任文穎 楊 柳 曹慶一

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

水質(zhì)分析是水污染判斷、分析和治理的重要環(huán)節(jié)，對保障水環(huán)境和居民用水安全具有重要意義。不同評價方法側(cè)重點各有不同，具有各自的優(yōu)缺點。單因子評價法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，主要利用實測數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對比，選取水質(zhì)最差的類別作為最終評價結(jié)果[1-2]。該方法可以檢測評價指標(biāo)的超標(biāo)倍數(shù)，反映不同污染物對水體的污染程度。綜合污染指數(shù)法是一個綜合評價水質(zhì)污染情況的指數(shù)，常用于對河流水質(zhì)的綜合評價[3]。但綜合污染指數(shù)法一般會涉及多種元素，每種元素之間存在區(qū)別和聯(lián)系，水質(zhì)的劃分等級沒有確定的界限。主成分分析法采用降維的處理思想對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出引起水質(zhì)變化且比原有指標(biāo)少的重要參數(shù)，這些參數(shù)可以代表大部分的信息，可以以此分析引起水質(zhì)狀況變化的主要影響因素[4-5]。

柳州市地處廣西中部偏東北，以山地和丘陵地貌為主，年平均氣溫18.1～19.4℃，年降雨量1345～1940mm，境內(nèi)河流眾多，水系發(fā)達(dá)。城中水廠、柳西水廠、柳東水廠、柳南水廠以及柳鐵水廠均取水于柳江，是柳州市的主要供水來源，位于柳江干流的還有自備水源地新圩水廠和柳鋼水廠；而柳東新區(qū)水廠臨時取水于洛清江；古償河水庫的取水水源為古償河流域。

本文以2018年柳州市水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取應(yīng)用廣泛的單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法以及主成分分析法進(jìn)行水質(zhì)綜合評價。

1 數(shù)據(jù)來源與評價方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于柳州市2018年水質(zhì)監(jiān)測報告，共選取了溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、氰化物(CN)、砷(As)、六價鉻(Cr6+)7個指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，具體數(shù)據(jù)見表1。柳東水廠、城中水廠、柳南水廠、柳西水廠、柳鐵水廠等水廠取水水質(zhì)監(jiān)測位置見圖1。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測點位置示意圖

表1 2018年柳州市飲用水水源地水質(zhì)數(shù)據(jù) 單位：mg/L

1.2 評價方法

1.2.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法的計算公式為[6]

(1)

式中：Pi為污染因子i的單因子指數(shù)；Ci為污染因子i的實測濃度值，mg/L；Ci0為污染因子i的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L，標(biāo)準(zhǔn)值參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)各級水質(zhì)限值[7]。

對于溶解氧，其水質(zhì)指標(biāo)為

(2)

(3)

若水質(zhì)評價參數(shù)的Pi>1，則表明該水質(zhì)參數(shù)超過了規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)越大，說明該水質(zhì)超標(biāo)越嚴(yán)重。

1.2.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是在各因子的污染指數(shù)的基礎(chǔ)上，計算出綜合污染指標(biāo)并根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)分級[8]。污染指數(shù)計算公式為

(4)

(5)

式中：Pi為污染因子i的污染指數(shù)；n為參與水質(zhì)評價的指標(biāo)個數(shù)。

水質(zhì)綜合污染指數(shù)評價的標(biāo)準(zhǔn)為[9]：P<0.20，水質(zhì)狀況好；0.20≤P<0.40，水質(zhì)狀況較好；0.40≤P<0.70，水質(zhì)輕度污染；0.70≤P<1.00，水質(zhì)中度污染；1.00≤P<2.00，水質(zhì)重污染；P≥2.0，水質(zhì)嚴(yán)重污染。

1.2.3 主成分分析法

主成分分析法的主要步驟如下：首先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，DO為正向指標(biāo)(數(shù)值越大，水質(zhì)越好)，對DO進(jìn)行逆向化處理；其次計算相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值和特征向量并確定主成分個數(shù)；最后計算主成分系數(shù)矩陣，求取各主成分的得分以及綜合得分，并對水質(zhì)進(jìn)行分析[10-11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因子指數(shù)法

