X市工業(yè)污染物排放的主成分分析評(píng)價(jià)案例綜述目錄X市工業(yè)污染物排放的主成分分析評(píng)價(jià)案例綜述 1 11.2行業(yè)間主成分分析 2 2 6 8 111.3.1研究對(duì)象 1.4小結(jié) 181.1主成分分析法簡(jiǎn)介主成分分析法的原理是將原始變量xj(j=1,2……n)經(jīng)過(guò)主成分分析后得到新變量yi(j=1,2……n),他們是xj的坐標(biāo)系在原坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)平移和正交化處理后得到的變量，稱(chēng)y;為m維主超平面。在這個(gè)新平面內(nèi)，第一成分yi對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)變異(貢獻(xiàn)值λ1)最大的方向，對(duì)于yj(j=1,2……n)依次存在著λ1>λ2>…>2S錯(cuò)誤!未找到引用源。錯(cuò)誤!未找到引用源。主成分分析是將多個(gè)實(shí)測(cè)變量轉(zhuǎn)化為幾個(gè)不相關(guān)的變量，實(shí)現(xiàn)降維，通過(guò)用較少的變量綜合各變量中的各類(lèi)信息，而轉(zhuǎn)化后的不相關(guān)變量之間彼此不存在相關(guān)關(guān)系，即各指標(biāo)代表的信息不重疊。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用相關(guān)系數(shù)矩陣R,通過(guò)計(jì)算特征方程的特征值λi特征向量主成分貢獻(xiàn)率Pi(公各組分得分Zi(i=1,2,3……)(公式5-3),再通過(guò)加權(quán)方法，得到主成分得分Z(公公式5-1中，Pi代表主成分貢獻(xiàn)率，λi代表特征方程的特征值；公式5-2中，Pm代表累計(jì)貢獻(xiàn)率，n為維數(shù)，即參與主成分分析的變量個(gè)數(shù)；公式5-3Z;表第m個(gè)變量對(duì)應(yīng)系數(shù)；公式5-4中，n表示滿(mǎn)足累計(jì)貢獻(xiàn)率>80%的前n個(gè)主成1.2行業(yè)間主成分分析加工業(yè)、食品制造業(yè)、酒、飲料和精制茶制造業(yè)、煙草制品業(yè)、紡織業(yè)在內(nèi)的38個(gè)行業(yè)，通過(guò)對(duì)比排放情況(詳細(xì)見(jiàn)第二章討論與小結(jié)),從38個(gè)行業(yè)中選物、氨、氮六個(gè)指標(biāo)，并且通過(guò)排放量對(duì)比(見(jiàn)第二章2-3討論與小結(jié)),選定品業(yè)、廢棄資源綜合利用業(yè)在內(nèi)的8個(gè)行業(yè)進(jìn)行分析。其中，非金屬礦物噸；化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)的氨排放最為嚴(yán)重，占到了全行業(yè)的25.53%,排放量為26.471062噸；顆粒物排放主要集中在非金屬礦物制品業(yè)，占63.10%,排放52043.303557噸；有機(jī)物揮發(fā)排放量大的行業(yè)有橡膠和塑料制品業(yè)以及非比83.090%,排放15279.352905噸；汞排放主要集中在非金屬礦物制品業(yè)，占比達(dá)到96.490%,排放量為1.5316766噸；鉻排放主要集中于化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)，占比49.65%,排放0.050778噸；鎘排放較為平均，在所有行業(yè)中排放量相差不大。(表4-1、表4-2)對(duì)于廢水排放而言，本文選取了氨氮、鎘、鉻、化學(xué)需氧量(COD)、鉛、砷、石油類(lèi)、總氮、總磷排放量指標(biāo)在內(nèi)的11種排放量指標(biāo)(龍巖市揮發(fā)酚基本不存在排放，故不作分析)。并且通過(guò)排放量對(duì)比(見(jiàn)第二章2-3討論與小結(jié))全行業(yè)排放的48.510%、61.140%、95.9%%、61.640%,排放量分別為0.2242萬(wàn)為0.035731萬(wàn)噸、0.000289萬(wàn)噸；揮發(fā)酚均不存在排放情況；石油類(lèi)、總氮排放較為平均，無(wú)占比異常高行業(yè)。