（环境科学专业论文）因子分析法在龙岗河水质评价中的研究与应用.pdf

t h ea s s e s s m e n to nt h ew a t e rq u a l i t yo fl o n g g o n g r i v e rb y m a j o r n a m e f a c t o ra n a l y s i s e n v i r o n m e n t a ls c i e l i c e x i a o j u a nz h u s u p e r v i s o r ：p r o f p i n gh u a n g a b s t r a c t w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n ti st h eb a s i sf o rw a t e rq u a l i t yp h n n i n ga n dw a t e r e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t i no r d e rt oc o n t r o lt h ep o l l u t i o no fl o n g g a n gr i v e ra n d p r o t e c tw a t e rr e s o u r c e ，i ti si m p o r t a n ta n du r g e n tt oc o r r e c t l ya s s e s st h ew a t e rq u a l i t y a c c o r d i n gt ot h ew a t e rq u a l i t yd a t ao fl o n g g a n gr iv e rf r o m2 0 0 3t o2 0 0 4 ， af a c t o ra n a l y s i sm o d e lw a se s t a b lis h e dt oa s s e s st h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，e x i s t i n g p r o b l e ma n d t h e s p a t i a l t e m p o r a l d i s t r i b u t i o nl a wo fw a t e rp o l l u t a n t si n t h e l o n g g o n gr i v e r t h i sr e s e a r c hs h e w s ： ( 1 ) t h e2 1w a t e rq u a l i t yi n d e x e si sr e p l a c e db y7m a i nf a c t o r se x t r a c t e db ya f a c t o ra n a l y s i sm o d e l t h o s ef a c t o r sr e f l e c tm o r et h a n7 5 o fw a t e re n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o nt o t a l l ya n dr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o n g g o n gr i v e rw e l l ； ( 2 ) t h eo r i g i n a lc a u s eo fw a t e rp o l l u t i o n ，b ye x p l a i n i n gt h em e a n i n go fe a c h m a i nf a c t o ra n da n a l y s i n gt h em a i np o l l u t a n ta n dt h es o u r c e si nw a t e r t h em a i n i n f l u e n c e sw h i c ha f f e c tw a t e rq u a l i t y ，a n dt h ep o l l u t a n t s c h a r a c t e r i s t i c si nl o n g g o n g r i v e r ； ( 3 ) a c c o r d i n gt h ec o m p o n e n ts c o r e s ，t h es t u d yj u d g e st h es i t u a t i o n so fw a t e r p o l l u t i o na te a c hm o n i t o r i n gs e c ti ne a c hm o n t h ，a n dg r a s p st h es p a t i a l - t e m p o r a l d i s t r i b u t i o nl a wo fw a t e rp o l l u t a n t s a c c o r d i n gt