基于不同评价方法的柳州市水质分析

任文颖 杨 柳 曹庆一

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

水质分析是水污染判断、分析和治理的重要环节，对保障水环境和居民用水安全具有重要意义。不同评价方法侧重点各有不同，具有各自的优缺点。单因子评价法是目前应用最广泛的方法，主要利用实测数据和标准限值进行对比，选取水质最差的类别作为最终评价结果[1-2]。该方法可以检测评价指标的超标倍数，反映不同污染物对水体的污染程度。综合污染指数法是一个综合评价水质污染情况的指数，常用于对河流水质的综合评价[3]。但综合污染指数法一般会涉及多种元素，每种元素之间存在区别和联系，水质的划分等级没有确定的界限。主成分分析法采用降维的处理思想对水质数据进行处理，提取出引起水质变化且比原有指标少的重要参数，这些参数可以代表大部分的信息，可以以此分析引起水质状况变化的主要影响因素[4-5]。

柳州市地处广西中部偏东北，以山地和丘陵地貌为主，年平均气温18.1～19.4℃，年降雨量1345～1940mm，境内河流众多，水系发达。城中水厂、柳西水厂、柳东水厂、柳南水厂以及柳铁水厂均取水于柳江，是柳州市的主要供水来源，位于柳江干流的还有自备水源地新圩水厂和柳钢水厂；而柳东新区水厂临时取水于洛清江；古偿河水库的取水水源为古偿河流域。

本文以2018年柳州市水质数据为基础，选取应用广泛的单因子指数法、综合污染指数法以及主成分分析法进行水质综合评价。

1 数据来源与评价方法

1.1 数据来源

本文数据来源于柳州市2018年水质监测报告，共选取了溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、氰化物(CN)、砷(As)、六价铬(Cr6+)7个指标进行数据分析，具体数据见表1。柳东水厂、城中水厂、柳南水厂、柳西水厂、柳铁水厂等水厂取水水质监测位置见图1。

图1 水质监测点位置示意图

表1 2018年柳州市饮用水水源地水质数据 单位：mg/L

1.2 评价方法

1.2.1 单因子指数法

单因子指数法的计算公式为[6]

(1)

式中：Pi为污染因子i的单因子指数；Ci为污染因子i的实测浓度值，mg/L；Ci0为污染因子i的标准值，mg/L，标准值参考《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)各级水质限值[7]。

对于溶解氧，其水质指标为

(2)

(3)

若水质评价参数的Pi>1，则表明该水质参数超过了规定的水质标准限值，水质参数的标准指数越大，说明该水质超标越严重。

1.2.2 综合污染指数法

综合污染指数法是在各因子的污染指数的基础上，计算出综合污染指标并根据评价标准分级[8]。污染指数计算公式为

(4)

(5)

式中：Pi为污染因子i的污染指数；n为参与水质评价的指标个数。

水质综合污染指数评价的标准为[9]：P<0.20，水质状况好；0.20≤P<0.40，水质状况较好；0.40≤P<0.70，水质轻度污染；0.70≤P<1.00，水质中度污染；1.00≤P<2.00，水质重污染；P≥2.0，水质严重污染。

1.2.3 主成分分析法

主成分分析法的主要步骤如下：首先将原始数据进行标准化处理，DO为正向指标(数值越大，水质越好)，对DO进行逆向化处理；其次计算相关系数矩阵、特征值和特征向量并确定主成分个数；最后计算主成分系数矩阵，求取各主成分的得分以及综合得分，并对水质进行分析[10-11]。

2 结果与讨论

2.1 单因子指数法

《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)水域功能和标准分类中规定集中式生活饮用地表水源地一级保护区应满足Ⅱ类水质要求。由于柳州市集中式地表饮用水水源地取水口均位于一级保护区内，故本次以《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅱ类水为基准对柳州市地表水水质进行评价。

根据计算结果，Pi值均小于1，可以看出柳州市所有采样点水质标准均达到Ⅱ类水质标准，未出现超标指标，见表2。

表2 基于单因子指数的水质评价结果

2.2 综合污染指数法

由表3综合污染指数法评价结果可以看出，处于较好水平的柳州饮用水水源占比46.2%，其余均在水质状况好的水平，所有监测断面检出值均在标准内。

表3 基于综合污染指数法的水质评价结果

2.3 主成分分析法

2.3.1 数据处理和检验

在进行数据处理之前，首先要进行KMO和Bartlett检验，KMO值越大，且显著性小于0.05时，越适合进行主成分分析[12]。根据检验结果，取水水质指标的KMO值为0.641，显著性为0，说明数据适合进行主成分分析。

本文利用SPSS 软件对数据进行分析及处理，由表4相关性分析结果可知，六价铬与其他污染物之间的联系最为紧密，除与溶解氧之间的相关系数为0.176外，与其余5种污染物的相关系数均达到了0.500以上，其中与氰化物之间的相关系数最高，达到了0.999。除此之外，五日生化需氧量与氰化物、化学需氧量与氰化物、溶解氧与氨氮之间的相关系数分别达到了-0.808、0.875和-0.652，由此可见，所选取指标之间具有一定的相关性。

