因子分析在环境科学中的应用

因子分析在环境科学中的应用作者：徐婷婷解瑞丽因子分析是从全部原始变量中将有关信息集中起来,通过探讨相关矩阵的内部结构,将多变量综合成少数因子,以再现原始信息之间的关系,并进一步探讨产生这些相关关系的内在原因的一种多元统计分析方法。主成份分析与因子分析比较主成份分析和因子分析都是基于降维的思想主成份分析和因子分析计算方法相似，但因子分析在主成份分析基础上有所发展主成份分析提取的主成份不一定具有明确的含义，而因子分析主因子代表一定含义主成份分析只能对样本排序，因子分析还可以判定主要影响因素，找出问题本质因子分析广泛的应用于环境科学的各个领域：大气污染分析大气颗粒物污染分析大气主要污染来源分析水环境问题分析水污染的主要因素及水质评价基于因子分析定权的水质评价模型水体富营养化分析水化学特征分析矿石淋溶作用对地下水的影响噪声源分析土壤污染分析化学物质生物危害分析区域环境污染源分析总体环境质量检测大气颗粒物污染分析大气颗粒物来源及各源贡献率分析采用改良后的因子分析——绝对主因子分析法并引入了富集因子这一概念主因子载荷较高的组分富集因子污染源1Ca、Mg、Cr、OC（有机碳）、EC（元素碳）建筑水泥尘/机动车尾气尘/燃煤尘2Al、Na、Ti、Si均接近于1土壤风沙尘3二次粒子NH4+、NO3-、SO42-大气细粒子光化学反应二次来源4As、Ba、Cu、Mn、Pb、ZnCu、Pb、Zn、As明显大于10工业粉尘5K生物质燃烧6Ni油的燃烧污染源贡献率建筑水泥尘/机动车尾气尘/燃煤尘,36.57%土壤风沙尘,16.07%大气细粒子光化学反应二次来源,12.33%工业粉尘,10.29%生物质燃烧尘,6.07%燃油尘,3.84%其他,14.84%大气颗粒污染物分析不同季节PM10水溶性组分分析选取沈阳市6个监测点位,采集2005年冬、春、夏、秋大气可吸入颗粒物样本，用因子分析法分析了沈阳市大气可吸入颗粒物水溶性组分的来源，得到以下结论：春季，大气可吸入颗粒物主要有来源有工业源、土壤、建筑源、交通源；夏季，主要来源有工业源、交通源；秋季，主要来源有工业源、土壤、建筑源；冬季，主要来源有工业源、交通源、土壤、建筑源；由沈阳市各种源对PM10水溶性组分的贡献率分析得，沈阳市工业、燃煤源对PM10水溶性组分的贡献最大,其中尤以夏季突出,说明工业、燃煤型污染相对较重。其次为土壤源,沈阳市夏季土壤源对PM10没有贡献,说明城市绿化及软硬覆盖较好。交通源排在第三位,这与近年来机动车保有量的迅猛增加有关,而在冬季贡献最大,与北方冬季气象、路况等因素相关。调整产业结构，减少重污染工业比重加强能源结构调整，鼓励开发、使用新型环保型能源加强对建筑工地日常监督管理改善路况，加强冬季特殊天气的车辆疏导水环境问题分析水污染的主要因素及水质评价水体中的污染物多种多样，不同水体污染因素与污染程度不同，选取水质指标高锰酸钾指数、pH值、悬浮物、溶解氧、生化需氧量、总氮、硝酸盐、总磷、总硬度等代表各种污染的指标进行因子分析可以判断出水体的主要污染因素，如有机污染、无机污染、重金属污染等，进而对各区域水体污染程度排序，根据分析结果可以分析不同区域污染状况与周围污染源的关系，找出主要治理对象和治理措施。关于这方面的研究非常多，说明因子分析在水质评价中的应用已经很成熟。水环境问题分析基于因子分析定权的水质评价模型该模型由因子得分系数和方差贡献率确定指标权重，然后以指标权重与各水样相应指标的标准化值进行加权平均得到水质评价的综合指标值，进而对评价样本进行排序和分级。它不仅可以区分水质的好坏，还可以掌握主要污染物的种类及其时空变化规律。各指标权重：βji：代表第i个指标在第j个主因子上的载荷；ej：代表第j个主因子的方差贡献率。综合指标：zi：代表第i个指标的标准化值水环境问题分析水体富营养化分析与前面水污染的主要因素及水质评价方法相同，只是选取的评价指标不同，水质评价选取与各种因素有关的指标，而富营养化分析选取与富营养化有关的指标。通过因子分析可以得到水体富营养化的主要影响因素，以便针对富营养化的主要影响因素进行治理，能收到更好的治理效果。水环境问题分析水化学特征分析水化学特征是阐明水体形成、演化和成盐规律的基础,而水化学特征是通过水体中众多化学元素的化学组成来反映的,显然采用因子分析可以揭示水体水化学特征的内在规律。以前人对艾比湖的研究为例，选取艾比湖8种组分，分别为Na++K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-（前苏联学者瓦里亚什科研究盐湖水化学特征时选取的组分），进行因子分析，得到两个主因子分别对应两大水化学类型，其中硫酸钠亚型是艾比湖的主要分布类型,其次是氯化钠亚型。