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1、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v主成份分析和因子分析都是基于降维的思 想v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v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v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 ：v大气污染分析大气颗粒物污
2、染分析大气主要污染来源分析 v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
3、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
4、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
5、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：ji：代表第i个指标在第j个主因子上的载荷
6、；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，
7、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
8、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v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。v第一因子F1主要代表了路段测点的声级水平，因 此，道
9、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。v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v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。 主因子载载荷较较高的元素污污染来源1Cd、Pb汽车车尾气 颜颜料、冶炼炼、橡胶、 农药农药 、石 化废废水 干湿沉降2As、Ni印染厂废废
10、水（局部污污染）3Cr重污污染工业业区4Hg燃煤、工业业排放、 汽车车尾气、 干湿沉降5Zn工矿矿企业业三废废（局部污污染）6Cu化工、塑料、橡胶、印染行业业三废废商业业居 民活动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 v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。 v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。v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;v蓄积性、分配系数和吸附性在因子
11、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;v可将反映化学物质降解性的因子3归结为降解性 因子。v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 v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。v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
12、，是改善该城市区域内环境 质量的关键和重点。v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。v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v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
13、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。v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。v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。 v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v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。
