賈　磊

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津　300072)

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多元因子分析模型在河流健康評價中的應(yīng)用
——以蘇子河水質(zhì)特性研究為例

賈磊

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)

為順應(yīng)河流生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，提出健康河流、生命河流等概念，維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康已經(jīng)成為流域綜合管理的必然趨勢。綜合運(yùn)用水文學(xué)、水力學(xué)、泥沙地貌學(xué)和水生生態(tài)學(xué)的基本理論和方法研究河流生態(tài)健康的表征因子，確定各因子的閾值，建立流域性水體水質(zhì)可續(xù)發(fā)展評價體系。以河流可持續(xù)發(fā)展為基礎(chǔ)，引用代表性的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行篩選，對流域水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值化分析，以蘇子河流域水質(zhì)特性為研究對象，選取出評估河流健康狀況的環(huán)境因子，客觀反映出中小河流域健康狀況，為河流的可持續(xù)管理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

河流健康；評估指標(biāo)；因子分析；可持續(xù)發(fā)展；河流水質(zhì)

1　研究背景

河流是陸地生態(tài)系統(tǒng)的動脈，與周圍的生物種群交織，形成復(fù)雜、有序、穩(wěn)定的河流生態(tài)系統(tǒng)，對于地球生命系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著物種流動、能量交換、物質(zhì)循環(huán)的重要作用。人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，最終導(dǎo)致流域污染不斷加劇甚至造成整個生態(tài)系統(tǒng)不同程度的退化,違背了人類與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程[1]。目前，隨著人們對河流自然屬性及面臨挑戰(zhàn)的認(rèn)識逐步深化，河流管理目標(biāo)從單一的水資源管理擴(kuò)展到對河流生態(tài)系統(tǒng)的流域管理。河流健康評估作為河流管理的工具，有助于提高管理決策能力，對于流域可持續(xù)管理及區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)具有重要意義[2]。

本文在系統(tǒng)剖析河流自然-社會經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)及功能的基礎(chǔ)上，明確了河流健康的內(nèi)涵，從河道基本環(huán)境、河流生態(tài)環(huán)境等方面出發(fā)，重點考慮河道水量、水質(zhì)、水環(huán)境等方面因素，構(gòu)建河流健康綜合評價指標(biāo)體系[3]；采用多元環(huán)境因子分析對流域水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值化，即模擬河流健康評估因子，對現(xiàn)有水質(zhì)和水文數(shù)據(jù)加以概化[4]，建立水質(zhì)因子分析模型，以蘇子河流域作為典型進(jìn)行實證研究，從而為流域可持續(xù)管理提供決策技術(shù)支撐。

2　河流健康的理論架構(gòu)

2.1河流健康評估指標(biāo)構(gòu)成

為追求生態(tài)環(huán)境及資源的可持續(xù)利用，充分考慮環(huán)境資源整合。水資源相關(guān)政策推行將對環(huán)境與生態(tài)造成一定程度的影響和沖擊，所以更需要運(yùn)用可持續(xù)利用思維觀點來面對水資源的相關(guān)問題[5]。綜上所述，河流健康概念的核心架構(gòu)如圖1，關(guān)注人類生存與發(fā)展的水資源供應(yīng)效益外，同時考慮對于環(huán)境與生態(tài)的沖擊與影響[6]。

圖1　河流可持續(xù)利用的核心架構(gòu)Fig.1　Core structure of river’s sustainable utilization

為了維護(hù)自然生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與區(qū)域均衡發(fā)展，水利及環(huán)境保護(hù)等相關(guān)部門水環(huán)境綜合治理措施，即合理有效使用水量確保水資源穩(wěn)定供應(yīng)[7]；推動流域綜合管理，降低洪水災(zāi)害及損失；涵養(yǎng)水土，保護(hù)地下水，提升水源利用效益； 全面恢復(fù)近自然水環(huán)境；推動水循環(huán)再利用，促進(jìn)水源供應(yīng)多元化[8]。