ot h er e s u ro ft h ea n a l y s i s ，i ti s i l o b v i o u st h a tt h ep o l l u t i o ni nt h ed o w n s t r e a ma r e a si sg r e a t e rt h a nt h eu p s t r e a ma r e a s i nt h eb a s i n ，a n dw a t e rq u a l i t yi nl o ww a t e rp e r i o di sw o r s et h a ni t i n h i g hw a t e r p e r i o d t h em a i nr e a s o ni st h ei n f l u e n c eo f a r t i f i c i a lt e r m sa n dn a t u r a lc o n d i t i o n s ，a n d i ta c c o r d sw i t ht h er e a l i t yo ft h i sa r e ab a s i c a l l y ； ( 4 ) c o m p a r e dw i t ht h er e s u l to fs i n g l e f a c t o ra s s e s s m e n to nt h ew a t e rq u a l i t yo f l o n g g o n gr i v e r , t h ec o n c l u s i o n sr e s u l t e df r o mf a c t o ra n a l y s i sa r c n o ta l lt h es a m e i t i so b v i o u st h a tu s i n gt h ef a c t o ra l i a l y s i si na s s e s s i n gw a t e rq u a l i t yi sa b l et o a v o i ds o m eb i a st h a tc o u l da p p e a ri fo n l yo n ep o l l u t a n ti sa n a l y s e d ，s oc a l l e d s i n g l e f a c t o ra s s e s s m e n t 。i ts h o w st h a t t h ef a c t o r se x t r a c t e di nw a t e rq u a l i t y a s s e s s m e n tc a nr e p r e s e n tt h em o s ti n f o r m a t i o ne x p r e s s e db yt h ev a r i o u sw a t e ri n d e x e s ， a n dt h er e s u rr e s u a e df r o mt h i sm e t h o di sl l l o r ec o m p r e h e n s i v et h a nf r o me l s e k e y w o r d s ：w a t e rp o l l u t i o nw a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n tf a c t o ra n a l y s i s t h el o n g g o n gr i v e r l l i 1 1 问题的提出 1 1 1 水污染现状 第1 章绪论 水环境污染是指由于人类活动排放的污染物进入江河、湖泊、海洋或地下 水等水环境并积累，其含量超过了水环境对该污染物的自净能力，从而引起水环 境质量恶化，降低水体的使用价值，甚至对水生生物、人类生活乃至整个生态环 境带来不良影响的现象i 。 日前，随着工、农业生产的迅猛发展与城市化程度的快速提高。大量的工业 废水、生活污水、农田退水、街道和城镇地面径流等流入河流等水体，造成的水 体污染己经成为制约经济社会可持续发展和人民生活水平提高的重要因素。根据 2 0 0 3 年中国环境状况公报，2 0 0 3 年度七大水系的4 0 7 个重点监溯断面中，3 8 1 的断面满足地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 也0 0 2 ) i i 类水质要求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个国控断面中，i 类水质断面占5 3 4 ，、v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水质断面占9 3 。其中海河水系污染严蘑，劣v 类水质断面占5 0 以上；辽 河水系总体水质较差，劣v 类水质断面占4 0 6 ；黄河水系总体水质较差，支流 污染普遍严重；淮河干流以类水体为主。