因子分析在環(huán)境科學中的應用

關于因子分析在環(huán)境科學中的應用

因子分析是從全部原始變量中將有關信息集中起來,通過探討相關矩陣的內(nèi)部結構,將多變量綜合成少數(shù)因子,以再現(xiàn)原始信息之間的關系,并進一步探討產(chǎn)生這些相關關系的內(nèi)在原因的一種多元統(tǒng)計分析方法。

第2頁,共22頁，2024年2月25日，星期天主成份分析與因子分析比較主成份分析和因子分析都是基于降維的思想主成份分析和因子分析計算方法相似，但因子分析在主成份分析基礎上有所發(fā)展主成份分析提取的主成份不一定具有明確的含義，而因子分析主因子代表一定含義主成份分析只能對樣本排序，因子分析還可以判定主要影響因素，找出問題本質第3頁,共22頁，2024年2月25日，星期天因子分析廣泛的應用于環(huán)境科學的各個領域：大氣污染分析

大氣顆粒物污染分析大氣主要污染來源分析水環(huán)境問題分析

水污染的主要因素及水質評價基于因子分析定權的水質評價模型水體富營養(yǎng)化分析水化學特征分析礦石淋溶作用對地下水的影響噪聲源分析土壤污染分析化學物質生物危害分析區(qū)域環(huán)境污染源分析總體環(huán)境質量檢測第4頁,共22頁，2024年2月25日，星期天大氣顆粒物污染分析大氣顆粒物來源及各源貢獻率分析采用改良后的因子分析——絕對主因子分析法并引入了富集因子這一概念

北京市可吸入顆粒物污染源分析第5頁,共22頁，2024年2月25日，星期天大氣顆粒污染物分析不同季節(jié)PM10水溶性組分分析選取沈陽市6個監(jiān)測點位,采集2005年冬、春、夏、秋大氣可吸入顆粒物樣本，用因子分析法分析了沈陽市大氣可吸入顆粒物水溶性組分的來源，得到以下結論：

春季，大氣可吸入顆粒物主要有來源有工業(yè)源、土壤、建筑源、交通源；

夏季，主要來源有工業(yè)源、交通源；

秋季，主要來源有工業(yè)源、土壤、建筑源；

冬季，主要來源有工業(yè)源、交通源、土壤、建筑源；由沈陽市各種源對PM10水溶性組分的貢獻率分析得，沈陽市工業(yè)、燃煤源對PM10水溶性組分的貢獻最大,其中尤以夏季突出,說明工業(yè)、燃煤型污染相對較重。其次為土壤源,沈陽市夏季土壤源對PM10沒有貢獻,說明城市綠化及軟硬覆蓋較好。交通源排在第三位,這與近年來機動車保有量的迅猛增加有關,而在冬季貢獻最大,與北方冬季氣象、路況等因素相關。調整產(chǎn)業(yè)結構，減少重污染工業(yè)比重加強能源結構調整，鼓勵開發(fā)、使用新型環(huán)保型能源加強對建筑工地日常監(jiān)督管理改善路況，加強冬季特殊天氣的車輛疏導第6頁,共22頁，2024年2月25日，星期天水環(huán)境問題分析水污染的主要因素及水質評價水體中的污染物多種多樣，不同水體污染因素與污染程度不同，選取水質指標高錳酸鉀指數(shù)、pH值、懸浮物、溶解氧、生化需氧量、總氮、硝酸鹽、總磷、總硬度等代表各種污染的指標進行因子分析可以判斷出水體的主要污染因素，如有機污染、無機污染、重金屬污染等，進而對各區(qū)域水體污染程度排序，根據(jù)分析結果可以分析不同區(qū)域污染狀況與周圍污染源的關系，找出主要治理對象和治理措施。關于這方面的研究非常多，說明因子分析在水質評價中的應用已經(jīng)很成熟。第7頁,共22頁，2024年2月25日，星期天水環(huán)境問題分析基于因子分析定權的水質評價模型該模型由因子得分系數(shù)和方差貢獻率確定指標權重，然后以指標權重與各水樣相應指標的標準化值進行加權平均得到水質評價的綜合指標值，進而對評價樣本進行排序和分級。它不僅可以區(qū)分水質的好壞，還可以掌握主要污染物的種類及其時空變化規(guī)律。第8頁,共22頁，2024年2月25日，星期天各指標權重：

