李迪*，盧文喜，張競予

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林長春，130026；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春，130026）

基于因子分析法的東遼河流域地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)

李迪1*，盧文喜2，張競予1

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林長春，130026；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春，130026）

本文采用因子分析評(píng)價(jià)方法,對東遼河流域20個(gè)地表水監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明:東遼河流域地表水水質(zhì)受到了較嚴(yán)重的污染，污染主要分布于東遼河流域的中下游地區(qū)。造成東遼河流域中下游水質(zhì)狀況較差的主要原因是該區(qū)工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源(包括養(yǎng)殖、工業(yè)廢水、農(nóng)田徑流) 及城鎮(zhèn)生活污染源的污染排放較大。因此，加強(qiáng)東遼河流域污染源的綜合治理工作是十分必要的。

東遼河流域；水質(zhì)評(píng)價(jià)；因子分析法

引言

因子分析(Factor Analysis) 是 1904 年由 Charles 首先提出的，是主成分分析的推廣和深化，在自然科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。該法的基本思想是根據(jù)相關(guān)性大小把變量分組，使得同組內(nèi)的變量之間的相關(guān)性較高，但不同組的變量相關(guān)性較低，試圖用較少個(gè)數(shù)的公共因子得線性函數(shù)和特定因子之和來表達(dá)原來觀測的每個(gè)變量，以達(dá)到合理地解釋存在于原始變量間的相關(guān)性和簡化變量維數(shù)的目的。具體步驟如下：

設(shè)有n個(gè)樣品,每個(gè)樣品有P個(gè)觀測值,將原始數(shù)據(jù)寫成矩陣x= (x1,x2,,xP)。

（1）將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）建立變量的相關(guān)矩陣R,對R進(jìn)行主成分分析。

（3）求R的特征根K1，K2，K3，，Km以及相應(yīng)的特征向量a1,a2,,,am。特征向量之間標(biāo)準(zhǔn)正交,確定m有2種方法，可以根據(jù)特征值的大小確定，一般取大于1的特征值,也可以用累計(jì)方差貢獻(xiàn)率(Q)來確定m，一般累計(jì)方差貢獻(xiàn)率應(yīng)在85%以上。

（4）求m個(gè)公共因子的載荷矩陣A。在實(shí)際分析時(shí),為了對公共因子變量的含義有比較清楚的認(rèn)識(shí)，往往對載荷矩陣進(jìn)行極大化旋轉(zhuǎn)，使得每個(gè)公共因子上的最高載荷變量的數(shù)目最少。

（5）計(jì)算各公共因子的得分 F。因子變量確定后，就可以計(jì)算每一個(gè)樣本的m個(gè)公共因子得分。因?yàn)檎`差的存在，各因子得分計(jì)算須用各種不同的方法進(jìn)行估計(jì)，比如回歸法，Bartlett法等。

（6）計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值。 該研究對公共因子 F前面的權(quán)重用其對應(yīng)的特征值占總提取特征值的比重來設(shè)定。它為非人為估計(jì)而定，比較客觀和科學(xué)。

2 東遼河流域概況：

東遼河地處吉林省中部，東鄰松花江流域，西接壤西遼河，南鄰招蘇臺(tái)河，北與飲馬河分界。地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°39′—125°32′，北緯 42°37′—44°09′。東遼河流域面積約為10136km2。流域內(nèi)含遼源市、公主嶺市、雙遼市三個(gè)市區(qū)，東遼縣、梨樹縣、伊通縣三個(gè)縣。東遼河流域內(nèi)降水量由上游至下游不斷減少，多年平均降雨量上游到下游從 700mm降至 450mm，蒸發(fā)量在700～900mm之間，呈現(xiàn)出從上游向下游逐漸增加的趨勢。地表徑流分布和降雨相似，由上游到下游從 150mm減到25mm。尤其是雙遼縣境內(nèi)，年雨量很少，地勢平坦，土壤沙性大，產(chǎn)匯流條件差，年徑流深還不到10mm。總體來看，東遼河流域常年出現(xiàn)干枯現(xiàn)象，降雨量很少。

東遼河流域?qū)龠|河流域上游的大支流，發(fā)源于遼源市境內(nèi)的薩哈嶺山。東遼河是吉林省比較完整的獨(dú)立三級(jí)區(qū)流域，全長448km。自東向西流經(jīng)遼源市、東遼縣大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在東遼縣云頂鎮(zhèn)注入大型水庫二龍山水庫，后流經(jīng)梨樹縣、公主嶺市、雙遼市后流入遼寧省境內(nèi)西豐、昌圖、康平等市縣，最終在遼寧省昌圖縣與康平縣之間山東屯附近與西遼河匯合。二龍山水庫為東遼河流域內(nèi)重要的水利工程節(jié)點(diǎn)，二龍山水庫以上劃分為東遼河上游，二龍山水庫壩下至長大鐵路橋?yàn)橹杏危L大鐵路橋至平齊線三江口鐵橋?yàn)橄掠?。流域水系圖如圖1所示：地表水監(jiān)測點(diǎn)見表1：

圖1 東遼河流域水系圖

表1 采樣點(diǎn)分布

3 東遼河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)