2.2評估方法

河流生態(tài)系統(tǒng)健康的理論架構(gòu)體系包括2部分:一是河流生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)；二是干擾生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與生態(tài)系統(tǒng)健康評價[9]。河流生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標(biāo)主要有生態(tài)特征、水資源狀況、河流基本狀況、功能整合、社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。根據(jù)本研究所建立的河流可持續(xù)利用架構(gòu)結(jié)構(gòu)，初步歸納出屬地化河流健康評估考慮因子所包含生態(tài)特征、棲息地、水資源和社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等4項評估指標(biāo)。針對水生生態(tài)系統(tǒng)健康的研究需要，以相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的容易度和豐富度為標(biāo)準(zhǔn)，依照其河流可持續(xù)利用基礎(chǔ)概念并配合河流屬地特性，引用具代表性相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行篩選，最后選取出評估蘇子河流域健康狀況的環(huán)境指標(biāo)(集水區(qū)擾動、人口、水文擾動、水質(zhì)評估)，如圖2所示。

圖2　河流健康評估考量因子歸納結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of river health assessment factors

3　因子分析模型建立

河流水質(zhì)分析是河流污染的程度以及狀況重要表征方式，然而現(xiàn)行的河流水質(zhì)指標(biāo)僅能知道河流污染的程度，無法知道造成污染的組成成分。水質(zhì)污染程度不能完全表征河流健康程度，因此本研究將利用多元變量統(tǒng)計分析將河流水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行因子分析，利用少數(shù)變量代表多數(shù)變量，充分明確河流污染組成[10]。

3.1因子模型原理

因子分析中較常見的共同因素抽取法如主成分抽取法、未加權(quán)最小平方法、最大概率近似法等，這些因素抽取法中，以主成分抽取法較常被使用，其運(yùn)算原理與方法如下所述。

3.1.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

設(shè)有n個數(shù)據(jù)，p個原始變量數(shù)，則數(shù)據(jù)矩陣為

(1)

分析變量須將原始變量標(biāo)準(zhǔn)化，即

(2)

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，Zij的平均值為0，方差為1，其所得的相關(guān)矩陣和協(xié)方差矩陣完全相同，因此，相關(guān)矩陣為

(3)

式中：rij為第i變量與第j變量之間的相關(guān)系數(shù)，i,j=1，2，…，p。

3.1.2因子分析

由特征方程式解特征向量，如下式

(4)

(5)

由主成分的原理知：

Y=UZ。

(6)

式中：Y是一組原始變量所重新組合互不相關(guān)的變量矩陣;Z為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)矩陣，可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

(7)

式中：U(1)Y(1)為m個主因子所能解釋的部分；U(2)Y(2)則為剩余部分，也就是不能解釋的部分。

則有

X=U(1)Y(1)+ε。

(8)

式中：U(1)為因子負(fù)荷矩陣；Y(1)為主要矩陣；ε為較難解釋部分。式(8)稱為因子模型。

若式(8)中U(1)Y(1)占大部分的比例，表示選取的因子可取代X而忽略ε。亦即選取的因子負(fù)荷矩陣具有代表性。

忽略不能解釋的ε部分，因此模型可以寫為

(9)

(10)

因此，因子模型可以改寫為

(11)

式中:Y1,Y2,…,Ym為公共因子;aij為因子負(fù)荷,為第i個變量在第j個主因子上的負(fù)荷。

3.2因子獲取及適合度驗證

因子分析可找出較低維度的變量組合，并作為其它統(tǒng)計分析的基本數(shù)值，通常是找出因子矩陣中因子負(fù)荷量較大的變量作為特定表征因子。如果要應(yīng)用全新的集合來取代原始變量的集合，則必須計算總和因子分?jǐn)?shù)來表征每一個因子，因子獲取效果是經(jīng)過降低維度的，因此可以由因子獲取圖表作為群集、判別或相關(guān)分析的預(yù)測變量。

對于分析的數(shù)據(jù)是否適用于因子分析，可用KMO值來檢定，其定義為

(12)

