因子分析法在污染源解析方面的应用

翟航 周俊 李世梅 张丹 辛欣

(1.中兵勘察设计研究院，北京 100053；2.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；3.吉林大学环境与资源学院，长春 130026)

因子分析法在污染源解析方面的应用

翟航1周俊2李世梅1张丹1辛欣3

(1.中兵勘察设计研究院，北京 100053；2.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；3.吉林大学环境与资源学院，长春 130026)

针对长春市存在污染的46个土壤采样点，以Hg、Cd、Pb、As、Cu、Cr、Zn七种重金属元素指标作因子分析，从而为长春市表层土壤重金属污染成因的解释提供一定的理论依据。

因子分析；土壤；污染

1．因子分析法基本原理

在土壤重金属污染来源研究中，其基本假定是 ：1.从污染源到采样点之间，污染物在途中保持质量守恒；2.受体污染物中某种元素是各污染源贡献的线性组合，各污染源之间互不相关。这是因子分析法的基础；3.由各个污染源贡献的某元素的量（称因子载荷）就有足够的差别，而且它在采样点和分析期间变化不大。

通常从土壤中采集的N个样品，每个样品中分析得出M种化学元素的浓度。这样就构成了一个包括M ×N个数据的样品集合，可由M维空间的N个点完全表征，但是，每个土壤样品的重金属元素组成并不是各自独立、互不相干的，来自同一种源的那些成分之间存在较强的相关性。因此，表征样品集合的空间维数可以减少，可能用m个(m＜M)因子来描述原来的样品的集合。

在土壤重金属污染研究中，假设每一种元素是各类源贡献的线性加和，同时源贡献又可分成两个因子的乘积。这样，因子分析的模型如下：

式中：Xik为元素i在样品j中的浓度；

aik是i元素在k源排放物中的浓度，称为因子

载荷；

fkj是k源对j样品所贡献的质量浓度，它对所有i元素(变量)都有贡献，称为公共因子；

ui为仅对第i种元素有贡献的特殊源的排放量，称为唯一因子；

di为唯一因子系数；

εi为元素i的测量误差及其他误差；

m为公因子数。

2．用因子分析法研究长春市土壤重金属污染类型及来源

长春市土壤单点样重金属元素含量的数据特征完全符合因子分析的要求。在这里基于长春市土壤环境质量评价，重点对存在污染的46个土壤采样点其污染来源进行分析，以Hg、Cd、Pb、As、Cu、Cr、Zn七种重金属元素指标作因子分析，从而为长春市表层土壤重金属污染成因的解释提供一定的理论依据。经SPSS14.0统计软件进行因子分析，可得出以下结果。首先给出长春市表层土壤Hg、Cd、Pb、As、Cu、Cr、Zn七种重金属原始数据的相关系数矩阵。如表1。

可见，Cu、Pb的相关性最好，相关系数最大为0.966；其次为Cu和Zn，相关系数为0.794；以下依次是Pb和Zn，相关系数为0.791，其他元素之间的相关性并不好。从成因上来分析，相关性较好的元素可能在成因上和来源上有一定的关联。

由表2可得出在累积方差为86.352%的前提下，分析得到4个主因子，可以看到4个主因子提供了源资料的86.352%的信息，满足因子分析的原则，而且从表2可以看出旋转后总累计贡献率没有变化，即总信息量没有损失。旋转之后，主因子1和主因子2的方差累计贡献率就占56.767%，这可以解释为因子1和因子2可能为长春市土壤重金属污染的最重要的污染源。因子3和因子4对长春市重金属污染有重要作用。

因子分析的主要目的是将具有相近的因子载荷的各个变量置于一个公因子之下，正交方差最大旋转使每一个主因子只与最少个数的变量有相关关系，而使足够多的因子负荷均很小，以便对因子的意义作出更合理的解释。输出结果见表3和表4。

由表3和表4可见，旋转前后因子荷载的变量结果基本一致。变量与某一个因子的联系系数绝对值（荷载）越大，则该因子与变量关系越近。正交因子解说明：因子1为Pb、Cu和Zn的组合，因子2为Hg，因子3为As，因子4为Cd。

为了更好地进行分析、评价，利用因子得分所得到的4个因子经过方差极大正交旋转后的长春市表层土壤污染严重的46个单点样样本在4个主因子上的得分表（表5），可作出各个因子在空间分布的等直线图，更能直观地说明各个元素在空间平面上的分布特征，见图1。

