胡 娟

（陜西省石泉縣水利局，陜西 石泉 725200）

地表水資源是區(qū)域水資源的重要組成,特別是秦巴地區(qū)近60%人口的生活用水來自地表徑流。隨著人類活動(dòng)強(qiáng)度加大，地表徑流的污染呈點(diǎn)、線、面日益蔓延，對(duì)居民飲水安全乃至環(huán)境發(fā)展帶來重大影響[1]。做好水資源調(diào)查與質(zhì)量測(cè)定的工作，有利于深入分析潛在的污染源，并為水資源管理和保護(hù)提供基礎(chǔ)信息。近年來針對(duì)水資源評(píng)價(jià)的方法可以分為多元統(tǒng)計(jì)分析、高階數(shù)學(xué)模數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等三種[2]，其中多元統(tǒng)計(jì)模型如TOPSIS法、熵權(quán)綜合指數(shù)法、投影尋蹤法等，高階數(shù)學(xué)模型如物元分析、科拓分析、D數(shù)理論等，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多的有BP、RBF、SVM等[3]。其中多元統(tǒng)計(jì)分析具有操作簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)過程直觀、方案可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而受到廣泛應(yīng)用。此外，GIS技術(shù)具有空間可視化能力也越來越多的應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)中。以石泉縣城區(qū)水源地水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用因子分析等方法對(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石泉縣地處秦巴山區(qū)中部漢江谷地中上游區(qū)域面積1525km2。區(qū)域?qū)贊h江流域，漢江自西向東穿流全境，南北兩側(cè)分屬巴山、秦嶺，形成谷地平原、山地、丘陵等復(fù)雜地形區(qū)，海拔介于328 m～2008 m之間。受季風(fēng)環(huán)流與海陸位置效應(yīng)，形成北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，季候分明、溫暖濕潤，年均溫氣溫14.5℃，降水量873.9 mm，雨熱同季。石泉縣水資源豐富，以地表水資源位置，區(qū)域林草覆被程度高，達(dá)72%，自然生態(tài)環(huán)境良好。近年來隨著開發(fā)區(qū)、養(yǎng)殖業(yè)、工礦業(yè)的發(fā)展，局部徑流污染加劇。

1.2 水樣調(diào)查與測(cè)定分析

石泉縣城區(qū)飲用水水源地分兩處，一處位于城區(qū)西部漢江上游地段，一處位于湘子河水庫。根據(jù)水源地水域面積空間展布，遵循樣帶分布均衡性的要求，對(duì)漢江水源處采集36個(gè)樣點(diǎn)，對(duì)湘子河水源處采集24個(gè)樣點(diǎn)，并應(yīng)用GPS儀記錄樣點(diǎn)地理坐標(biāo)。將采集的樣品放置干燥、潔凈的玻璃瓶中，除了pH值、電導(dǎo)率(EC)、溶解性總固體(TDS)等在實(shí)地測(cè)試外，其他水質(zhì)指標(biāo)如總硬度(TH)、HCO3-、Cl-、SO42-、K＋、Ca2＋、Mg2＋等參考常規(guī)方法于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

以測(cè)定的11個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，先應(yīng)用3＋δ的方法剔除異常值隨后進(jìn)行主成分分析，其具體流程如下[4]：

①應(yīng)用Zscore函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，在此基礎(chǔ)上計(jì)算相關(guān)關(guān)系矩陣 R＝(rjk)：

式中，i為水質(zhì)樣點(diǎn)，j為水質(zhì)指標(biāo)序列，xij為第i個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的第j項(xiàng)指標(biāo)含量值。

②計(jì)算矩陣特征值，根據(jù)各分量方差貢獻(xiàn)率大于80%的原則確定成分個(gè)數(shù)。若降維分析得到m個(gè)特征值，則存在m個(gè)維度，每個(gè)維度有q個(gè)指標(biāo)，則各維度的重要性權(quán)值表示為：

式中，βij表示各指標(biāo)因子分子系數(shù)，ei表示方差貢獻(xiàn)率，ωi代表各子系統(tǒng)重要性權(quán)值。

③對(duì)各維度進(jìn)行主成分分析，基于權(quán)值進(jìn)行加權(quán)求和，得到各水質(zhì)樣點(diǎn)綜合得分值，即為水質(zhì)評(píng)價(jià)量值[5]。