4　實證分析

4.1流域概況描述

蘇子河是渾河大伙房水庫上游的主要支流，發(fā)源于新賓縣紅升鄉(xiāng)的五鳳嶺，河長128km，流域面積2 147km2，流經(jīng)新賓縣紅升鄉(xiāng)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和撫順縣湯圖鄉(xiāng)，在新賓縣上夾河鎮(zhèn)的荒地村注入大伙房水庫，是新賓縣的最大河流，河流呈東西走向，是典型的山區(qū)性河流，干流紅升水庫以下至永陵段河道比較平順，河谷較為開闊，灘地多為農(nóng)田，永陵以下至占貝段河道多彎曲，河道比降較大，在1.5%～2.5%范圍內(nèi)，水能資源豐富，見圖3。

圖3　蘇子河流域規(guī)劃圖Fig.3　Planning of Suzi river basin

4.2環(huán)境因子表征分析

河流流量可以反映出所在流域中水質(zhì)的季節(jié)性變化，近年來越來越多學(xué)者研究證明流量對于流域中生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。本研究將探討蘇子河流域生態(tài)基流量和生態(tài)需水量的差異性以及平均流量與水質(zhì)之關(guān)系。蘇子河流域水文站的分布如圖4。

圖4　蘇子河流域水系及測站分布Fig.4　Water system and station distributionin Suzi watershed

根據(jù)水文部門及環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以利用集水區(qū)面積來推算，每100km2分別應(yīng)有0.135，0.46，0.1～0.3m3/s流量，依照此經(jīng)驗法則以及利用歷史流量法來推估蘇子河流域的生態(tài)用水量。

在生態(tài)需水量推估方面,歷史流量在該流域中不論在枯水期或豐水期所推得的流量基本上大于經(jīng)驗法則所推求出的流量,如表1。

表1　蘇子河流域生態(tài)需水量表征Table 1　Ecological water demand characteristics in Suzi river

有了上述的推估方法，發(fā)現(xiàn)生態(tài)基的流量大于生態(tài)需水量，因此，蘇子河流域以生態(tài)基流量為提供生物生存所需的最小流量。如表2所示，約有81.1%的流量超過生態(tài)基流量要求。在年平均流量中，將流域中共同擁有水文站與水質(zhì)監(jiān)測站的點位進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)河流流量變大時，河流水質(zhì)也相對變好，反之亦然。主要原因應(yīng)是當(dāng)河流中流量增大時能夠?qū)⑺形廴镜某潭冗M(jìn)行稀釋作用；反之，當(dāng)流量變小時，水質(zhì)污染的濃度也會相對提高。

表2　蘇子河流域生態(tài)基流量Table 2　Ecological basic flow in Suzi river

4.3水質(zhì)現(xiàn)況

依據(jù)蘇子河流域各支流的水質(zhì)監(jiān)測站1996—2005年的監(jiān)測資料，匯總分析如表3所示。依照河流水質(zhì)分析結(jié)果，我們僅能看出河流污染的變化，卻無法看出影響河流污染程度變化主要原因，為了能夠進(jìn)一步研究影響河流污染主要因子，我們利用多變量分析將污染河流水質(zhì)的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行主成份分析，以便能更清楚掌握影響河流水質(zhì)的關(guān)鍵因子。

表3　蘇子河流域水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果Table 3　Monitoring result of water quality in Suzi river　mg5L-1

4.4基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料處理

4.4.1因子選取

樣本數(shù)據(jù)是根據(jù)水文水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)庫，從1989—1998年的水質(zhì)監(jiān)測值中選取的，變量的選取以數(shù)據(jù)完整性為主，選取6個水質(zhì)變量，包括水溫、酸堿值、溶氧、生化需氧量、氨氮、化學(xué)需氧量。

當(dāng)變量維度較高時，數(shù)據(jù)的分析處理、特性解釋及圖形表示都很困難。因子分析可對該問題進(jìn)行簡化，其主要功能是將許多變量中關(guān)系較密切者組合，形成數(shù)目較少的因子，亦即每個因子是由數(shù)個變量所組成的綜合變量。每個因子間相互獨(dú)立，選取的因子亦可以解釋大部分原始變量。

4.4.2因子解釋

由表4可知影響蘇子河流域水質(zhì)變化的主要因子，其各河流特性因子分述如下。

表4　蘇子河流域水質(zhì)因子分析結(jié)果Table 4　Factor analysis results of water quality inSuzi river

