	327	1668	1
2005 - 2006	7.85	7.9	2.1	12	5	0.19	56	213	595	2
2006 - 2007	7.14	7.4	1.9	18	7	0．35	44	193	476	2
2008 - 2009	7.29	7.84	0.81	26	15	0.274	62	275	448	1
2009 - 2010	7.81	8.4	0.6	26	0.01	0.1	62	131	304	2
2010 - 2011	8.1	7.79	1	26	4	0.28	77	95	204	2

表2:Tiruchirappalli上游观测的水质参数

一年	pH值	原产mg / L	B.O.D mg / L	氯mg / L	硫酸mg / L	硝酸mg / L	总硬度mg/L	粪大肠杆菌/100 mL	大肠杆菌总数/100 mL	DBU排名
2004 - 2005	8.2	7.7	2	0	0	0.07	0	290	950	1
2005 - 2006	8.1	8.4	1.9	0	0	0.18	0	173	633	1
2006 - 2007	8.0	7.6	1.9	0	0	0.17	0	153	295	2
2008 - 2009	7.94	7.63	0.8	135	55	0.17	160	170	285	2
2009 - 2010	8.37	7.5	1	0.11	0	0.17	160	143	330	2
2010 - 2011	8.16	7.4	1	19	0	0.1	60	131	268	2

图1:pathrakaliamman koil不同年份(常量)水质观测值(a)水质参数(变量，V)和(b)对所有水质的评分和关系图 点击此处查看图

图2:(a)水质参数(变量，V)和(b)在不同年份(常量)观察到的所有水质的得分和关系图Tiruchirappalli上游 点击此处查看图

图1b显示了在不同年份观测到的卡韦里水质。2006-2007年、2008-2009年、2009-2010年和2010-2011年的水质观测值较为接近。2004-2005年观察到的结果是不同的和特定的。很明显，这些关系与水的质量成正比。表1和图1b中的数据相互关联。

表3:grand anicut观测的水质参数

一年	pH值	原产mg / L	B.O.D mg / L	氯mg / L	硫酸mg / L	硝酸mg / L	总硬度mg/L	粪大肠杆菌/ 100毫升	总大肠杆菌/ 100毫升	DBU排名
2004 - 2005	8.1	7.5	2.7	0	0	0.3	0	193	675	1
2005 - 2006	8.1	7.5	4.1	0	0	0.27	0	203	461	1
2006 - 2007	7.8	7.0	2.8	10	46	0.19	224	156	363	2
2008 - 2009	7.8	6.2	2.9	215	67	0.47	330	205	366	1
2009 - 2010	8.2	7.9	2.2	215	0.37	0.19	330	235	471	1
2010 - 2011	8.0	6.26	1	56	0.37	0.23	185	176	328	2

表4:在Tiruchirappalli观测到的水质参数加。

一年	pH值	原产mg / L	B.O.D mg / L	氯mg / L	硫酸mg / L	硝酸mg / L	总硬度mg/L	粪大肠杆菌/ 100毫升	总大肠杆菌/ 100毫升	DBU排名
2004 - 2005	7.7	6.2	4	0	0	0.13	3640	290	760	1
2005 - 2006	8.2	8.4	2	0	0	0.17	0	215	650	1
2006 - 2007	7.7	7.4	2	0	0	0.415	0	238	405	2
2008 - 2009	7.9	7.83	1.3	175	59	0．15	240	320	500	1
2009 - 2010	8.1	6	４．５	175	0.004	0.1	240	640	2568	1
2010 - 2011	8.0	6．15	1	83	1	0.17	202	188	368	2

表5:kollidam观测到的水质参数。

一年	pH值	原产mg / L	B.O.D mg / L	氯mg / L	硫酸mg / L	硝酸mg / L	总硬度mg/L	粪大肠杆菌/ 100毫升	总杆菌/ 100毫升	DBU 排名
2004 - 2005	8.0	7.4	2	14246	1518	0.08	4040	116	827	1
2005 - 2006	8.1	8.1	2	475	81	0.08	296	266	680	1
2006 - 2007	7.8	8.3	4	112	44	0.486	188	260	2701	2
2008 - 2009	7.9	7.6	1.16	135	48	0．25	220	471	753	2
2009 - 2010	8.2	7.2	1.3	135	0.07	0.14	220	119	286	2
2010 - 2011	8.1	7.4	1	91	0.07	0.21	234	144	298	3.

在tiruchirapalli上游Kaveri采集的样本中，数据是独特的和不同的。例如，V1不同于任何其他参数，这表明它对特定年份的水质影响较小(图2a)。同时，有趣的是，除了V1和V10之外，所有其他变量都可以分为两个。一方面，V2、V3、V8和V9彼此接近。另一方面，V4、V5、V6和V7相互接近。如上所述，变量的密切性表明，在决定水质时，这些参数之间存在直接或线性关系。有趣的是，2008-2009年的水质与其他年份有很大的不同。这主要是由于高水平的氯化物，硫酸盐和总硬度。

图3:(a)水质参数(变量，V)和(b)在不同年份(常量)观察到的水质对所有水质的评分和关系图。 点击此处查看图

图4:(a)水质参数(变量，V)和(b)在不同年份(常量)观察到的所有水质的得分和关系图Tiruchirappall下游 点击此处查看图

图5:(a)水质参数(变量，V)和(b)不同年份(常量)在kollidam观察到的所有水质上的得分和关系图 点击此处查看图

与在patharakaliamman koil和Tiruchirappalli上游采集的样品类似，本文还讨论了在grand anicut、Tiruchirappalli下游和Kollidam采集的其他样品的数据。有趣的是，在几乎所有不同站点收集的样本中，变量V3和V9都在同一季度，值或多或少相似。这有力地表明BOD (V3)与粪大肠杆菌(V9)之间存在线性关系。值得注意的是，在所有样本中，2004-2005年和2010-2011年收集的数据呈现相反的趋势。这是由于氯化物、硫酸盐、硝酸盐和大肠杆菌等参数的增加导致了水质的下降。

结论

主成分分析是一种非常有用的技术，用于降低数据的维数，以便随后确定主成分。在本研究中，为了了解和比较水质参数，在5个不同的站点采集了Kaveri水样，并对其进行了PCA分析。数据表明，2010-2011年各采样站的污染程度均高于前几年。此外，BOD与粪大肠杆菌的关系在水质中起主要作用。与本研究类似，可以考虑并考虑几个变量和常数来创建数据库，这将对研究人员更好地了解水质非常有用。

确认

作者感谢泰米尔纳德邦渔业大学渔业工程学院对研究的激励。

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