表4 柳州城市饮用水水源水质指标的相关性矩阵

2.3.2 确定主成分个数

对所选指标进行主成分方差分析可知(见表5)，特征值大于1的值有两个，分别为4.379、1.915；方差贡献率分别为62.553%、27.351%，累积方差贡献率达到89.904%。这两个主成分可以反映数据的大多数信息，分别记为F1和F2。F1的方差贡献率远高于F2。因此，所选断面的污染物主要体现在F1中。

表5 各水质指标的主成分方差贡献率

2.3.3 相关因子分析

在初始载荷矩阵中(见表6)，主成分F1在六价铬、氰化物、化学需氧量、五日生化需氧量上具有较高载荷，这四类指标可以作为评价水质的主要影响指标。主成分F1可以总体反映六价铬、氰化物、化学需氧量、五日生化需氧量的浓度水平，相关系数分别达到了0.976、0.979、0.893、-0.848，除了五日生化需氧量，其余均呈正相关性。而在主成分F2中，相关性较强的指标是溶解氧和氨氮，分别为-0.940和0.855，说明主成分F2更能解释溶解氧和氨氮的污染情况。

表6 各水质指标的初始载荷矩阵

主成分F1的贡献率远远大于主成分F2，故与主成分F1相关的主要因子可以作为影响水质的主要因子。相关系数最高的六价铬是反映工业污染的指标之一，它可能来源于柳州市饮用水源重点影响区范围内的工业污染。化学需氧量和五日生化需氧量是反映有机污染物的重要指标。根据2018年柳州市生态环境局发布的环境调查报告，饮用水水源保护区内COD的主要污染来源是工业污染，其次是生活污水污染。

2.3.4 主成分计算公式及综合得分

各指标的水质载荷矩阵是初始因子载荷矩阵除以其对应主成分特征值的平方根求得的结果，见表7。主成分表达式是主成分载荷矩阵乘以标准化后的数据之后再累加得到的，综合得分表达式根据主成分对应特征值的所占比重得到。本文得到两个主成分表达式，即式(6)、式(7)，综合表达式见式(8)。

表7 各水质指标的主成分载荷矩阵

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)

根据式(6)～式(8)计算结果及综合排名情况，水质分数越高，水质越差，污染越严重，见表8。由研究结果可知，水质最好的是柳东水厂，最差的是柳东新区水厂。

表8 基于主成分分析法的水质得分情况

2.4 不同评价方法的综合分析

从表9的综合结果来看，采用单因子指数法可以明确水质类别，计算得出柳州市水质均达到Ⅱ类水质要求，未出现超标现象；但该方法弱化了其他指标对水质的影响。相比单因子指数法，综合污染指数法的分级标准更加细致，考虑了所有指标，可以判断出指标与标准值接近程度。计算结果得出的综合污染指数均小于0.40，基本满足检出值在标准内、个别项目接近或超标的分级依据。由此可见，两种评价结果基本一致。相较前两种评价方法，主成分分析法的水质评价结果劣于单因子指数法和综合污染指数法。主成分分析法虽然不能划分水质状况的类别，但可以分析水质状况变化的主要因素及主要影响指标。根据SPSS软件计算，提取主成分的累积方差贡献率为89.90%，可以代表原始信息中的大部分指标。其中主成分F1的方差贡献率达到了62.55%，与其相关的指标对水质的影响较大，可以说明水质变化的大部分情况，影响水质的主要污染物有六价铬、氰化物、化学需氧量、五日生化需氧量；主成分F2占到了27.35%的贡献率，溶解氧和氨氮是解释主成分F2的主要指标。根据评分排名，水质较差的有柳铁水厂、柳东新区水厂、古偿河水库2号、古偿河水库5号，与综合污染指数法评价结果趋势有所差异，这可能是指标之间相关性的差异导致的。

表9 不同评价方法的柳州饮用水水源水质综合评价结果

3 结 语

单因子指数法计算简单，可以直接判断水质类别，但计算结果强化了单一指标的影响。综合污染指数法综合考虑了多种水质因子的污染影响，并可以划分出不同的水质等级，但无法判断水质类别。主成分分析法可以分析水质的主要污染指标，并推断污染来源，但对于监测指标的选取会影响到相关性程度，从而影响评价结果。

采用单因子指数法、综合污染指数法及主成分分析法进行综合评价，可以实现定性评价和定量评价相结合，细化同一水质等级下的水质状况，并能反映引起水质变化的主要影响因子。本文以柳州市为例进行水质分析，所选取水样均达到Ⅱ类水质等级，水质状况良好，影响水质的主要污染物为六价铬、氰化物、化学需氧量及五日生化需氧量。

进一步区分水质状况有利于更好地改善水环境质量，保证饮用水的正常供给。综合考虑不同评价方法进行水质分析，可以获取更多的潜在信息，使评价结果满足社会生活的需要。