(表4-3、表4-4)氨鎘鉻汞木材加工和木、竹、化學(xué)原料和化學(xué)制品氨鎘鉻汞木材加工和木、9橡膠和塑料制品業(yè)8非金屬礦物制品業(yè)67廢棄資源綜合利表4-3選定行業(yè)各廢水排放指標(biāo)占比表鎘鉻汞黑色金屬礦采選業(yè)%化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)電氣機(jī)械和器材制黑色金屬礦采選業(yè)鉛0石油%總氮總磷%化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)電氣機(jī)械和器材制%%%表4-4選定行業(yè)廢水污染物排放量(單位：噸)氨氮(萬(wàn)噸)鎘鉻汞(萬(wàn)噸)黑色金屬礦采選業(yè)400業(yè)670040000000000化學(xué)原料和化學(xué)009有色金屬冶煉和260電氣機(jī)械和器材400業(yè)20鉛氰化物砷石油類(lèi)(萬(wàn)噸)總氮(萬(wàn)噸)總磷(萬(wàn)噸)黑色金屬礦采選業(yè)050業(yè)60915009005096化學(xué)原料和化學(xué)615有色金屬冶煉和128電氣機(jī)械和器材業(yè)762613首先對(duì)8個(gè)行業(yè)的6項(xiàng)廢氣排放指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如表4-5所示。從表4-5可知：顆粒物排放量的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，為18008.64311,說(shuō)明不同行業(yè)間顆粒物的排放量存在很明顯的差距，而鉻、鎘、汞的方差最小，從數(shù)據(jù)可知，這三項(xiàng)指標(biāo)的排放量都不大，所以差別不大。標(biāo)準(zhǔn)偏差二氧化硫鎘00氨0鉻0汞0經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得出主成分提取分析表(表4-6)主成分的提取原則是主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)度>80%的前n個(gè)主成分。前兩個(gè)特征值的貢獻(xiàn)度已經(jīng)達(dá)到82.767%,符合提取要求。故，提取前兩個(gè)特征值作為解釋變量，從而也達(dá)到了關(guān)關(guān)系(顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物之間的相關(guān)性最低，也達(dá)到了0.687),鉻和鎘之間明顯相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.997。由表4-8可知，第一成分主要反映的是二和氨。表4-9反映的是各主成分值及綜合得分。表4-6選定行業(yè)各廢氣排放量主成分提取分析結(jié)果提取載荷平方和1總計(jì)23456708表4-7廢氣污染指標(biāo)相關(guān)系數(shù)二氧化硫鎘氨鉻汞二氧化硫鎘氨鉻汞12二氧化硫鎘氨鉻汞主成分1排名57木材加工和木、竹、藤、棕、842316由主成分分析結(jié)果可知：在選定的8個(gè)行業(yè)中，非金屬礦物制品行業(yè)的廢氣排放情況較差，通過(guò)主成分分析模型得到最終得分為7.584,遠(yuǎn)大于排名第二的化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)，其綜合得分僅為-0.345。(表4-9)對(duì)于非金屬礦物制品業(yè)而言，該行業(yè)二氧化硫、顆粒物、氮氧化物、汞污染排放量都非常之大，均占到了全部行業(yè)排放量的一半以上(第二次污染普查報(bào)告工業(yè)源廢氣排放情況共統(tǒng)計(jì)的行業(yè)有38個(gè)),尤其是汞排放，占到了總排放的96.49%(表4-1)。這種情況的產(chǎn)生與行業(yè)性質(zhì)有關(guān)，想要改善龍巖市當(dāng)前廢氣排放現(xiàn)狀，接下來(lái)需要多加注意非金屬礦物制品業(yè)的排放情況，針對(duì)性的提出整改意見(jiàn)。1.2.3工業(yè)廢水排放特征分析首先對(duì)10個(gè)行業(yè)的11項(xiàng)廢水排放指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如表4-10所示。從表4-10可知：相較而言，鉛排放指標(biāo)的方差較大，為0.087908526,但就廢水排放指標(biāo)而言，整個(gè)龍巖市各行業(yè)的排放量相對(duì)于廢氣排放而言要少很多，說(shuō)明廢水排放控制效果較好。