βji：代表第i個指標在第j個主因子上的載荷；

ej：代表第j個主因子的方差貢獻率。綜合指標：

zi：代表第i個指標的標準化值第9頁,共22頁，2024年2月25日，星期天水環(huán)境問題分析水體富營養(yǎng)化分析與前面水污染的主要因素及水質評價方法相同，只是選取的評價指標不同，水質評價選取與各種因素有關的指標，而富營養(yǎng)化分析選取與富營養(yǎng)化有關的指標。通過因子分析可以得到水體富營養(yǎng)化的主要影響因素，以便針對富營養(yǎng)化的主要影響因素進行治理，能收到更好的治理效果。第10頁,共22頁，2024年2月25日，星期天水環(huán)境問題分析水化學特征分析水化學特征是闡明水體形成、演化和成鹽規(guī)律的基礎,而水化學特征是通過水體中眾多化學元素的化學組成來反映的,顯然采用因子分析可以揭示水體水化學特征的內(nèi)在規(guī)律。以前人對艾比湖的研究為例，選取艾比湖8種組分，分別為Na++K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、CO32-和HCO3-（前蘇聯(lián)學者瓦里亞什科研究鹽湖水化學特征時選取的組分），進行因子分析，得到兩個主因子分別對應兩大水化學類型，其中硫酸鈉亞型是艾比湖的主要分布類型,其次是氯化鈉亞型。第11頁,共22頁，2024年2月25日，星期天水環(huán)境問題分析礦石淋溶作用對地下水的影響

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。將煤矸石填充到礦井采空區(qū),可以解決矸石堆放造成的環(huán)境污染以及煤礦采煤引起的塌陷問題。但填充的煤矸石在礦井中受到礦井水的淋溶、浸泡作用,溶出大量有毒有害化合物及元素,有可能造成地下水環(huán)境的污染。通過室內(nèi)淋溶試驗模擬礦井填充對地下水的污染,分析填充對地下水環(huán)境的影響因子,預測其污染趨勢。經(jīng)因子分析得出矸石淋出水樣中氟離子、硫酸根和重金屬離子是重要的污染因子;采用矸石填充采空區(qū)時,必須重視這些對地下水影響的主要因子。由此可見利用因子分析研究礦石淋溶作用對地下水的影響并分析主要污染因子對礦井填充材料選擇，填充預處理及注意事項等有重要的指導意義。第12頁,共22頁，2024年2月25日，星期天噪聲源分析在道路交通噪聲分析中應用因子分析法能方便地分析出影響道路交通噪聲的各因素之間的關系，并從中找出最基本的影響因素，在珠海特區(qū)環(huán)境噪聲現(xiàn)狀調查中分析道路交通噪聲時應用了因子分析方法取得了較好的效果。第一因子F1主要代表了路段測點的聲級水平，因此，道路交通噪聲的治理重點應該是重型車及輕型車的流量，具體說就是限制重型車進入，限速及禁止鳴笛。第二因子F2綜合反映了路段的繁華程度，因此可利用它們將要研究的路段分成城區(qū)中的繁華路段和邊緣的非繁華路段兩種道路類型分別進行研究，以求準確地了解不同類型道路其交通噪聲的規(guī)律。第13頁,共22頁，2024年2月25日，星期天土壤污染分析土壤污染包括很多方面，如重金屬、氮、磷、易降解有機物、難降解有機物、游離態(tài)或絡合態(tài)的物質等，通過因子分析可以判定主要污染因素，以找到重點治理對象。