《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類中規(guī)定集中式生活飲用地表水源地一級保護(hù)區(qū)應(yīng)滿足Ⅱ類水質(zhì)要求。由于柳州市集中式地表飲用水水源地取水口均位于一級保護(hù)區(qū)內(nèi)，故本次以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅱ類水為基準(zhǔn)對柳州市地表水水質(zhì)進(jìn)行評價。

根據(jù)計算結(jié)果，Pi值均小于1，可以看出柳州市所有采樣點水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)超標(biāo)指標(biāo)，見表2。

表2 基于單因子指數(shù)的水質(zhì)評價結(jié)果

2.2 綜合污染指數(shù)法

由表3綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果可以看出，處于較好水平的柳州飲用水水源占比46.2%，其余均在水質(zhì)狀況好的水平，所有監(jiān)測斷面檢出值均在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

表3 基于綜合污染指數(shù)法的水質(zhì)評價結(jié)果

2.3 主成分分析法

2.3.1 數(shù)據(jù)處理和檢驗

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，首先要進(jìn)行KMO和Bartlett檢驗，KMO值越大，且顯著性小于0.05時，越適合進(jìn)行主成分分析[12]。根據(jù)檢驗結(jié)果，取水水質(zhì)指標(biāo)的KMO值為0.641，顯著性為0，說明數(shù)據(jù)適合進(jìn)行主成分分析。

本文利用SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，由表4相關(guān)性分析結(jié)果可知，六價鉻與其他污染物之間的聯(lián)系最為緊密，除與溶解氧之間的相關(guān)系數(shù)為0.176外，與其余5種污染物的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.500以上，其中與氰化物之間的相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到了0.999。除此之外，五日生化需氧量與氰化物、化學(xué)需氧量與氰化物、溶解氧與氨氮之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了-0.808、0.875和-0.652，由此可見，所選取指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性。

表4 柳州城市飲用水水源水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性矩陣

2.3.2 確定主成分個數(shù)

對所選指標(biāo)進(jìn)行主成分方差分析可知(見表5)，特征值大于1的值有兩個，分別為4.379、1.915；方差貢獻(xiàn)率分別為62.553%、27.351%，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到89.904%。這兩個主成分可以反映數(shù)據(jù)的大多數(shù)信息，分別記為F1和F2。F1的方差貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于F2。因此，所選斷面的污染物主要體現(xiàn)在F1中。

表5 各水質(zhì)指標(biāo)的主成分方差貢獻(xiàn)率

2.3.3 相關(guān)因子分析

在初始載荷矩陣中(見表6)，主成分F1在六價鉻、氰化物、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量上具有較高載荷，這四類指標(biāo)可以作為評價水質(zhì)的主要影響指標(biāo)。主成分F1可以總體反映六價鉻、氰化物、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量的濃度水平，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.976、0.979、0.893、-0.848，除了五日生化需氧量，其余均呈正相關(guān)性。而在主成分F2中，相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)是溶解氧和氨氮，分別為-0.940和0.855，說明主成分F2更能解釋溶解氧和氨氮的污染情況。

表6 各水質(zhì)指標(biāo)的初始載荷矩陣

主成分F1的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主成分F2，故與主成分F1相關(guān)的主要因子可以作為影響水質(zhì)的主要因子。相關(guān)系數(shù)最高的六價鉻是反映工業(yè)污染的指標(biāo)之一，它可能來源于柳州市飲用水源重點影響區(qū)范圍內(nèi)的工業(yè)污染?；瘜W(xué)需氧量和五日生化需氧量是反映有機(jī)污染物的重要指標(biāo)。根據(jù)2018年柳州市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的環(huán)境調(diào)查報告，飲用水水源保護(hù)區(qū)內(nèi)COD的主要污染來源是工業(yè)污染，其次是生活污水污染。

2.3.4 主成分計算公式及綜合得分

各指標(biāo)的水質(zhì)載荷矩陣是初始因子載荷矩陣除以其對應(yīng)主成分特征值的平方根求得的結(jié)果，見表7。主成分表達(dá)式是主成分載荷矩陣乘以標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)之后再累加得到的，綜合得分表達(dá)式根據(jù)主成分對應(yīng)特征值的所占比重得到。本文得到兩個主成分表達(dá)式，即式(6)、式(7)，綜合表達(dá)式見式(8)。