標(biāo)準(zhǔn)偏差鎘0鉻0汞00鉛00砷0石油0總氮總磷0經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得出主成分提取分析表(表4-11)主成分的提取原則是主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)度>80%的前n個(gè)主成分。前三個(gè)特征值的貢獻(xiàn)度已經(jīng)達(dá)到90.881%,符合提取要求。故，提取前三個(gè)特征值作為解釋變量，達(dá)到降維的作用。此外，表4-14反應(yīng)的是各個(gè)廢水污染指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，由表4-12可知，鉛和鎘、鉻和化學(xué)需氧量(COD)、砷和化學(xué)需氧量(COD)之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)>80%)。綜合表4-13可得，第一成分主要反映的是鉻、鎘、化學(xué)需氧量、鉛、氰化物、砷、總氮；第二成分主要反映的是氨氮第三成分反映的是總磷。表4-14反映的是各主成分值及綜合得分。成分初始特征值提取載荷平方和123總計(jì)總計(jì)456789表4-12廢水污染指標(biāo)相關(guān)系數(shù)鎘鉻汞鉛砷石油總氮總磷鎘鉻汞鉛砷總氮總磷表4-13廢氣污染指標(biāo)主成分荷載矩陣123鎘鉻汞鉛砷總氮總磷表4-14各行業(yè)主成分值及綜合得分黑色金屬礦采選業(yè)72346 有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)11.376-0.844-0.0445.4981由主成分分析結(jié)果可知：在選定的10個(gè)行業(yè)中，有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)的廢水排放情況比較糟糕，通過(guò)主成分分析模型得到最終得分為5.498,而第二名是有色金屬礦采選業(yè)，得分3.681。對(duì)于有色金屬冶煉和壓延加工業(yè)而言，氨氮、鎘、汞、鉛排放量都很大，其中汞排放占到了總排放量的95.9%。而該行業(yè)汞排放總量為0.043279噸，從數(shù)據(jù)上來(lái)看，該行業(yè)還需要控制幾項(xiàng)污染指標(biāo)的排放情況。對(duì)于有色金屬礦采選業(yè)而言，影響其排名第二的主要污染指標(biāo)在于砷、鉻、氰化物排放指標(biāo)，其中氰化物占到了總體排放的97.25%,想要真正控制龍巖市氰化物、汞排放量，相關(guān)部門(mén)需要從這兩個(gè)行業(yè)入手。1.3區(qū)縣間主成分分析1.3.1研究對(duì)象遵循科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性原則，本文選取了龍巖市第二次污染普查報(bào)告工業(yè)源中的數(shù)據(jù)。龍巖市一共有7個(gè)區(qū)縣，分別為新羅區(qū)、永定縣、長(zhǎng)汀縣、上杭縣、武平縣、連城縣以及漳平市。針對(duì)廢氣污染物，選取了二氧化硫、有機(jī)揮發(fā)物、氨氮化物、鉻、顆粒物、汞六項(xiàng)排放指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(其他主要廢氣排放物排放情況較為集中，其中鉛、砷、鎘排放主要集中在上杭縣，占到了排放總量的93.11%、98.05%、93.54%,氨排放主要集中在新羅區(qū)，占到了總排放的81.78%)。針對(duì)廢水污染物，選取了氨氮、鎘、鉻、汞、化學(xué)需氧量(COD)、鉛、砷、石油類(lèi)、總氮、總磷排放量指標(biāo)在內(nèi)的10種排放量指標(biāo)(龍巖市揮發(fā)酚基本不存在排放，氰化物只在上杭縣排放故不作分析)。(萬(wàn)噸)(萬(wàn)噸)鉻(萬(wàn)噸)汞新羅區(qū)永定區(qū)上杭縣表4-16各區(qū)縣廢水污染物排放量(單位：噸)氨氮(萬(wàn)噸)鎘鉻汞新羅區(qū)61永定區(qū)460029武平縣1220漳平市02鉛砷(萬(wàn)噸)總氮(萬(wàn)噸)總磷(萬(wàn)噸)新羅區(qū)10永定區(qū)929413武平縣1900漳平市081.3.2工業(yè)廢氣排放特征分析首先對(duì)6項(xiàng)廢氣排放指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如表4-17所示。