基于因子分析法的东辽河流域地表水水质评价

李迪*，卢文喜，张竞予

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春，130026；2.吉林大学环境与资源学院，吉林长春，130026）

基于因子分析法的东辽河流域地表水水质评价

李迪1*，卢文喜2，张竞予1

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春，130026；2.吉林大学环境与资源学院，吉林长春，130026）

本文采用因子分析评价方法,对东辽河流域20个地表水监测点的水质状况进行了综合评价,结果表明:东辽河流域地表水水质受到了较严重的污染，污染主要分布于东辽河流域的中下游地区。造成东辽河流域中下游水质状况较差的主要原因是该区工业污染源、农业污染源(包括养殖、工业废水、农田径流) 及城镇生活污染源的污染排放较大。因此，加强东辽河流域污染源的综合治理工作是十分必要的。

东辽河流域；水质评价；因子分析法

引言

因子分析(Factor Analysis) 是 1904 年由 Charles 首先提出的，是主成分分析的推广和深化，在自然科学领域中的应用越来越广泛。该法的基本思想是根据相关性大小把变量分组，使得同组内的变量之间的相关性较高，但不同组的变量相关性较低，试图用较少个数的公共因子得线性函数和特定因子之和来表达原来观测的每个变量，以达到合理地解释存在于原始变量间的相关性和简化变量维数的目的。具体步骤如下：

设有n个样品,每个样品有P个观测值,将原始数据写成矩阵x= (x1,x2,,xP)。

（1）将原始数据标准化。

（2）建立变量的相关矩阵R,对R进行主成分分析。

（3）求R的特征根K1，K2，K3，，Km以及相应的特征向量a1,a2,,,am。特征向量之间标准正交,确定m有2种方法，可以根据特征值的大小确定，一般取大于1的特征值,也可以用累计方差贡献率(Q)来确定m，一般累计方差贡献率应在85%以上。

（4）求m个公共因子的载荷矩阵A。在实际分析时,为了对公共因子变量的含义有比较清楚的认识，往往对载荷矩阵进行极大化旋转，使得每个公共因子上的最高载荷变量的数目最少。

（5）计算各公共因子的得分 F。因子变量确定后，就可以计算每一个样本的m个公共因子得分。因为误差的存在，各因子得分计算须用各种不同的方法进行估计，比如回归法，Bartlett法等。

（6）计算综合评价指标值。 该研究对公共因子 F前面的权重用其对应的特征值占总提取特征值的比重来设定。它为非人为估计而定，比较客观和科学。

2 东辽河流域概况：

东辽河地处吉林省中部，东邻松花江流域，西接壤西辽河，南邻招苏台河，北与饮马河分界。地理坐标为东经123°39´—125°32´，北纬 42°37´—44°09´。东辽河流域面积约为10136km2。流域内含辽源市、公主岭市、双辽市三个市区，东辽县、梨树县、伊通县三个县。东辽河流域内降水量由上游至下游不断减少，多年平均降雨量上游到下游从 700mm降至 450mm，蒸发量在700～900mm之间，呈现出从上游向下游逐渐增加的趋势。地表径流分布和降雨相似，由上游到下游从 150mm减到25mm。尤其是双辽县境内，年雨量很少，地势平坦，土壤沙性大，产汇流条件差，年径流深还不到10mm。总体来看，东辽河流域常年出现干枯现象，降雨量很少。

东辽河流域属辽河流域上游的大支流，发源于辽源市境内的萨哈岭山。东辽河是吉林省比较完整的独立三级区流域，全长448km。自东向西流经辽源市、东辽县大部分乡镇，在东辽县云顶镇注入大型水库二龙山水库，后流经梨树县、公主岭市、双辽市后流入辽宁省境内西丰、昌图、康平等市县，最终在辽宁省昌图县与康平县之间山东屯附近与西辽河汇合。二龙山水库为东辽河流域内重要的水利工程节点，二龙山水库以上划分为东辽河上游，二龙山水库坝下至长大铁路桥为中游，长大铁路桥至平齐线三江口铁桥为下游。流域水系图如图1所示：地表水监测点见表1：

图1 东辽河流域水系图

表1 采样点分布

3 东辽河流域水质评价

以地表水环境质量标准为评价标准,并选择在水质监测结果中主要的污染指标作为评价因子，建立因子集，同时根据相应的标准划分的水质级别确定评价集。

采用因子分析方法，首先对水质指标进行标准化处理，根据标准化数据，计算出变量之间的相关系数矩阵R，通过特征方程计算出相关系数矩阵 R的特征根，即几个主因子的贡献率，最后求出特征根的累积百分比，特征值和贡献率的计算结果如表2所示。

表2 特征值与贡献率

从表3.1中可以看出前4个特征值的累积百分已达到85.3%>85%，根据计算出的贡献率可认为取前4个主成分即可反映原始数据的基本信息。对2010年7月东辽河流域水环境常规监测资料进行统计分析，通过方差最大法等方法最终计算出旋转因子载荷矩阵，如表3所示。

表3 旋转因子载荷矩阵

由表3可以看出，第一个主因子中，指标铬、砷、铜、锌、铅有较大的载荷，第二主因子中，指标总氮、氨氮、五日生化需氧量、化学需氧量、高锰酸盐指数具有较大的载荷，第三主因子中，指标总氮、氨氮、氟离子占有较大的负荷，第四主因子中，指标总磷、氨氮占有较大的负荷。由因子分析的结果可以看出，农业污染、重金属污染、居民的生活污水随意排放和流域内耕地过多造成的水土流失是流域内水质污染严重的原因所在。

通过对不同监测点作因子分析，得出不同监测点因子得分及综合污染指数如表4所示。

表4 不同监测点因子得分及综合污染指数

从上表4可以看出：污染综合指数较高的监测点主要分布于东辽河流域的中下游地区。造成东辽河流域中下游水质状况较差的主要原因是该区工业污染源、农业污染源(包括养殖、工业废水、农田径流) 及城镇生活污染源的污染排放较大。因此应加强东辽河流域污染源的综合治理工作，对废水及固体排放物进行严格管理，积极开展植树造林及水源地保护工作，以确保东辽河流域的水质安全。

4 结束语

单一指标不能完全指示地表水受污染的程度，就同一流域不同观测点比较而言，往往这项指标高，而另一项指标低，为了提高评价地表水受污染的准确性，利用因子分析法对东辽河流域地表水各监测点处受污染程度进行了综合评价，与采用单因素法评价相比具有一定的客观性。东辽河流域中下游的地表水水质状况较差，应该重点加强对东辽河流域中下游地区的地表水进行治理。

[1]谢贤健,兰代萍.基于因子分析法的沱江流域地表水水质的综合评价[J].安徽农业科学,2009,37( 3):1304-1306.

[2]道里刚,唐 亚,王 安.因子分析法在江安河地表水水质评价中的应用[J].四川环境,2004,23( 2):75-77,83.

[3]中华人民共和国国家标准.2002《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[S].中国环境科学出版社.2-6 .

[4]谢贤健,兰代萍.基于因子分析法的沱江流域地表水水质的综合评价[J].安徽农业科学,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,卢文喜,张竞予.基于因子分析法的东辽河流域地表水水质评价[J].数码设计,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，辽宁省法库县，工程师，硕士，研究方向：水利水电工程。E-mail:332757258@qq.com