支流及省界河段水质仍然较差；松花 江水系以类水体为主；珠江水系、长江干流及主要级支流水质良好，以i i 类 水体为主吐 2 0 0 3 年度监测的2 8 个重点湖库中，满足l i 类水质的湖库有1 个，占3 6 ： 珊类水质湖库有6 个，占2 1 4 ；类水质湖库有7 个，占2 5 0 ；v 类水质湖 库有4 个，占】4 3 ；劣v 类水质湖库有1 0 个，占3 5 7 。 与此同时，地下水资源污染状况也不容乐观。2 0 0 3 年地下水水质在基本稳 定的基础上有恶化趋势，大部分城市和地区存在一定程度的点源或面源污染，污 染地区仍然以人口密集和工业化程度较高的城市中心区为主。 1 1 2 水资源短缺 水体污染加剧了水资源短缺的程度，致使黄、淮、海、辽河流域遭受资源性 缺水和水质性缺水的双重威胁，甚至被誉为“鱼米之乡”的太湖流域也面临“身 居水乡无水吃”的尴尬境况。 珠江是我国南方的一条大河，流域面积4 5 3 6 9 0 k m 2 ，珠江流域雨量充沛，多 年平均水资源总量3 3 6 0 亿i l l 3 ，人均值约为全国人均值的6 7 倍和世界的1 7 倍， 在全国7 大江河中，仅次于长江1 3 1 。然而，珠江近几年来由于水污染引起的水质 性缺水等水环境阀题却非常严重。 根据深圳市2 0 0 3 年环境质量公报，全市废水排放总量为9 8 2 3 6 万吨，其中 工业废水排放量为1 9 4 3 9 万吨，生活废水排放量为7 8 7 9 7 万吨【4 】。由于深圳市过 分强调经济的发展，忽视了对环境的保护，深圳市的河流水质均受到不同程度的 污染，水质劣于国家地表水v 类水质标准，有些河流水体己变黑、发臭，不能正 常使用，致使水资源可利用量大大减少，深圳已成为一个严重缺水的城市，其水 资源的不足，主要协靠调水辛f 给f 5 】。 水环境恶化使得相邻地区之间水污染纠纷增多，影响了社会的稳定。放眼世 界，水质恶化和水资源不足已经成为关系到缺水国家或地区的生存和发展的战略 问题1 6 - s 。 1 2 水质评价 1 2 1 水质评价的重要性 随着水环境治理的不断深入，我国水质恶化的势头得到一定的遏制，但从总 体上来讲，水质污染的趋势仍不可避免。可以说，二十一世纪我国在面临水量危 机的同时，水质危机可能更为严重 因此，为消除水污染，保护水环境，对河流水质进行定量评价是进行水环境 管理的先决条件【埘。 水质现状评价，是根据河流水体的用途( 功能) ，按照一定的评价参数、评价 标准和评价方法，对河流环境质量状况进行定性或定量评定的过程1 1 。水质现状 2 评价是对水体质量优劣的定量描述和评定，它是认识和研究水环境的一种科学方 法，是根据污染源调查和水质现状监测资料进行的，目的是对水体的水质现状有 一个明确的、定量的了解。 水质现状评价可以反映出水体的污染程度、主要污染物类别及其变化趋势， 并可对各控制断面的综合污染程度进行排序，或对同一断面中不同污染物的污染 程度进行排序，以找出优先控制断面或优先控制指标。水质评价是水质规划、水 环境管理的基本程序，它以定量、直观地表示水环境质量的总体状况或某种特殊 指标对水质状况的特别影响，是计算水环境容量和实施水污染控制的基础，有其 独特的重要性。因此水质现状评价是进行流域水质管理的基础，也是进行水污染 控制规划的主要依据之一。 水质评价方法是水质评价理论的核心，是现代环境科学基础理论研究的重要 课题之一。评价方法的合理性，将直接影响到评价结果的可靠性。而环境评价的 价值就在于结果的准确可靠，如果缺乏准确性，评价结论就没有权威，对决策就 不会具有约束与指导意义。 1 2 2 水质评价方法 1 9 6 5 年，r 。k h o r l o n 提出了水质评价的质量指数法( 烟i ) ，标志着水质现状 评价工作的开始【埘。自从二十世纪六十年代以来，国内外就不断有文献讨论水 质评价方法，但至今仍无一种统一的、确定的评价模式。就现有研究成果看，水 质评价方法大致可以归纳为以下两大类：单因子评价和综合评价i “。 ( 1 ) 单因子评价 单因子评价一般根据国家标准或本底值采用超标指数法，评价其超标程度， 傲起来相对容易。现行国家水质标准已确定悲观评价原则，即以水质最差的单项 指标所属类别来确定水体综合水质类别。其方法是用水体各监测项目的监测结果 对照该项目的分类标准，确定该项目的水质类别，在所有项目的水质类别中选取 水质最差类别作为水体的水质类别。 ( 2 ) 综合评价 综合评价则要考虑水体中所有污染物的综合作用，确定水质的综合级别。国 内外用于水质综合评价的方法很多，如污染指数法1 1 6 1 、模糊评判法f 1 m 射、灰色 评价法等【1 9 3 1 、神经网络评价法f 2 圳、物元分析法1 2 7 珊1 等等。由于影响河流水质 的因素很多，评价因子与标准级别之间的关系是极其复杂和非线性的，且评价标 准各个级别阔的关系也是模糊的、灰色的，因丽迄今为止还没有一种统一的、规 范的水质综合评价模型，但是综合评价以其独有的魅力已受到越来越多学者的重 视。 1 2 3 评价方法的比较 目前对水质评价方法的研究己有很多，而且每一种方法都有自己的优点和不 足之处。像单因子评价法以“超标”或“达标”来孤立地看待个别指标，是很难 断定水质变化发展趋势的，不利于掌握水体水质的动态变化，不利于制定及采取 相应的污染防治对策及措施。 