李海軍

河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，地下水過量開采導(dǎo)致地下水位下降，城市污水、工業(yè)廢水的排放及污水灌溉增大了地表污水對(duì)地下水體的入侵，使地下水(特別是淺層地下水)嚴(yán)重受到有毒有害物質(zhì)的污染。因此，開展淺層地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文章以石家莊市區(qū)及周邊近兩年水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用主成分法對(duì)淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，旨在說明研究區(qū)域水質(zhì)環(huán)境的分布特征，為地下水的水質(zhì)評(píng)價(jià)及水污染防治提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究?jī)?nèi)容與研究方法

1.1 研究?jī)?nèi)容

石家莊市位于河北省中南部，西部為太行山，東部為遼闊的河北平原，北部有滹沱河穿過，地形西高東低［1］。其地下水主要為第四系地下水，可劃分為淺層和深層兩個(gè)地下水系統(tǒng)［2-3］，石家莊市主要以開采淺層地下水為主。石家莊市地下水總的分布規(guī)律是由北向南、由西向東、由淺變深，西北部邊緣地帶及山前以及滹沱河上游地帶水位埋深較淺，一般小于15m。

依據(jù)石家莊市的地理特性，以石家莊市區(qū)為中心，輻射周邊，研究區(qū)域包括7區(qū)4縣11個(gè)樣區(qū)（見圖1），分別為井陘縣、平山縣、靈壽縣、正定縣、鹿泉區(qū)、藁城區(qū)、欒城區(qū)、新華區(qū)、橋西區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)、裕華區(qū)。通過對(duì)近兩年的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，確定水位埋深6～100m的水樣作為分析對(duì)象，共計(jì)121組水質(zhì)監(jiān)測(cè)值（平均每區(qū)11組水樣）。

圖1 研究區(qū)域位置圖

1.2 研究方法

遵循科學(xué)性和可比性原則，并對(duì)照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93），對(duì)121組水樣水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，排除整體符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，最終選擇亞硝酸根（NO2-）、氨離子（NH4+）、氯離子（Cl-）、高錳酸鹽指數(shù)（CODcr）、硝酸根（NO3-）、硫酸根（SO42-）、溶解性總固體（TDS）、總硬度（以CaCO3計(jì)，H0）8項(xiàng)參數(shù)作為評(píng)價(jià)因子。

主成分分析（PCA）法是通過將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究，將少數(shù)的幾個(gè)假想變量以最少的信息丟失將眾多的觀測(cè)變量濃縮為少數(shù)幾個(gè)因子，是一種理論比較完善的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[4]。該方法解決了污染指數(shù)在區(qū)域上和評(píng)價(jià)指標(biāo)之間無法對(duì)比的問題，能夠整體反映地下水的污染狀況[5]，多用于水資源和水環(huán)境的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)[6-7]。

文章選用主成分分析的方法，通過對(duì)擬定的8項(xiàng)部分超標(biāo)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行降維分析，提取出主因子得分系數(shù)，將歸一化處理后的水質(zhì)參數(shù)與其對(duì)應(yīng)的得分系數(shù)值相乘求和得到各主因子分值，并按主因子的分值與其對(duì)應(yīng)的特征根相乘求和即可得到綜合評(píng)分。該法同樣適用于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的等級(jí)劃分。因此，按照區(qū)域?qū)?21組水樣的綜合評(píng)分分值的平均值與主成分分析后的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分分值進(jìn)行對(duì)比，即可劃分出不同區(qū)域的水質(zhì)等級(jí)[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析

利用SPSS軟件對(duì)121組水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)后，對(duì)8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的特征根和荷載進(jìn)行計(jì)算，以確定評(píng)價(jià)的主因子數(shù)，分析步驟如下。

（1）KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果見表1。由KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果可知，KMO值為0.557＞0.5，說明主成分分析效果較好，適合進(jìn)行因子分析；同樣，Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果的相伴概率為0.000＜0.05時(shí)，拒絕Bartlett球形檢驗(yàn)零假設(shè)，表明各項(xiàng)水質(zhì)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，可以做進(jìn)一步分析。

表1 KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果

（2）總方差分解表見表2。從表2中可以看出，統(tǒng)計(jì)分析將所有檢測(cè)數(shù)據(jù)分為兩個(gè)主成分因子，兩個(gè)因子變量的方差貢獻(xiàn)（特征根）分別為A1=3.501和A2=2.270；方差貢獻(xiàn)率分別為43.760%和28.375%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到72.135%，具有一定的整體代表性。

