基于因子分析法的東遼河流域地表水水質(zhì)評價

李迪*，盧文喜，張競予

(1.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春，130026；2.吉林大學環(huán)境與資源學院，吉林長春，130026）

基于因子分析法的東遼河流域地表水水質(zhì)評價

李迪1*，盧文喜2，張競予1

(1.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春，130026；2.吉林大學環(huán)境與資源學院，吉林長春，130026）

本文采用因子分析評價方法,對東遼河流域20個地表水監(jiān)測點的水質(zhì)狀況進行了綜合評價,結果表明:東遼河流域地表水水質(zhì)受到了較嚴重的污染，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)評價；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，在自然科學領域中的應用越來越廣泛。該法的基本思想是根據(jù)相關性大小把變量分組，使得同組內(nèi)的變量之間的相關性較高，但不同組的變量相關性較低，試圖用較少個數(shù)的公共因子得線性函數(shù)和特定因子之和來表達原來觀測的每個變量，以達到合理地解釋存在于原始變量間的相關性和簡化變量維數(shù)的目的。具體步驟如下：

設有n個樣品,每個樣品有P個觀測值,將原始數(shù)據(jù)寫成矩陣x= (x1,x2,,xP)。

（1）將原始數(shù)據(jù)標準化。

（2）建立變量的相關矩陣R,對R進行主成分分析。

（3）求R的特征根K1，K2，K3，，Km以及相應的特征向量a1,a2,,,am。特征向量之間標準正交,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,也可以用累計方差貢獻率(Q)來確定m，一般累計方差貢獻率應在85%以上。

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

（5）計算各公共因子的得分 F。因子變量確定后，就可以計算每一個樣本的m個公共因子得分。因為誤差的存在，各因子得分計算須用各種不同的方法進行估計，比如回歸法，Bartlett法等。

（6）計算綜合評價指標值。 該研究對公共因子 F前面的權重用其對應的特征值占總提取特征值的比重來設定。它為非人為估計而定，比較客觀和科學。

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，南鄰招蘇臺河，北與飲馬河分界。地理坐標為東經(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、雙遼市三個市區(qū)，東遼縣、梨樹縣、伊通縣三個縣。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?？傮w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立三級區(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，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為中游，長大鐵路橋至平齊線三江口鐵橋為下游。流域水系圖如圖1所示：地表水監(jiān)測點見表1：

圖1 東遼河流域水系圖

表1 采樣點分布

3 東遼河流域水質(zhì)評價

以地表水環(huán)境質(zhì)量標準為評價標準,并選擇在水質(zhì)監(jiān)測結果中主要的污染指標作為評價因子，建立因子集，同時根據(jù)相應的標準劃分的水質(zhì)級別確定評價集。

采用因子分析方法，首先對水質(zhì)指標進行標準化處理，根據(jù)標準化數(shù)據(jù)，計算出變量之間的相關系數(shù)矩陣R，通過特征方程計算出相關系數(shù)矩陣 R的特征根，即幾個主因子的貢獻率，最后求出特征根的累積百分比，特征值和貢獻率的計算結果如表2所示。

表2 特征值與貢獻率

從表3.1中可以看出前4個特征值的累積百分已達到85.3%>85%，根據(jù)計算出的貢獻率可認為取前4個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)測資料進行統(tǒng)計分析，通過方差最大法等方法最終計算出旋轉因子載荷矩陣，如表3所示。

表3 旋轉因子載荷矩陣

由表3可以看出，第一個主因子中，指標鉻、砷、銅、鋅、鉛有較大的載荷，第二主因子中，指標總氮、氨氮、五日生化需氧量、化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)具有較大的載荷，第三主因子中，指標總氮、氨氮、氟離子占有較大的負荷，第四主因子中，指標總磷、氨氮占有較大的負荷。由因子分析的結果可以看出，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)污染嚴重的原因所在。

通過對不同監(jiān)測點作因子分析，得出不同監(jiān)測點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。因此應加強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行嚴格管理，積極開展植樹造林及水源地保護工作，以確保東遼河流域的水質(zhì)安全。

4 結束語

單一指標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比較而言，往往這項指標高，而另一項指標低，為了提高評價地表水受污染的準確性，利用因子分析法對東遼河流域地表水各監(jiān)測點處受污染程度進行了綜合評價，與采用單因素法評價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，應該重點加強對東遼河流域中下游地區(qū)的地表水進行治理。

[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)的綜合評價[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2009,37( 3):1304-1306.

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[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)的綜合評價[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,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)評價[J].數(shù)碼設計,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