单因予评价中污染因子占1 0 咪权重，其余因子权重为零；而综合评价法中 的模糊评价法、灰色评价法、物元分析法中的因子权重与该因子的浓度值和标准 有关，随水质监测结果而不断变化，浓度越大权重越大，随意性较大，而其它评 价方法中因子权重由权重公式计算得到，没有考虑各因子对水环境影响的差异 性，也具有局限性。 因此，本论文采用因子分析法对河流水质进行评价，即在已有的原始监测数 据的基础上，采用因子分析的方法，客观地建立几个环境质量综合指标，这些综 合指标是由已知的若干个单项指标线性组合丽成的，能够最显著地反映出评价地 区的环境质量差异 2 9 1 ，该方法可以： ( 1 ) 对长时期监测资料的分析难度，使得人们对河流水质的研究总是关注 于一个或几个独立的变量，而因子分析可以对大型的、多变量的原始监测数据矩 阵进行分析处理； ( 2 ) 因子分析法对水质进行评价，既可以简化评价指标，损失较少的信息， 又可以抓住主要矛盾，能对不同断面、不同水期的水质状况进行比较，这是利用 因子分析法进行水质评价的一大优点： ( 3 ) 因子分析综合考虑各水质指标对水环境的影响，因子权重由各主因子 的方差贡献率来控制； ( 4 ) 用因子分析法评价河流水质，可以反映出水体的污染程度、主要污染 4 物类别及其变化趋势，定量、定性地掌握河流水质的动态变化，找出优先控制断 面或优先控制的水质指标； 1 3 因子分析法 在对河流进行水质评价过程中，如何识别河流水质污染的因素，或分析影响 某一断面水质要素的原因时，需要判断什么是主要污染物，或者各污染物对水质 影响轻重等，这就可用因子分析来做解答，因为因子分析可以综合考虑多个水质 指标的变化特征及其潜在的、内在的联系。 1 3 1 因子分析简介 在实际研究问题的过程中，为了全面、系统的分析问题，我们必须考虑众多 的影响因素，这些所涉及的因素叫做指标。因为每个指标都在不同程度上反映了 所研究问题的某些信息，并且指标之间彼此有一定的相关性，因此对问题的统计 数据所反映的信息在一定程度上有所重叠。在用统计方法研究多变量问题时，变 量太多会增大计算量和增加分析的难度，人们希望在进行定量分析的过程中涉及 的变量较少，而得到的信息量又较多。根据这一点，通过对原始变量相关矩阵内 部结构关系的研究，找出影响某一过程的综合指标，使综合指标成为原来变量的 线性组合p o l 。 主成份是解决这类问题的理想工具，主成份分析也称主分量分析，是由 h o t e l l i n g 在1 9 3 3 年首先提出的。主成份分析是利用降维的思想，把多指标变量 转化为少数几个综合指标的多元统计分析方法，而这几个综合指标可以反映原来 多个变量的大部分信息，因此主成份分析的目的是： ( 1 ) 简化数据； ( 2 ) 揭示变量间的关系。 因子分析( f a c t o ra n a l y s i s ) 是主成份分析的推广，也是多元统计分析的一 个重要分支，因子分析是在为数众多的因素中，不损失或很少损失原有信息的基 础上，把原来多个彼此相关的因素转化为少数几个独立的、能综合反映原有信息 的综合指标的一种方法p 。 因子分析从研究相关矩阵内部的依赖关系出发，把一些错综复杂的变量归结 s 为少数几个综合因子的一种多变量统计分析方法。因子分析的概念起源于上世纪 初的k a r l p e a r s o n 和c h a r l e s s p e a r m a n ，一开始主要用于对认知测验变量的组织、 结构的分析上，目的是借助提取出的公因子来代表不同的性格特征和行为取向， 从而解释人类的行为和能力翰。早期的因子分析都采用零碎的、个刹近似的方 法，1 9 6 7 年哈尔曼( h a r m a n ) 的现代因子分析一书的i 硪吐【3 3 1 ，加上h o t e l l i n g 和l a r l c y 等分别从统计角度来处理整个分析过程，因子分析才真正作为一个比 较严格的数学和统计学的理论而得到广泛应用。 因子分析的意义表现为： ( 1 ) 因子分析可以发现隐藏在原有变量背后的主要维度及潜在的变量，在 尽量保持原有信息的基础上，减少变量个数，以求对原有变量有着更好的理解： ( 2 ) 因子分析可以构造新的指标、新的变量，可以用新的变量来描述研究 对象，揭示原有独立变量间的内在联系，是分析水质的有效方法。 因子分析在长期的实践中证实了能有效地提取内在结构，并在解决变量共线 性等问题上作用突出，现在已经被应用到了医学、社会学、经济学、环境科学等 各个领域。 1 3 2 因予分析法国内外发展、实践状况 自现代因子分析一书问世以来，因子分析作为一个有效的数学分析手段， 在1 9 7 6 年首次由p h ili pk 在环境科学领域中，对波士顿市区大气污染物来源识 别中得到应用f 3 4 】。1 9 8 3 年，m 。八i - i o k l e 9 1 3 5 1 采用多元统计分析中的因子分析分别 对两组数据进行了处理，一组是生物量，另一组是水质监测数据，并揭示了水体 中生物量与水环境变化之间的关系。1 9 9 2 年，h o w a r d a b t i d g m a n l 3 6 | 采用因子分析 法对澳大利亚南部地区的雨水中的污染物及其来源进行了评价，分析结果指出， 土壤和禽畜粪便决定了该地区雨水的性质。