表2 總方差分解表

（3）先將所有水質(zhì)數(shù)據(jù)通過以下公式進(jìn)行歸一化變換處理：

式中：Xi為數(shù)值矩陣中第i項(xiàng)數(shù)值的歸一化后的值；xi為數(shù)值矩陣中第i項(xiàng)數(shù)值；xmax為數(shù)值矩陣中的最大值；xmin為數(shù)值矩陣中的最小值。

因子得分矩陣見表3。結(jié)合表3兩個(gè)主成分因子得分系數(shù)矩陣，計(jì)算兩個(gè)主成分的得分值，計(jì)算公式如下：

表3 因子得分矩陣

（4）通過每個(gè)主成分得分值與其對(duì)應(yīng)的特征根占所提取主因子總的特征根之和的權(quán)重相乘后求和，即可得到綜合主成分分值。公式如下：

由公式（2）、公式（3）、公式（4）計(jì)算得到各區(qū)域水質(zhì)的綜合得分值F，水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)越高，代表水質(zhì)越差.所得到的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)按區(qū)域求其平均值，并依大小排序，結(jié)果見表4。

表4 各區(qū)域水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值及綜合評(píng)價(jià)得分值

從表4中可以看出以下兩點(diǎn)：①從水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)均值上看，不同水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)數(shù)值的區(qū)域性規(guī)律并不明顯，而且各項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)性也存在一定的差異。其中，溶解性總固體（TDS）濃度范圍在500～800mg/L，水質(zhì)總硬度范圍在400～600mg/L；新華區(qū)亞硝酸根（NO2-）和氨離子（NH4+）的檢測(cè)均值最大，分別為0.133mg/L和0.19mg/L；井陘縣的氯化物（Cl-）、高錳酸鹽指數(shù)（CODcr）偏高；硫酸鹽（SO42-）、溶解性總固體（TDS）和總硬度（H0）濃度值則是井陘縣、長(zhǎng)安區(qū)、橋西區(qū)相對(duì)更高一些。②在主成分綜合評(píng)價(jià)方面，F(xiàn)值最小為靈壽縣，為0.164；最大為井陘縣，為0.333。各區(qū)域的水質(zhì)優(yōu)劣排序?yàn)殪`壽縣＞正定縣＞裕華區(qū)＞藁城區(qū)＞平山縣＞欒城區(qū)＞橋西區(qū)＞長(zhǎng)安區(qū)＞新華區(qū)＞鹿泉區(qū)＞井陘縣。靈壽縣的水質(zhì)較好，井陘縣水質(zhì)較差。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的綜合分析

參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）中的基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值，依次按步驟，對(duì)選取8項(xiàng)指標(biāo)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行主成分分析，以給出不同等級(jí)的綜合評(píng)判F值，以用于區(qū)域等級(jí)評(píng)價(jià)。主成分的分析結(jié)果見表5。

表5 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值 單位：mg/L

由表5得知，水質(zhì)綜合等級(jí)判定F值劃分區(qū)間分別如下：Ⅰ級(jí)F值范圍為≤0.01，Ⅱ級(jí)F值為0.01＜F值≤0.20，Ⅲ級(jí)F值為0.20＜F值≤0.51，Ⅳ級(jí)F值為0.51＜F值≤1.03，Ⅴ級(jí)F值范圍為＞1.03。由此判定石家莊市及周邊區(qū)域的淺層地下水的水質(zhì)等級(jí)，除了靈壽縣和正定縣的水質(zhì)屬于Ⅱ級(jí)，其余均屬于Ⅲ級(jí)水質(zhì)。

3 結(jié)論

文章通過采用主成分分析法將石家莊市區(qū)及周邊8項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)簡(jiǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立且功能明確的主成分，并結(jié)合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）對(duì)應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值的主成分評(píng)判結(jié)果，明確了研究區(qū)域內(nèi)淺層地下水的水質(zhì)等級(jí)情況。

（1）石家莊市區(qū)及周邊區(qū)域淺層地下水的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為靈壽縣＞正定縣＞裕華區(qū)＞藁城區(qū)＞平山縣＞欒城區(qū)＞橋西區(qū)＞長(zhǎng)安區(qū)＞新華區(qū)＞鹿泉區(qū)＞井陘縣。其中，靈壽縣和正定縣屬于Ⅱ級(jí)水質(zhì)，其余均屬于Ⅲ級(jí)水質(zhì)。

（2）主成分分析法在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)過程中能更好地反映水質(zhì)狀態(tài)，該方法具有一定的科學(xué)性和可行性，能夠?yàn)榈叵滤乃|(zhì)評(píng)價(jià)以及水污染防治提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。