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，影響蘇子河流域水質(zhì)主要的因子為氨氮、生化需氧量、溶氧和導(dǎo)電度。以氨氮的因子負(fù)荷最大，氨氮為河流水質(zhì)指標(biāo)，表示木奇河段污染來源以地方農(nóng)業(yè)污水為主。占貝地區(qū)生化需氧量和化學(xué)需氧量表示此河段受到有機(jī)性的污染以及可能有工業(yè)廢水的排入；城子后地區(qū)周圍以化學(xué)需氧量負(fù)荷量最大，可能是有工業(yè)廢水排入的影響。

可見蘇子河流域水質(zhì)污染的程度與分布，排除其他影響河段，大致上可分為2大因子群，即由溶氧、氨氮、生化需氧量組成的有機(jī)性污染因子；以導(dǎo)電度為主的溶解性因子，后者可作為灌溉農(nóng)業(yè)用水評估。

4.4.3因子分析結(jié)果

在因子分析模型中所得到的主要環(huán)境指標(biāo)，可以解釋為河流污染程度組成。由于輸入的數(shù)據(jù)為10a環(huán)境指標(biāo)變量，因此結(jié)果變異性較大，但是能夠看出河流中各河段的變化趨勢，且經(jīng)由SPSS統(tǒng)計軟件可得知各水質(zhì)參數(shù)的不同權(quán)重。經(jīng)由上述的分析結(jié)果可以得出，水質(zhì)污染的評估指標(biāo)是較為敏感，與因子分析模型的模擬結(jié)果較為接近。

5　結(jié)　論

本文基于因子分析模型的河流健康評估模型對區(qū)域中小河流健康狀況進(jìn)行評價，特別選取遼寧東部山區(qū)典型河流蘇子河作為研究對象，由因子分析可知，影響河流水質(zhì)的主要因子有兩方面，分別為由氨氮、溶氧、生化需氧量等組成的有機(jī)性污染因子；以電導(dǎo)度為主的溶解性因子，分析結(jié)果顯示蘇子河流域中影響河流健康狀況的有機(jī)性污染因子大于溶解性因子。由于河流生態(tài)系統(tǒng)健康涉及的研究領(lǐng)域較寬，內(nèi)容較多，限制河流生態(tài)系統(tǒng)健康維持和發(fā)展的因素以及相互之間的關(guān)系也較為復(fù)雜，對于不同流域之評估準(zhǔn)則也會因為當(dāng)?shù)亓饔驙顩r而有所改變。因此其健康評價還處于實驗階段。就蘇子河流域目前水質(zhì)狀況來看，由于近年來河流整治工程加大建設(shè)，水質(zhì)狀況明顯好轉(zhuǎn)，本研究分析結(jié)果得知蘇子河流域的健康狀態(tài)屬于普通等級。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

River Health Assessment Based on Multi-factor Model: A Case Study on Water Quality of Suzi River

JIALei

(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Tomaintainthehealthofriver’seco-systemhasbecomeaninevitabletendencyofbasinmanagement.Inthisresearch,anassessmentsystemforthesustainabledevelopmentofbasinwaterqualitywasestablishedaccordingtohydrologic,hydraulic,sedimentgeomorphology,andaquaticecologicalfactors.Typicalindexesofbasinwaterqualitywereselectedandanalyzedusingmultipleenvironmentalfactorsanalysis.Suziriverwatershedwastakenasacasestudy.Environmentalfactorswhichreflecttheriverhealthstatewereselected.Thisresearchcouldbeareferenceforthesustainablemanagementandeco-environmentalconstructionoftheriver.

riverhealth;assessmentindex;factoranalysis;sustainabledevelopment;riverwaterquality

2016-01-22;

2016-03-04

賈磊(1983-)，男，遼寧沈陽人，工程師，博士研究生，主要從事生態(tài)河流、水庫生態(tài)調(diào)度與景觀河流修復(fù)與設(shè)計方面的工作，(電話)13802008390(電子信箱)jialei@tju.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20160073

2016,33(09):28-32

TV856

A

1001-5485(2016)09-0028-05