表7 各水質(zhì)指標(biāo)的主成分載荷矩陣

F1=0.128ZX1+0.427ZX2-0.405ZX3+0.215ZX4

+0.468ZX5-0.393ZX6+0.466ZX7

(6)

F2=-0.679ZX1+0.189ZX2+0.259ZX3+0.618ZX4

+0.618ZX5+0.212ZX6+0.066ZX7

(7)

(8)

根據(jù)式(6)～式(8)計算結(jié)果及綜合排名情況，水質(zhì)分?jǐn)?shù)越高，水質(zhì)越差，污染越嚴(yán)重，見表8。由研究結(jié)果可知，水質(zhì)最好的是柳東水廠，最差的是柳東新區(qū)水廠。

表8 基于主成分分析法的水質(zhì)得分情況

2.4 不同評價方法的綜合分析

從表9的綜合結(jié)果來看，采用單因子指數(shù)法可以明確水質(zhì)類別，計算得出柳州市水質(zhì)均達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)要求，未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；但該方法弱化了其他指標(biāo)對水質(zhì)的影響。相比單因子指數(shù)法，綜合污染指數(shù)法的分級標(biāo)準(zhǔn)更加細(xì)致，考慮了所有指標(biāo)，可以判斷出指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值接近程度。計算結(jié)果得出的綜合污染指數(shù)均小于0.40，基本滿足檢出值在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)、個別項目接近或超標(biāo)的分級依據(jù)。由此可見，兩種評價結(jié)果基本一致。相較前兩種評價方法，主成分分析法的水質(zhì)評價結(jié)果劣于單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法。主成分分析法雖然不能劃分水質(zhì)狀況的類別，但可以分析水質(zhì)狀況變化的主要因素及主要影響指標(biāo)。根據(jù)SPSS軟件計算，提取主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為89.90%，可以代表原始信息中的大部分指標(biāo)。其中主成分F1的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了62.55%，與其相關(guān)的指標(biāo)對水質(zhì)的影響較大，可以說明水質(zhì)變化的大部分情況，影響水質(zhì)的主要污染物有六價鉻、氰化物、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量；主成分F2占到了27.35%的貢獻(xiàn)率，溶解氧和氨氮是解釋主成分F2的主要指標(biāo)。根據(jù)評分排名，水質(zhì)較差的有柳鐵水廠、柳東新區(qū)水廠、古償河水庫2號、古償河水庫5號，與綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果趨勢有所差異，這可能是指標(biāo)之間相關(guān)性的差異導(dǎo)致的。

表9 不同評價方法的柳州飲用水水源水質(zhì)綜合評價結(jié)果

3 結(jié) 語

單因子指數(shù)法計算簡單，可以直接判斷水質(zhì)類別，但計算結(jié)果強(qiáng)化了單一指標(biāo)的影響。綜合污染指數(shù)法綜合考慮了多種水質(zhì)因子的污染影響，并可以劃分出不同的水質(zhì)等級，但無法判斷水質(zhì)類別。主成分分析法可以分析水質(zhì)的主要污染指標(biāo)，并推斷污染來源，但對于監(jiān)測指標(biāo)的選取會影響到相關(guān)性程度，從而影響評價結(jié)果。

采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法及主成分分析法進(jìn)行綜合評價，可以實現(xiàn)定性評價和定量評價相結(jié)合，細(xì)化同一水質(zhì)等級下的水質(zhì)狀況，并能反映引起水質(zhì)變化的主要影響因子。本文以柳州市為例進(jìn)行水質(zhì)分析，所選取水樣均達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)等級，水質(zhì)狀況良好，影響水質(zhì)的主要污染物為六價鉻、氰化物、化學(xué)需氧量及五日生化需氧量。

進(jìn)一步區(qū)分水質(zhì)狀況有利于更好地改善水環(huán)境質(zhì)量，保證飲用水的正常供給。綜合考慮不同評價方法進(jìn)行水質(zhì)分析，可以獲取更多的潛在信息，使評價結(jié)果滿足社會生活的需要。