3．结论

主因子1中以Pb、Cu和Zn元素的载荷为主，这与前面重金属之间的相关分析结果相一致。Pb、Cu

和Zn常被作为机动车污染源的标识元素，所以该组元素主要来自于交通运输过程，被称为“交通因子”。从因子1图可以看出，交通因子在空间分布上近似可认为是一个带状的污染源，这主要是因为Pb、Cu和Zn主要来自市中心汽车尾气和轮胎磨损产生的粉尘，尤其是在宽城区这一带。该处交通发达，长春市大部分一级市内交通线路都在这附近。研究区有两个明显的交通因子得分高值区，分别是在采样点CC191、CC192和CC340附近。采样点CC191、CC192位于长春火车站附近，由于机动车流量大，再加上黄河路

客运站长途客车尾气的排放，使其成为交通因子高值区；采样点CC340位于长春市主要街道台北大街，其为交通因子的另一个高值区。

因子2为Hg，Hg是长春市污染最严重的重金属之一，这在我国城市中非常常见，尤其是在我国北方城市中表现得尤其突出。其中一个最大的原因是燃煤污染。从因子2图中可以看出，汞污染属于面积型污染，几乎在长春市主城区的绝大部分面积的土壤中汞主因子得分均为正值。Hg污染严重的采样点分布在宽城区和二道区，主要原因是宽城区团山以北和二道区乐东以南为大面积棚户区，并且长春市两个热电厂也在此范围内。居民采暖用煤和工业用煤以及燃烧方式落后成为长春市表层土壤汞污染的主要原因。从图中的分布可以看出，Hg污染除了燃煤来源外，工业排放也是长春市表层土壤Hg污染的另一个重要来源。在大面积污染中有一个浓集中心为采样点CC224，该点在位于长春市新华印刷厂旁边，工业三废的排放也是Hg污染的重要来源。可以得到一个结论：燃煤特别是供暖燃煤是造成长春市表层土壤污染的主要原因。除新华印刷厂释放汞造成局部区域土壤汞含量很高外，大部分区域可能还是冬季取暖造成表层土壤汞含量升高。

因子3为As，As是长春市表层土壤污染最严重的重金属。主要来源于工业污染，工业上排放砷的主要有化工、冶金、炼焦、火力发电、造纸、玻璃、毛革、电子工业等。从因子3图中可以看出，因子得分高值区分布在铁北—二道工业区，受到采样点CC222（橡胶厂）、CC223（印刷厂）、CC335（印染厂）、CC341（毛皮厂）、CC169（硫酸厂）等工业排放影响，使长春市表层土壤中砷污染较严重。其中富集中心的位置在硫酸厂和毛皮厂附近，主要来源于工业废水的排放。因此可以将因子3称为工业因子。

因子4为Cd，据统计,世界每年冶金厂和镉处理厂释放到大气中的镉大约为100万kg,接近整个大气污染总量的45%。随着采矿、冶炼和电镀工业的不断发展,大量的含镉废水排入河流中,用于灌溉必污染土壤。由因子4图中可以得出以下结论:长春市Cd高富集区分布在长春市区北部天林冶炼厂(CC138)、西部火烧李附近的蓝舟冶炼厂(CC214)和中部钢厂附近（CC343）,说明有色金属冶炼是镉污染的最主要的污染来源,这与文献结论相一致。因此将因子4称为冶金因子。

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Factor analysis method is applied to analysis of the polluters

Zhai Hang1Zhou Jun2Li Shimei1Zhang Dan1Xin Xin3
(1.China Ordnance Industry Survey and Geotechnical Institute，Beijing 100053；2.Appraisal center for environment and engineering，Beijing 100012；3.Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment，Ministry of Education, Jilin University，Chang chun 130026)

Based on 46 soil samples’analysis of seven elements, Hg, Cd, Pb, As, Cu, Cr, and Zn, which are regarded as measures.We formulate the theoretical support to the explanation of the reason what causes the surface soil pollution by heavy metal elements in Changchun region.

factor analysis；soil；pollution

X53

A

1674-6252（2014）01-0020-05

中央高校基本科研业务费资助（CDJRC10200013）,中国博士后基金项目（20100470118）和中国地址调查局项目（基[2005]011-08）资助.

翟航；1982年7月；民族：汉；职称：工程师；学历：硕士；研究方向：工程地质及水文地质；邮箱：zhaihang513@163.com.