随后，p i a a n t t i l a 3 7 】用改进的正交旋 转方差因子分析法对芬兰大气湿沉降中的污染物来源识别，其他学者也相继在表 层土的地理化学特征、河流沉积物中重金属及悬浮颗粒物等方面进行分析并取得 良好的效果p 8 删。 因子分析( 含主成分分析) 在水环境物理化学特征方面也有广泛的应用，如 p c r o n a 研究了西班牙a l b e r c h e 河流水质指标征及其时空变化特征 4 1 1 ，r a j c s h 6 r e g h u n a t h 用因子分析和聚类分析对印度的地下水水质进行了研究f 棚，台湾学者 在分析影响台湾灰指甲病区的地下水水质原因的同时，也对该地区的水质进行了 评价【4 3 j ，w z h u l 4 卅对河流沉积物中的稀有元素的分布及类型进行了研究。m m m o r a w s 4 5 1 在西班牙的v a l e n c i a 海湾的5 2 个监测点，对微生物、重金属、营养盐 及其它共1 4 个水质指标，共9 1 9 个水质样本进行了研究，识别了污染物的来源 及其主要类型。近几年，n i c o l a o sl a m b r a k i s l 铀l 运用多元统计方法中的因子分析 对水化学及水环境的各种参数进行分析，揭示了n o ；离子在水体中的分布特征； w e nh o n gl i u l 47 j 用因子分析法评价了台湾的渔业可持续发展系统( s f d i s ) ，反 映了每个指标随时间的变化特征并总结了在每个时期变化的规律，了解渔业最新 的发展并及时做出修正，以保持渔业的可持续发展。 我国学者用因子分析方法( 含主因子分析、正交旋转因子分析、对应分析等) 结合层次分析法应用在环境评价、环境与经济、植被和大气污染等方面。1 9 8 6 年，我国学者谢剑田1 在已有的原始监测数据的基础上，采用了主成份分析对北 京南部大气污染和沈阳地区的地表水环境质量进行了评价，反映出所评价地区的 环境质量差异。在评价湖泊富营养化的问题上，李柞泳提出a h p - p c a 的营养状态 指数( 即结合层次分析和因子分析) 来评价我国2 0 多个湖泊的富营养化状态【柏l 。 1 9 9 3 年，陈静生等根据沉积物和土壤的物理化学指标，用因子分析法探讨了沉 积物中的污染物来源1 4 9 l 。1 9 9 4 年，张丽艳1 5 哪采用主成份对秦皇岛海滨浴场水质 进行了综合评价，反映出监测点及指标之间的差异性，并为监测点分类。张祥伟 1 5 1 谴过对我国江河水质数据特性及统计问题分布问题的分析，提出运用主成份 分析法对河流水质污染组分进行识别，从新的角度信息量的概念探讨了河流 水质，李连科将因子分析用于近岸海域大气污染来源的判别【5 2 1 ，其后，李春雁【5 引、 王小雨1 5 4 1 、尹魁浩【5 鲥、吕唤春嘲及陈东景 5 7 1 、于书霞1 5 s l 等也相继对各河流、湖 ( 库) 水质指标进行分析及评价，识别水中污染物的来源，探讨水质变化原因及 其变化规律。 7 1 4 论文选题及研究背景、研究内容 1 4 1 论文选题 河流水质污染是由许多因素综合造成的，有其必然性，亦有偶然行为a 对河 流水质的研究，以往都集中在重金属、有机有毒等主要污染物的源、汇及生态效 应等方面，这些研究通常只考虑一个或几个独立的水质指标，对多个水质指标的 联合效应则研究很少1 5 引，而因子分析则可以综合考虑多个水质指标的变化特征 及其潜在的、内在的联系，可以分析影响河流水质的主要因素，识别其污染原因， 判断主要污染物，及评价各污染物对水质影响轻重等。 为此，本文将因子分析法引入河流水质评价的过程中，对龙岗河( 淡水河的 上游) 水质进行分析与评价，推动因子分析法在水质评价中的研究与应用，因此 本论文选题既有理论意义又有现实意义。 为了有效地控制龙岗河水体污染，改善河流水环境质量，恢复原有的水体功 能，以及为综合整治龙岗河水污染提供工程技术和行政管理方面的措施及对策， 作者以因子分析法在龙岗河水质评价中的研究与应用为硕士论文的选题，结 合广东省环保局重点科技研究项目“淡水河污染整治计划实掩回顾评价”的研究 工作，在用因子分析法对龙岗河水体水质现状进行评价的基础上，揭示水质的时 空变化规律，分析水污染的主要原因，找出造成水体污染的主要污染源和污染物， 在此基础上，提出水污染防治的基本思路和设想，从而为龙岗河水环境的综合整 治规划决策提供科学依据，为水环境保护和水质规划、管理提供了理论依据和技 术支持。 1 4 2 研究背景 淡水河是广东省内的一条主要跨市河流，上游的深圳市毗邻香港，地理条件 优越，市内城镇密集，经济发展迅猛，城市化过程日新月异。2 0 世纪9 0 年代以 来，淡水河流域的经济高速发展，特别是深圳市将龙岗区规划为深圳市的“重工 业”基地和“菜篮子”基地，制革、电镀、漂染等重污染企业的工业废水、沿河 城镇的生活污水、农田退水、养殖业及其它大量的污染物排放进入淡水河，导致 8 了淡水河污染，严重破坏了淡水河原来的水体功能，从而影响到下游的惠州市惠 阳区人民的生产和生活。 