對太原市土壤重金屬污染狀況的因子分析

第14頁,共22頁，2024年2月25日，星期天化學物質生態(tài)危害分析不同污染物污染性質、污染程度不同，通過對化學物質生態(tài)毒理學指標的因子分析，可以分析出影響化合物毒性的主要因素及化合物污染程度。選取61種環(huán)境優(yōu)先污染物對它們的環(huán)境毒理學指標進行因子分析，提取出四個主因子。第15頁,共22頁，2024年2月25日，星期天因子1主要與魚毒、藻毒、溞毒正相關,可認為它反映的是化合物對生物的毒性影響,可以定義為生物毒性因子;蓄積性、分配系數(shù)和吸附性在因子2上載荷較高,化學物質在介質中的吸附,在生物體內(nèi)的蓄積,及辛醇-水分配系數(shù),都體現(xiàn)的是化學物質在不同介質中的分配,沒有改變化學物質本身的狀態(tài),這3個指標都反映了化學物質的分配特性,因此可以稱之為分配性因子;可將反映化學物質降解性的因子3歸結為降解性因子。然后可以根據(jù)各化合物綜合因子得分對化合物的毒性進行排序。第16頁,共22頁，2024年2月25日，星期天區(qū)域環(huán)境污染源的分析以北京市某分析區(qū)域內(nèi)104家重點工業(yè)企業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本，進行因子分析，得到3個公因子——資源消耗因子、水污染因子和固體廢棄物因子。第1個因子上權重較大的企業(yè)進行生產(chǎn)工業(yè)改造、提高資源利用率、采取清潔生產(chǎn)審計、參與區(qū)域內(nèi)循環(huán)經(jīng)濟鏈等措施，是改善該城市區(qū)域內(nèi)環(huán)境質量的關鍵和重點。第2個因子上權重較大的企業(yè)水污染相對嚴重，重點治理這些單位的水污染問題；對于這些企業(yè)應采取清潔生產(chǎn)，工業(yè)廢水回用、提高水資源利用率等措施。第3個因子上權重較大的企業(yè)有嚴重大氣污染和固體廢物污染，因對這些單位的廢氣、固體廢物加強治理；采用先進的設備和技術控制大氣污染的排放，進行資源再利用、再循環(huán)、提高資源利用率。第17頁,共22頁，2024年2月25日，星期天總體環(huán)境質量監(jiān)測

就全國31個省、自治區(qū)和直轄市的工業(yè)廢水排放量、工業(yè)廢氣排放總量、工業(yè)二氧化硫排放量、工業(yè)煙塵排放量、工業(yè)粉塵排放量、工業(yè)固廢產(chǎn)生量、生活污水排放量、生活污水中化學需氧量排放量、生活二氧化硫排放量和生活煙塵排放量等10個環(huán)境污染指標之間的關系,分析了全國各地區(qū)環(huán)境污染的特征,為各地區(qū)環(huán)境污染治理提供了理論依據(jù)。第18頁,共22頁，2024年2月25日，星期天山西、內(nèi)蒙古、遼寧和貴州在生活污染因子上得分較高,其中貴州特別突出。這是因為貴州地處我國酸雨控制區(qū),其酸雨污染很嚴重,因而其在此因子上得分很高。上海、湖南和重慶在廢水污染因子上得分較高,其中湖南得分很高,這些省份的廢水中COD含量較高,這些省份應注意加強對工業(yè)和生活廢水的治理,使之達到國家污水排放標準。遼寧在工業(yè)污染因子和生活污染因子上得分都較高,說明其環(huán)境污染較嚴重,應采取措施治理環(huán)境污染,促進經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。第19頁,共22頁，2024年2月25日，星期天小結通過對因子分析在環(huán)境各個領域應用的分類介紹，可以發(fā)現(xiàn)因子分