從表4-17可知：有機(jī)物揮發(fā)排放量的方差最大，為1565.36769,說(shuō)明不同區(qū)縣間有機(jī)物揮發(fā)排放量存在很明顯的差距，而其他五項(xiàng)指標(biāo)的方差都不大，從數(shù)據(jù)可知，這三項(xiàng)指標(biāo)的排放量都不大，所以差別不大。鉻汞經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得出主成分提取分析表(表4-18)主成分的提取原則是主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)度>80%的前n個(gè)主成分。用一個(gè)特征值的貢獻(xiàn)度已經(jīng)達(dá)到82.659%,符合提取要求。故，提取一個(gè)特征值作為解釋變量，達(dá)到了降維的作用。此外，表4-19反應(yīng)的是各個(gè)廢氣污染指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，表4-20反映的是各污染物排放量的主成分荷載矩陣。表4-21反映的是各主成分值及綜合得分。提取載荷平方和1總計(jì)23456鉻汞二氧化硫111鉻11汞11二氧化硫鉻汞主成分1綜合排名新羅區(qū)1永定區(qū)37456漳平市2由主成分分析結(jié)果可知：在龍巖市7個(gè)區(qū)縣內(nèi)，新羅區(qū)的廢氣排放污染情況最為嚴(yán)重，其主成分分析綜合得分為10.278(表4-21),遠(yuǎn)大于其他區(qū)縣，由表4-15可知，新羅區(qū)各項(xiàng)污染物排放量均為第一(鉻排放除外，鉻排放為第二名),由此可知，新羅區(qū)工業(yè)廢氣污染最為嚴(yán)重。分析原因可知，新羅區(qū)為龍巖市工業(yè)大區(qū)，其工業(yè)綜合排名在《2018年中國(guó)工業(yè)排放百?gòu)?qiáng)區(qū)》中位列第65名，新羅區(qū)也是龍巖市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的“排頭兵”,是全省煤炭產(chǎn)銷(xiāo)的主要集中地，有很多龍頭企業(yè)也落戶(hù)于新羅區(qū)，其污染排放量遠(yuǎn)大于其他區(qū)縣是較為合理的，也因如此，想要降低龍巖市工業(yè)污染排放情況，更應(yīng)該把注意力放在新羅區(qū)。1.3.3工業(yè)廢水排放特征分析首先對(duì)龍巖市7個(gè)區(qū)縣的10項(xiàng)廢水排放指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如表4-22所示。從表4-22可知：廢水中的鎘、鉻、汞、砷在某些區(qū)縣內(nèi)不存在排放情況，鉛排放在區(qū)縣間的差異較大。標(biāo)準(zhǔn)偏差鎘0鉻0汞0鉛砷0石油總氮總磷經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得出主成分提取分析表(表4-23)主成分的提取原則是主成分對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)度>80%的前n個(gè)主成分。前三個(gè)特征值的貢獻(xiàn)度已經(jīng)達(dá)到91.222%,符合提取要求。故，提取前三個(gè)特征值作為解釋變量，達(dá)到降維的作用。此外，表4-24反應(yīng)的是各個(gè)廢水污染指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，由表4-24、4-25可知氨氮、鎘、汞、COD、砷、總氮主要由第一主成分解釋?zhuān)皖?lèi)主要依靠第三主成分解釋。鉻主要靠第一第二主成分共同解釋。表4-26反映的是各主成分值及綜合得分。提取載荷平方和1總計(jì)總計(jì)方差百分比累積%2345678表4-24廢水污染指標(biāo)相關(guān)系數(shù)鎘鉻汞鉛砷石油總氮總磷1鎘1鉻1汞11鉛1砷11總氮1總磷1表4-25廢水污染指標(biāo)主成分荷載矩陣鎘鉻汞鉛砷總氮總磷表4-26各行業(yè)主成分值及綜合得分主成分1排名新羅區(qū)2永定區(qū)561武平縣47漳平市3最為嚴(yán)重，其主成分分析綜合得分為11.313(表4-26),遠(yuǎn)大于其他區(qū)縣，由表4-16可知，在選定的廢水污染指標(biāo)中，上