i 4 3 研究意义 为了解龙岗河水污染和水资源保护动态，保证流域各水道水质达到水环境目 标，以达到保护淡水河水环境的目的，本研究在因子分析模型的基础上，利用水 质监测资料，用较少的具有代表性的主因予来概括多种水质要素所反映的水质信 息，找出影响河流水质的主要因素，识别污染物来源及其成因，反映水质要素之 间的内在联系，分析河流水质的变化规律，为进行下一步的环境综合整治、制订 区域环境污染物排放标准、环境法规和进行环境管理提供技术平台和重要依据。 本研究并用其它方法对河流水质进行评价，与因子分析法进行对照，以达到实用 的目的。 1 4 4 研究内容和技术路线 本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 因子分析法理论研究。建立因子分析模型，为龙岗河水质评价奠定理论 基础： ( 2 ) 龙岗河流域的自然与社会环境，以及龙岗河水环境污染特征现状及污染 源调查： ( 3 ) 龙岗河水质评价。将建立的因子分析模型评价龙岗河水质，通过分析， 对龙岗河水质的时空变化规律及其污染原因进行探讨； ( 4 ) 龙岗河水污染防治初步研究。根据评价结果和龙岗河的水环境功能要求， 对龙岗河水污染防治进行初步研究； ( 5 ) 与其它评价方法进行比较，验证因子分析法的优越性。 本论文的研究技术踌线见图卜1 。 9 图卜l论文研究技术路线图 1 0 第2 章龙岗河自然及社会环境状况 2 1 自然状况 2 1 1 自然地理特征 淡水河( 上游称为龙岗河) 属东江水系，是西枝江的一级支流，东江的二级 支流，是广东省内的一条典型的跨市河流。淡水河在惠州市惠阳区分为龙岗河、 坪山河两条支流。龙岗河发源于梧桐山北麓，集水面积3 6 0 2 k i n 2 ( 含惠阳市境内 面积7 0k m 2 ) ，干流长度3 9 3 k m ，总落差9 2 4 m ，河道平均比降为2 0 o 。龙岗河 流经深圳的横岗、龙岗、坪地、坑梓镇。在下陂村以下1 7 k m 处进入惠州市境的 秋长、新墟和淡水镇芦9 1 。龙岗河是深圳市备用水源之一，兼有泄洪、农灌等功 能。本研究区域从龙岗河上游的西坑大围到惠阳区的土湖断面以上部份，流域位 置见图2 - 1 。 龙岗河流经低丘陵和台地区，河谷地貌以宽窄相问的串珠状为特色，宽处成 为盆地，窄处峡谷锁江。龙岗河可分为三段，蒲芦围以上为上游段，属低丘陵区， 河谷较窄，河床比降大；蒲芦围至黄沥为中游段，属台地区，谷底较宽；过黄沥 后，进入坪地盆地，为下游段，河面拓宽。 2 1 2 气候特征 研究区域处北回归线以南，属南亚热带海洋性季风气候，具有全年温和暖湿， 夏天长而不酷热，冬暖有阵寒，无霜期长，雨量充沛，干湿季节分明的特点，流 域多年平均温度为2 2 。c ，常年盛行风向为东南偏东风和东北偏北风，其频率为 1 7 和1 4 ，其次是东北风和东风，频率为1 2 。 2 1 3 土壤类型 龙岗河流域内土壤主要有赤红壤、红壤、黄壤、水稻土等，其中以赤红壤分 布最广。土壤在垂直分布上有明显的分带性，海拔5 0 0 m 以上多为黄壤，3 0 0 5 0 0 m 之间的山地多为红壤，3 0 0 m 以下山地多为赤红壤以及侵蚀红壤，l o o m 以下侵蚀 1 1 赤红壤分布较广。 2 1 4 水文特征 降水是龙岗河流域水量的唯一来源，降雨量的多少直接影响河流流量的大 小。龙岗河流域多年平均降雨量为1 9 2 9 5 r m ，降雨量随季节变化比较明显，夏 多冬少，干湿季节分明。降雨量年季变化也比较大，从降雨成因分析，由台风带 来的雨量所占成份比较大。 龙岗河多年平均径流量为2 9 7 亿m 3 ，9 0 的保证率的径流量为l6 3 亿寸， 径流量年内变化非常大。龙岗河枯季( 1 卜3 月) 多年平均径流量为0 2 1 4 亿m l ， 仅占全年的7 6 ；丰季( 4 - 1 0 月) 多年平均径流量为2 6 0 6 亿m 3 ，占全年的9 2 4 ， 尤其6 月和8 月为最大，分别占全年的2 1 和1 9 9 ，形成明显的双峰型曲线， 与年降雨量的趋势样。流域径流量年际变化也较大，与年降雨量的变化基本一 致。 2 2 社会、经济状况 龙岗河流域内主要分布有横岗、龙岗、坪地、坑棹、新墟和欲长镇，2 0 0 3 年流域人口统计结果见表2 - 1 。 表2 - 12 0 0 3 年流域各镇人口 单位：人 近年来，流域内深圳及惠州各镇经济迅猛发展，城市化过程日新月异，各镇 的工农业产值呈逐年上升的趋势，其中工业产值增长较快。2 0 3 3 年流域内工业 产值2 5 8 2 7 8 3 万元，农业产值3 4 5 0 9 万元，工业产值是农业产值的7 4 8 倍，各 镇经济指标统计结果见表2 - 2 。 表2 - 22 0 0 3 年流域各镇经济状况单位：万元 龙岗河流域社会、经济状况表明：龙岗河流域人日主要集中在龙岗河的上、 中游，经济结构主要依靠工业为主，其中工、农业产值之间存在数十倍的差异， 且在流域上、中游地区发展较快，而下游则成为人口相对较少、工业发展较慢、 农业保留相对多的地区。 3 1 因子模型 第3 章因子分析法 设有n 个样品，每个样品有p 个观测变量，则其观测数据为： j 一 l五2 一 x 2 1x 2 2 。 