主成分分析法源解析

比值法可以定性地解釋研究區(qū)PAHs的污染來源，但是不能進行定量的描述，且還有一定的局限性。因此本研究將通過對PAHs數(shù)據(jù)的因子分析和多元回歸分析，可以半定量地了解各種污染源對研究區(qū)PAHs總量的貢獻率。主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis，PCA)和因子分析是進行數(shù)據(jù)降維的常用方法，是把多個變量(指標)化為少數(shù)幾個可以反映原來多個變量的大部分信息的綜合變量(綜合指標)的一種方法。主成分分析可直接將數(shù)據(jù)映射到唯一正交坐標系，因子分析可以進一步通過旋轉(zhuǎn)坐標系，使被提取出來的因子具有最小的協(xié)方差，使每個因子代表的變量更明顯，從而支持污染源識別。Wangetal.(2009)運用空間和多元分析對北京表土(0～10cm)PAHs的分布特征和污染來源進行了研究，結(jié)果表明，煤的燃燒和汽車尾氣的排放、石油源及焦炭源分別是商業(yè)區(qū)、市內(nèi)和郊區(qū)的主要污染源，這與北京的能源消耗及功能區(qū)劃的空間分布特征密切相關(guān)。對污灌區(qū)表土的14種PAHs進行主成分分析，結(jié)果表明，前兩個因子說明了100%的方差，其中第一個主成分F1占方差的68.36%，第二個主成分F2占方差的31.64%，因此這兩個主因子可以說明PAHs的污染來源。由表4.13可以看出，第一個主成分F1在變量苯并［a］芘、苯并［b］熒蒽、苯并［g，h，i］苝、苯并［k］熒蒽、二苯并［a，h］蒽、二氫苊、芘、屈、茚并［1，2，3-cd］芘上有高的正負荷，同時也可以看出大部分是高環(huán)的PAHs。根據(jù)文獻報道(Harrisonetal.，1996;Mastraletal.，1996)，熒蒽、芘、屈、苯并［k］熒蒽是煤燃燒產(chǎn)物的典型標志。屈、苯并［b］熒蒽、苯并［g，h，i］苝、苯并［k］熒蒽、二苯并［a，h］蒽、苯并［a］芘、茚并［1，2，3-cd］芘表征汽車尾氣的排放(Simciketal.，1999;Motelay-Masseietal.，2007)。因此，第一主成分F1可表征的污染源為煤的燃燒和汽車尾氣的排放。表4.13 污灌區(qū)土壤的方差極大旋轉(zhuǎn)后的主因子載荷注:提取方法為主成分分析法。施轉(zhuǎn)方法為Varimax與Kaiser規(guī)范化。3次迭代匯成的旋轉(zhuǎn)。第二個主成分F2在萘、菲、芴、熒蒽、苊上有較高的正負荷，反映的是低環(huán)的PAHs。據(jù)Simciketal.(1999)的研究發(fā)現(xiàn)，二氫苊、菲、芴是焦炭源的主要產(chǎn)物。蒽和苊是石油源的主要產(chǎn)物，其中包括在生產(chǎn)和運輸過程中石油及其相關(guān)產(chǎn)品的泄漏和溢灑。因此第二個主成分F2可表征的污染源為焦炭源和石油源。運用SPSS對主因子分析所得的結(jié)果進行多元回歸分析，進一步估算每種PAHs源的貢獻率，因變量為PAHs總量的標準化分數(shù)，自變量為各因子的得分，得出的回歸方程為∑PAHs=0.393F1+0.919F2各因子的貢獻率根據(jù)公式 計算，其中Ai為每個因子的回歸系數(shù)。根據(jù)上述公式可以計算出，污灌區(qū)土壤PAHs污染中兩個主因子的貢獻率分別為F1(煤的燃燒和汽車尾氣)30%，F(xiàn)2(焦炭源和石油源)70%?？梢娭鞒煞址治龇ㄔ俅握f明了污灌區(qū)土壤剖面PAHs的主要來源為石油源和燃燒源的輸入，其中石油源的輸入比重較大，這一結(jié)果與比值法所得結(jié)果相吻合。