以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并選擇在水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果中主要的污染指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，建立因子集，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)劃分的水質(zhì)級(jí)別確定評(píng)價(jià)集。

采用因子分析方法，首先對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，計(jì)算出變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣R，通過特征方程計(jì)算出相關(guān)系數(shù)矩陣 R的特征根，即幾個(gè)主因子的貢獻(xiàn)率，最后求出特征根的累積百分比，特征值和貢獻(xiàn)率的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 特征值與貢獻(xiàn)率

從表3.1中可以看出前4個(gè)特征值的累積百分已達(dá)到85.3%>85%，根據(jù)計(jì)算出的貢獻(xiàn)率可認(rèn)為取前4個(gè)主成分即可反映原始數(shù)據(jù)的基本信息。對2010年7月東遼河流域水環(huán)境常規(guī)監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過方差最大法等方法最終計(jì)算出旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣，如表3所示。

表3 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

由表3可以看出，第一個(gè)主因子中，指標(biāo)鉻、砷、銅、鋅、鉛有較大的載荷，第二主因子中，指標(biāo)總氮、氨氮、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)具有較大的載荷，第三主因子中，指標(biāo)總氮、氨氮、氟離子占有較大的負(fù)荷，第四主因子中，指標(biāo)總磷、氨氮占有較大的負(fù)荷。由因子分析的結(jié)果可以看出，農(nóng)業(yè)污染、重金屬污染、居民的生活污水隨意排放和流域內(nèi)耕地過多造成的水土流失是流域內(nèi)水質(zhì)污染嚴(yán)重的原因所在。

通過對不同監(jiān)測點(diǎn)作因子分析，得出不同監(jiān)測點(diǎn)因子得分及綜合污染指數(shù)如表4所示。

表4 不同監(jiān)測點(diǎn)因子得分及綜合污染指數(shù)

從上表4可以看出：污染綜合指數(shù)較高的監(jiān)測點(diǎn)主要分布于東遼河流域的中下游地區(qū)。造成東遼河流域中下游水質(zhì)狀況較差的主要原因是該區(qū)工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源(包括養(yǎng)殖、工業(yè)廢水、農(nóng)田徑流) 及城鎮(zhèn)生活污染源的污染排放較大。因此應(yīng)加強(qiáng)東遼河流域污染源的綜合治理工作，對廢水及固體排放物進(jìn)行嚴(yán)格管理，積極開展植樹造林及水源地保護(hù)工作，以確保東遼河流域的水質(zhì)安全。

4 結(jié)束語

單一指標(biāo)不能完全指示地表水受污染的程度，就同一流域不同觀測點(diǎn)比較而言，往往這項(xiàng)指標(biāo)高，而另一項(xiàng)指標(biāo)低，為了提高評(píng)價(jià)地表水受污染的準(zhǔn)確性，利用因子分析法對東遼河流域地表水各監(jiān)測點(diǎn)處受污染程度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，與采用單因素法評(píng)價(jià)相比具有一定的客觀性。東遼河流域中下游的地表水水質(zhì)狀況較差，應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)對東遼河流域中下游地區(qū)的地表水進(jìn)行治理。

[1]謝賢健,蘭代萍.基于因子分析法的沱江流域地表水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37( 3):1304-1306.

[2]道里剛,唐 亞,王 安.因子分析法在江安河地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].四川環(huán)境,2004,23( 2):75-77,83.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[S].中國環(huán)境科學(xué)出版社.2-6 .

[4]謝賢健,蘭代萍.基于因子分析法的沱江流域地表水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37.

Water Quality Evaluation of Surface Water in Eastern Liaohe River Basin Based on Factor Analysis

LI Di1*,LU Wenxi2,ZHANG Jingyu1
（1.Jilin Institute of water resources and Hydropower Survey and design,Jilin Changchun,130026,China;2.School of environment and resources,Jilin University,Jilin Changchun,130026,China)

This paper adopts factor analysis evaluation method,comprehensive evaluation of water quality in the East Liaohe River Basin 20 surface water monitoring points showed that:the East Liaohe River basin surface water and water quality is a serious pollution area in downstream pollution mainly distributed in the East Liaohe River basin.The main reason for the poor water quality in the middle and lower reaches of the eastern Liao River Basin is that the industrial pollution sources,agricultural pollution sources (including farming,industrial waste water,farm runoff) and the pollution sources of urban living pollution are relatively large.Therefore,it is necessary to strengthen the comprehensive management of the pollution sources in the East Liaohe River basin.

East Liaohe River Basin; water quality evaluation; factor analysis method

TP52

A

1672-9129(2017)04-0221-03

李迪,盧文喜,張競予.基于因子分析法的東遼河流域地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)[J].數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(4):221-223.

Cite：LI Di,LU Wenxi,ZHANG Jingyu.Water Quality Evaluation of Surface Water in Eastern Liaohe River Basin Based on Factor Analysis[J].Peak Data Science,2017,6(4):221-223.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.055

2017-01-03；

2017-02-08。

李迪（1986-）女，遼寧省法庫縣，工程師，碩士，研究方向：水利水電工程。E-mail:332757258@qq.com