12 一 ( 3 1 ) 由于_ ，屯，之间可能相互独立，也可能彼此相关，因此我们把p 个变量 葺仃- 1 , 2 , ，p ) 表示成因子曩，e ，c 和特殊因子q a - 1 , 2 ，p ) 的线性组合： ( 3 2 ) 公式3 2 称为因子模型1 3 0 j ，因子模型的矩阵形式为 工一a f + ( 3 3 ) 其中，石一“，x 2 ，y ，f 一假，e ，b ) f 一( q ，e 2 ，_ - j e p ) 矩阵a - a l l a 1 2 4 2 1a 2 2 口，1a p 2 式中，毛，屯，x p 为实测变量；口o - 1 , 2 , ，p ；，一1 ，2 ，p ) 为因子载荷： 曩( f - l 2 ，p ) 为公共因子( 主因予) ；气( f ；1 ，2 ，p ) 为特殊因子。 因子载荷气是第i 个变量在第j 个主因子上的载荷，即第i 个变量与第j 个 p 托嗨 小辑 饵 鸭 哪 二- 扣 + 愿勰 饵 哆吖 啪啪 们 一 。 。 h r 隅r 一 因子的相关系数，的绝对值越大，表n j j x , 与巧的相依程度就越大。 公共因子是在各个原观测的表达式变量中都共同出现的因子，是相互独立的 不可观测的理论变量，在高维空间中，它们是互相垂直的坐标轴。 特殊因子实际上是实测变量与估计值之间的残差项，表示了原有变量不能被 公共因子所解释的部份p 1 1 。 3 2 因子求解 3 2 1 变量标准化 由于实测的各种变量的性质、量纲和尺度不同，这些不加处理的原始数据是 无法进行比较的，为了消除由于量纲的不同可能带来的一些不合理的影响，应先 对原始数据进行统一标准化。这不但使数据具备了可比性，而且使这些变量遵从 正态分布n ( o ，1 ) ，即令每一个变量的平均值为0 ，方差为i 。变量的标准化公 式为： x kt 毕( f 。1 ，2 ，l ；七1 ，2 ，p ) l ) i 夏。音善 ( 3 4 ) si -压再i 式中，式中，为原始数据，x k 为标准化以后数据，n 为样本容量，p 为 指标变量数。瓦为第j 个变量的平均值，s 。为标准差。为方便，将标准化后的 变量矩阵仍记为( 3 1 ) 式的x 。 3 2 2 相关系数 当总体未知时，设有n 个样品、p 个指标的数据矩阵如( 3 1 ) 所示，由数据 矩阵我们可以计算出其相关系数和协方差，由于在标准化数据的情况下，变量的 相关系数即为变量协方差，即 飞1 s q l o ，j - 1 , 2 ，p ) ( 3 - 5 ) 故对于数据矩阵，其变量的相关矩阵r 和协方差矩阵s 相同，即 sa r 一 l 2 r 2 1乞 - ，：l l2 为了导出因子，只须求r 阵或s 阵的特征根和特征向量即可。 3 2 3 因子载荷的求解 ( 3 6 ) 要建立实际问题的因子分析模型，关键是要根据数据矩阵估计因子载荷矩阵 a 。本研究用主成份法来计算因子载荷矩阵。 设随机向量x o 。，工：，工，) 的均值为弘，协方差阵， 苫t 己乏苫。 为三的特征根，q ，e 2 ，e p 为对应的标准正交化特征向量，则可以分解为： 三： i q e j + a 2 e 2 e 名+ + a p 勺p 名 = ( 忍，恳，瓜) 不： 如p ： x p e i ( 3 7 ) 式( 3 7 ) 的分解是公共因子与变量个数一样多的因子模型的协方差阵结构， 特殊因子的方差为o ，载荷矩阵的第j 列为泵，因此三- 刷除了常数因子石 外，在第j 个因子上的载荷就是第j 个总体主成份的系数p 。 通常，我们略去式( 3 7 ) 中最后p m 项a 。+ 。+ 。+ + a ，勺g ；对三的贡 献，于是得到 1 7 一( 再，再：，再) 鼎 碥 = 4 a ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 假定因子模型中的特殊因子是不重要的，因而从的分解中忽略 了特殊因子的方差，如果考虑特殊因子，协方差阵为： 一朋+ 。 = ( 瓜，瓜，再x ) 尻 再： 九 + 0 盯”2 ( 3 9 ) 设s 为变量协方差阵，经过标准化处理后的变量的协方差阵就等于相关系数 矩阵r 。对样本协方差阵s 和相关系数矩阵r 做类似式( 3 9 ) 的表示，就可得 到a 和三的一个解，即设 z 也屯0 为矩阵的特征根，岛，e 2 ，e p 为对 应的标准正交化特征向量，胁c p ，则因子载荷矩阵a 0 。) 为： a 一( 几，瓜，瓜) ( 3 1 0 ) 共同度的估计为： h i 2 口i + 畦+ - + 4 二 ( 3 1 1 ) 3 2 4 因子载荷的统计意义 由式( 3 2 ) 可知，薯= a t l 点+ a i 2 e + + 墨+ 岛( f - 1 ，2 ，p ) ，所以而与 e ( j 一1 ，2 ，m ) 的协方差如下： c o y ( x , ，) 。c o v ( 善塌巧) = 泖( 善，巧) + c o y ( e , ，f j ) ( 3 1 2 ) o 畦 即n 是t 与，j 的协方差，又因五与曩的相关系数为； 。毛罢笔未。c 吖“，乃) 嘞( 3 - 1 3 ) 矿再雨高土c o v o p 式中，v a r ( x ，) 与v 叫) 分别是与的标准差，即变量五与因子巧的相关 系数称为因子载荷，它表示墨依赖的程度，即反映第i 个变量工。对第j 个公因 子的相对重要性，也就是表示变量而与公因子的密切程度，也可将看作第i 个变量在第j 个公因子上的权重。 