對再生水灌區(qū)表土的PAHs進行主成分分析，結(jié)果表明，前兩個因子說明了100%的方差，其中第一個主成分F1占方差的79.39%，第二個主成分F2占方差的20.61%，因此這兩個主因子可以說明PAHs的污染來源。由表4.14可以看出，第一個主成分F1在變量苯并［a］芘、苯并［b］熒蒽、苯并［g，h，i］苝、苯并［k］熒蒽、蒽、二苯并［a，h］蒽、苊、芘、屈、茚并［1，2，3-cd］芘、熒蒽上有高的正負荷，同時也可以看出大部分是高環(huán)的PAHs。根據(jù)上面的文獻報道可得出，第一主成分F1可表征的污染源為煤的燃燒、汽車尾氣的排放和石油源。表4.14 再生水灌區(qū)土壤的方差極大旋轉(zhuǎn)后的主因子載荷第二個主成分F2在菲、芴上有較高的正負荷，反映的是低環(huán)的PAHs。第二個主成分F2可表征的污染源為焦炭源。運用SPSS對主因子分析所得的結(jié)果進行多元回歸分析，進一步估算每種PAHs源的貢獻率，得出的回歸方程為∑PAHs=0.980F1+0.198F2根據(jù)因子貢獻率公式可以計算出，再生水灌區(qū)土壤PAHs污染中兩個主因子的貢獻率分別為F1(煤的燃燒、汽車尾氣、石油源)83.2%，F(xiàn)2(焦炭源)16.8%?？梢娫偕鄥^(qū)土壤剖面PAHs的主要來源為煤的燃燒、汽車尾氣的排放和部分石油源的輸入。對清灌區(qū)表土的PAHs進行主成分分析，結(jié)果表明，前兩個因子說明了100%的方差，其中第一個主成分F1占方差的69.72%，第二個主成分F2占方差的30.28%，因此這兩個主因子可以說明PAHs的污染來源。由表4.15可以看出，第一個主成分F1在變量苯并［a］芘、苯并［b］熒蒽、苯并［g，h，i］苝、苯并［a］蒽、熒蒽、芘、屈、茚并［1，2，3-cd］芘上有高的正負荷，同時也可以看出主要是高環(huán)的PAHs。根據(jù)上面的文獻報道可得出，第一主成分F1可表征的污染源為煤的燃燒、汽車尾氣的排放。表4.15 清灌區(qū)土壤的主因子載荷注:用主成分分析法提取出兩個因子。第二個主成分F2在菲、芴上有較高的正負荷，反映的是低環(huán)的PAHs。第二個主成分F2可表征的污染源為焦炭源。運用SPSS對主因子分析所得的結(jié)果進行多元回歸分析，進一步估算每種PAHs源的貢獻率，得出的回歸方程為∑PAHs=0.981F1+0.193F2根據(jù)因子貢獻率公式可以計算出，再生水灌區(qū)土壤PAHs污染中兩個主因子的貢獻率分別為F1(煤的燃燒、汽車尾氣)83.6%，F(xiàn)2(焦炭源)16.4%?？梢娗骞鄥^(qū)土壤剖面PAHs的主要來源為煤的燃燒和汽車尾氣的排放。從以上分析可以看出，3個灌區(qū)土壤的PAHs污染來源主要是煤的燃燒、汽車尾氣的排放、焦炭源和石油源，只是各個污染源所占的比重不同而已。因此控制北京地區(qū)汽車的保有量，加強清潔能源的推廣，繼續(xù)縮減煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的比重，并加強石油儲藏、運輸過程中的管理，可以有效地減少PAHs的污染。這里需要說明的是，由于PAHs在環(huán)境中可能會因揮發(fā)、淋濾、降解、光解等過程而產(chǎn)生損失或丟失，造成“源”信息的失真，在一定程度上影響了其有效地示蹤環(huán)境中該類污染物的來源。如本研究中由于污水的長期灌溉，使低環(huán)的PAHs會向下層土壤中遷移，因此表土中低環(huán)PAHs的含量會不斷地發(fā)生變化，從而導致表土的PAHs的組成發(fā)生相應的變化，進而影響PAHs的來源分析。此外灌溉用水沿渠道流動水質(zhì)的改變也會影響到PAH來源的判別。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。