2 石泉縣城區(qū)水源地水質(zhì)分析

2.1 石泉縣水源地水質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征

表1 石泉縣城區(qū)水源地水質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征

應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)描述石泉縣城區(qū)水源地水質(zhì)指標(biāo)基本特征。pH值是飲用水水質(zhì)重要衡量指標(biāo)，一般要求其為中至弱堿性水，本區(qū)水體pH值介于7.09～8.32之間，平均值為7.59，變異系數(shù)僅為3.32%，表明區(qū)域pH分布差異性較小，且滿足飲水安全標(biāo)準(zhǔn)。EC是水體中礦物質(zhì)含量溶解度的反映，本區(qū)水體重EC含量在0.53 ms～199.72 ms之間，均值為62.17 ms，變異系數(shù)達(dá)112.36%，呈強(qiáng)變異，水體中EC含量差異性較大。水庫水體中水陽離子中 Cl-、SO42-、HCO3-的濃度值分別介于 0.36～2.58、1.48～43.2、30.4～85.9、17.1～41.5 mg/L 之間，平均值依次是1.18、9.82、83.8、26.23 mg/L，從變異系數(shù)來看，均呈中等程度變異。。其中，Ca2＋濃度變異系數(shù)較小，且濃度值較大，是地下水中最主要的陽離子。庫區(qū)水體重水陰離子Cl－、SO42-、HCO3-濃度值分別在 2.58～59.29、1.48～56.43 和 109.73～345.73 mg/L 之間，其平均水平依次為12.99、12.27、201.73 mg/L。TH的含量范圍介于185.98～17.97 mg/L之間，平均值為106.94 mg/L。變異系數(shù)顯示，除了EC、K＋和Cl-的含量呈強(qiáng)變異之外，其他指標(biāo)均為中等程度變異。從水質(zhì)各項(xiàng)指含量來看，石泉縣城區(qū)水源地水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)均低于WHO(世界衛(wèi)生組織)飲用水標(biāo)準(zhǔn)限制，表明其水質(zhì)良好。

2.2 石泉縣城區(qū)水源地水質(zhì)主成分分析

將原始水質(zhì)數(shù)據(jù)予以標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用主成分分析提取方差貢獻(xiàn)率＞80的成分，共計(jì)有4特征成分，依次為5.32、4.14、3.22、1.09，與此同時(shí)其方差貢獻(xiàn)率依次達(dá)到39.51%、27.17%、14.86%、7.52%，累積方差貢獻(xiàn)率為89.06%，各因子得分系數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣如表2所示。

表2 主成分分析得分系數(shù)矩陣

將該系數(shù)值與方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行加權(quán)求和，即可得到水質(zhì)綜合指數(shù)中各項(xiàng)指標(biāo)Y1的重要性系數(shù)，結(jié)果如表3所示。統(tǒng)計(jì)分析表明，Y1的值域范圍介于-0.76～1.86之間，其綜合得分越高，表明水體質(zhì)量越差，反之說明水質(zhì)越優(yōu)。基于其值域范圍，劃分水質(zhì)等級(jí)，若水質(zhì)綜合指數(shù)介于[-0.76，0)，說明水體質(zhì)量良好，其值介于[0,1]，表明水質(zhì)呈中等，當(dāng)其值為(1,1.86]時(shí)，說明水體綜合質(zhì)量較差。

表3 綜合水質(zhì)指數(shù)Y1得分系數(shù)

2.3 石泉縣城區(qū)水質(zhì)空間可視化分析

在前述主成分分析的基礎(chǔ)上計(jì)算石泉縣城區(qū)水源地各水樣點(diǎn)的水體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并根據(jù)其指數(shù)大小采用普通kriging插值進(jìn)行空間可視化表達(dá)，得到結(jié)果如圖1所示?？芍瑵h江水源地水質(zhì)空間分布較為復(fù)雜，總體呈點(diǎn)狀離散分布，于水源地局部地區(qū)水質(zhì)較差，水質(zhì)綜合分?jǐn)?shù)＞1；大部分地區(qū)水質(zhì)綜合分?jǐn)?shù)在0～1之間，局域有斑點(diǎn)狀分布的水域其水質(zhì)綜合分?jǐn)?shù)＜0。統(tǒng)計(jì)分析顯示，漢江水源地中40個(gè)水質(zhì)樣點(diǎn)中有16個(gè)水質(zhì)樣點(diǎn)屬于良好級(jí)別，有25個(gè)屬于中等，另外9個(gè)樣點(diǎn)水質(zhì)較差。從湘子河水質(zhì)分布來看，庫區(qū)北部和南部水質(zhì)較差，達(dá)到較差級(jí)別，中部及大部分水域?qū)儆诹己眉?jí)。統(tǒng)計(jì)表明，湘子河水源地的24個(gè)水質(zhì)點(diǎn)中，有6個(gè)為較差等級(jí)，13個(gè)樣點(diǎn)為中等，另外5個(gè)為良好水平。從其分布形態(tài)來看，局部存在異常水質(zhì)樣點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，湘子河水源地局部水質(zhì)較差的樣點(diǎn)為人為活動(dòng)強(qiáng)烈和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)；而漢江水源地水域局部水質(zhì)較差則是暗樁引起植物殘?bào)w富集所致。

圖1 漢江和湘子河水源地水質(zhì)綜合分?jǐn)?shù)空間分布

3 結(jié)論

采用主成分分析和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)漢江和湘子河水庫兩處水源地水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該水源地水體中的陰離子、陽離子、礦質(zhì)成分含量以及pH基本達(dá)到因素飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)；整體水質(zhì)質(zhì)量處于中度以上較好的水平，但局部水質(zhì)較差，從其分布形態(tài)來看可知區(qū)域水質(zhì)存在部分點(diǎn)源污染，雖然污染程度低，但仍不可忽視，應(yīng)加強(qiáng)水環(huán)境治理。