水环境问题分析矿石淋溶作用对地下水的影响煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物。将煤矸石填充到矿井采空区,可以解决矸石堆放造成的环境污染以及煤矿采煤引起的塌陷问题。但填充的煤矸石在矿井中受到矿井水的淋溶、浸泡作用,溶出大量有毒有害化合物及元素,有可能造成地下水环境的污染。通过室内淋溶试验模拟矿井填充对地下水的污染,分析填充对地下水环境的影响因子,预测其污染趋势。经因子分析得出矸石淋出水样中氟离子、硫酸根和重金属离子是重要的污染因子;采用矸石填充采空区时,必须重视这些对地下水影响的主要因子。由此可见利用因子分析研究矿石淋溶作用对地下水的影响并分析主要污染因子对矿井填充材料选择，填充预处理及注意事项等有重要的指导意义。噪声源分析在道路交通噪声分析中应用因子分析法能方便地分析出影响道路交通噪声的各因素之间的关系，并从中找出最基本的影响因素，在珠海特区环境噪声现状调查中分析道路交通噪声时应用了因子分析方法取得了较好的效果。第一因子F1主要代表了路段测点的声级水平，因此，道路交通噪声的治理重点应该是重型车及轻型车的流量，具体说就是限制重型车进入，限速及禁止鸣笛。第二因子F2综合反映了路段的繁华程度，因此可利用它们将要研究的路段分成城区中的繁华路段和边缘的非繁华路段两种道路类型分别进行研究，以求准确地了解不同类型道路其交通噪声的规律。土壤污染分析土壤污染包括很多方面，如重金属、氮、磷、易降解有机物、难降解有机物、游离态或络合态的物质等，通过因子分析可以判定主要污染因素，以找到重点治理对象。主因子载荷较高的元素污染来源1Cd、Pb汽车尾气颜料、冶炼、橡胶、农药、石化废水干湿沉降2As、Ni印染厂废水（局部污染）3Cr重污染工业区4Hg燃煤、工业排放、汽车尾气、干湿沉降5Zn工矿企业三废（局部污染）6Cu化工、塑料、橡胶、印染行业三废商业居民活动对太原市土壤重金属污染状况的因子分析化学物质生态危害分析不同污染物污染性质、污染程度不同，通过对化学物质生态毒理学指标的因子分析，可以分析出影响化合物毒性的主要因素及化合物污染程度。选取61种环境优先污染物对它们的环境毒理学指标进行因子分析，提取出四个主因子。因子1主要与鱼毒、藻毒、溞毒正相关,可认为它反映的是化合物对生物的毒性影响,可以定义为生物毒性因子;蓄积性、分配系数和吸附性在因子2上载荷较高,化学物质在介质中的吸附,在生物体内的蓄积,及辛醇-水分配系数,都体现的是化学物质在不同介质中的分配,没有改变化学物质本身的状态,这3个指标都反映了化学物质的分配特性,因此可以称之为分配性因子;可将反映化学物质降解性的因子3归结为降解性因子。然后可以根据各化合物综合因子得分对化合物的毒性进行排序。区域环境污染源的分析以北京市某分析区域内104家重点工业企业环境监测数据为样本，进行因子分析，得到3个公因子——资源消耗因子、水污染因子和固体废弃物因子。第1个因子上权重较大的企业进行生产工业改造、提高资源利用率、采取清洁生产审计、参与区域内循环经济链等措施，是改善该城市区域内环境质量的关键和重点。第2个因子上权重较大的企业水污染相对严重，重点治理这些单位的水污染问题；对于这些企业应采取清洁生产，工业废水回用、提高水资源利用率等措施。第3个因子上权重较大的企业有严重大气污染和固体废物污染，因对这些单位的废气、固体废物加强治理；采用先进的设备和技术控制大气污染的排放，进行资源再利用、再循环、提高资源利用率。总体环境质量监测就全国31个省、自治区和直辖市的工业废水排放量、工业废气排放总量、工业二氧化硫排放量、工业烟尘排放量、工业粉尘排放量、工业固废产生量、生活污水排放量、生活污水中化学需氧量排放量、生活二氧化硫排放量和生活烟尘排放量等10个环境污染指标之间的关系,分析了全国各地区环境污染的特征,为各地区环境污染治理提供了理论依据。山西、内蒙古、辽宁和贵州在生活污染因子上得分较高,其中贵州特别突出。这是因为贵州地处我国酸雨控制区,其酸雨污染很严重,因而其在此因子上得分很高。上海、湖南和重庆在废水污染因子上得分较高,其中湖南得分很高,这些省份的废水中COD含量较高,这些省份应注意加强对工业和生活废水的治理,使之达到国家污水排放标准。辽宁在工业污染因子和生活污染因子上得分都较高,说明其环境污染较严重,应采取措施治理环境污染,促进经济、社会和环境的可持续发展。小结通过对因子分析在环境各个领域应用的分类介绍，可以发现因子分析在环境领域应用广泛，小至指导环保工程的设计，大到全国污染状况的分析。目前已经应用于大气、水、声、区域环境、总体环境各个方面，可以分析环境污染成因和污染程度，对环境监测方案的制定、环境评价、环境规划、环境管理都有一定的指导意义。