3 2 5 因子旋转 建立因子分析模型的目的不仅是找出主因子，更重要的是知道每个主因子的 含义，对因子做出合理的解释，以便对实际问题进行分析。为此考察各个变量 ，x 2 ，工。在各个因子上的负荷，负荷绝对值大的变量显然与该因子的联系 更密切。如果因子负荷的大小相差太大，对因子的解释可能就有困难，为此可通 过旋转坐标轴，使因子负荷在新的坐标系中向0 或1 两极分化，以便得到一个更 易于解释的结构f 删，即： ( 1 ) 每一列上的负荷大部分应是很小的尽可能接近0 的值： ( 2 ) 每一行中只有少量的最好是只有一个较大的负荷值； ( 3 ) 每两列中大负荷和小负荷的排列模式应该不同 最常用的因子旋转方法是所谓的“方差最大正交旋转”，即选择适当的正交 变换矩阵f ，使得各个因子负荷( 除以共同度后) 平方的方差的总和达到最大， 将负荷平方是为了消除符号的影响，除以共同度是为了消除变量对公共因子依赖 程度不同的影响，这一理论的详细证明见参考文献f 6 1 1 。 如果公共因子数m ，2 时，需进行一罢( 坍+ 1 ) 次旋转，但是旋转完毕后， 二 并不能认为已经达到目的，还可以重新开始，进行第二轮c 二次配对旋转，于是 每经过一次旋转，矩阵a 就发生变化。 1 9 4 铷4 1 争a 2 一一4 “一4 “棚_ + 从一o ) 一一( ) ，a ( i + 1 的各列相应的相对方差之和只会比爿o 的大，记g 为 各列相对方差之和，则g o ) s g ( 2 ) 墨g a ) s g o + 1 s ，这是一个单调上升 的序列，而它又是有界的，因此它一定会收敛到某一极限，经过若干次旋转后， 它的总方差改变不大，即可停止旋转。 3 2 6 因子导出 因子分析的目的是为了减少变量的个数，所以一般绝对不用p 个因子，而 用州c p 个因子，m 取多大，这是个很实际的问题，通常所取m 使得累计贡献率 达到8 5 以上，即 鼍8 5 ( 3 1 4 ) 其中， 为s 矩阵的特征根。在实际工作中，可通常根据实际问题调整累 计贡献率。 3 2 7 因子得分 因子模型建立起来之后，我们可以反过来考察每一个样本，在统计模型上将 公共因子f 用变量的线性组合来表示，也就是对公共因子的取值进行估计，计算 每个样品的公共因子的得分值，由此可以在公共因子的空间中，按照每个样品的 因子得分值标出其对应的位置。 公共因子f 由变量x 表示的线性组合为： 舀= 6 1 1 + 如2 + + 6 p x , q 一1 , 2 ，l ；j = 1 , 2 ，m ) ( 3 1 5 ) 式( 3 1 5 ) 称为因子得分函数，由于式中方程的个数少于变量个数，因此用 最小二乘法对因子得分进行估计，由它来计算每个样品的公共因子得分，其中， 表示第f 个样品在第p 个变量上的观测值，岛，屯相当于对应第j 个因子 一 。荟一塞 的回归系数，用矩阵的形式表示为： f = z b 0 卅)o x p ) ( p x m ) ( 3 1 6 ) 其中户是一个因子得分矩阵，表示n 个样品分别在m 个公共因子上得分的 回归估计；z 是标准化的数据矩阵；b 表示回归系数矩阵，可以证明它的最小二 乘估计为： b ； r a ( p x m )0 x p )( p x m )( 3 1 7 ) 其中，r 是变量鼍，毛，的相关系数矩阵，a 是因子负荷矩阵，因此因子 得分的估计为： 户 = zxr x 爿 ( n x m )= ( n x p ) ( p x p )( p x m )( 3 1 8 ) 其中，宴。一 墨。 民f 笠 e ，只： z 为标准化后的数据矩阵； r - 为因子得分矩阵； 为相关系数矩阵： 当因子正交时，爿一( k 。为旋转后的因子载荷矩阵。 气k o o 第4 章龙岗河水质评价 4 i 龙岗河水环境概况 4 i 1 水体功能及水质目标 龙岗河属东江水系，是淡水河的一级支流，作为深圳市的备用水源之一，其 功能主要是饮用水源的补给区，兼有泄洪、农灌等功能，根据广东省地表水功 能环境区划( 试行方案) ，该河流水质控制目标为地表永环境质量标准) ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 的类水质标准。 4 1 2 水环境特征 ( 1 ) 径流特征 龙岗河流域屑南亚热带海洋性季风气候，具有全年温和暖湿的特点，降雨量 随季节变化比较明显，径流量在年内的分配也较明显，夏多冬少，干湿季节分明。 龙岗河吓陂水文站连续十年观测的结果表明，龙岗河径流量年内变化大，枯季 ( 1 卜3 月) 多年平均径流量为0 2 1 4 亿m 3 ，仅占全年的7 6 ；洪季( 4 一l o 月) 为 2 6 0 6 亿一，占全年的9 2 4 ，尤以6 月和8 月为最大，分别占全年的2 1 和1 9 9 ， 形成明显的双峰型曲线，与年降水量分配致。 龙岗河属雨源型河流，其径流量、流量、洪峰都与降水量密切相关，使得龙 岗河流量在丰水期随降雨暴涨暴落，也使龙岗河在枯水期，由于径流量较小，流 域则大量引入客水，导致污水量增加，河道水质严重恶化，增加了河流水环境的 压力。为保障供水，上游建起一批小型山螗、水库，使下游地区在枯水期或者旱 季径流量极低时，由于河道缺乏清洁水源，流域内又大