基于Q值计算的叶尔羌河下游平原区地下水质量评价

2022-03-02邓恩松刘玉疆马宁昕黄顺勇

人民珠江 2022年2期

邓恩松，刘玉疆，马宁昕，黄顺勇

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆乌鲁木齐 832000；2.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830046；3.中化地质矿山总局河南地质局，河南郑州 450000；4.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

关键字：地下水质量；权重；评价模型；主成分分析法；Q值

地下水是支撑城市经济发展的重要战略资源，同时为城乡居民生活用水提供了坚实的保障[1]。新疆生产建设兵团(简称兵团)向南发展的推进，加快了兵团南疆城市的发展速度，对地下水资源的需求量不断增加，与此同时对地下水资源的保护显得格外重要。开展地下水质量现状评价对后期科学合理地利用地下水资源，提高地下水利用效率，保护地下水环境，加强经济可持续发展起着重要作用。目前国内外地下水质量评价方法有很多，主要有采用单因子评价法[2]、内梅罗指数法[3-4]、灰色关联度法[5-6]、神经网络法[7]、支持向量机法[8]、层级阶梯法[9]、主成分分析法[10]、层次分析法[11]、模糊数学法[12]等。每一种评价方法在不同领域都有较好的应用，各自都有相对优势和不足之处，存在一定的差异性[13]。艾亚迪[14]、刘诚[15]、刘中培[16]等学者采用了至少3种不同的评价方法对同一地区的地下水进行了水质评价，对比分析后给出每种评价方法相对较好的适用情况。

叶尔羌河下游平原区主要包括喀什地区东部县城以及图木舒克市，贾瑞亮[17]、陈云飞[18]、栾风娇[19]等学者分别于2012、2015、2017年采用单因子评价法已经对叶尔羌河流域农村地区地下水水质进行了评价，研究表明该地区地下水水质差，大多数水样属于V类地下水。现行国家技术标准GB/T 14848—2017《地下水质量标准》[20]中将以前F值计算方法删除，为了能够快速地从同类别地下水中挑选出质量相对较好的水源，采用主成分分析法确定超限指标所占的权重，根据常规指标所属类别进行赋值，最终计算出每组地下水质量的Q值并细化类别。

1 单因子评价法

1.1 样品采集

地下水水样采集主要在新疆叶尔羌河下游平原区图木舒克市附近区域，从当地连队手压井、机民井、水文勘探孔中共采集35组地下水水样，采集时间为2018年7—9月，取样井深15～300 m，地下水类型主要为潜水，取样深度大多在浅层地下水中，为孔隙水。水样严格按照HJ/T 164—2004《地下水环境监测技术规范》[21]进行采集、封存、送样。

检测项目根据GB/T 14848—2017《地下水质量标准》选取浑浊度、pH、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、铁、锰、铜、铝、挥发性酚类、耗氧量、氨氮、钠、亚硝酸盐、硝酸盐、氰化物、氟化物、汞、砷、镉、铬(六价)、铅等23项地下水质量常规指标。

1.2 单因子综合评价

以GB/T 14848—2017《地下水质量标准》为基础，选取单因子评价法对研究区地下水进行质量评价， 23项地下水质量常规指标作为23个评价因子。地下水质量单因子综合评价时则采取从劣不从优[22]，综合评价结果以最差单因子评价类别来确定。单因子综合评价结果同时也为后续Q值综合评价法提供筛选评价因子的依据。

地下水质量单因子综合评价结果表明:35组潜水水样中无Ⅰ类和Ⅱ类地下水。地下水质量属Ⅲ类1组，占2.86%；地下水质量属Ⅳ类2组，占5.71%；地下水质量属Ⅴ类32组，占91.43%。Ⅴ类水样编号为SY1—SY32。可以看出图木舒克市周围区域地下水质量差，超Ⅴ类限值的因子主要有浑浊度(P1)、总硬度(以CaCO3计)(P2)、溶解性总固体(P3)、硫酸盐(P4)、氯化物(P5)、钠(P6)、亚硝酸盐(P7)、氟化物(P8)、镉(P9)、铅(P10)等10个。

32组Ⅴ类水样中硫酸盐超限率100%，含量在369.41～2 964.99 mg/L，是Ⅴ类限值的1.06～8.47倍；32组Ⅴ类水样中总硬度含量在535.05～3 322.62 mg/L，31组超过Ⅴ类限值，是限值的1.17～5.11倍，超限率96.88%；32组Ⅴ类水样中氯化物含量在158.44～3 332.53 mg/L，29组超过Ⅴ类限值，是限值的1.19～9.52倍，超限率96.25%；32组Ⅴ类水样中溶解性总固体含量在1 008.00～10 192.00 mg/L，29组超过Ⅴ类限值，是限值的1.05～5.10倍，超限率96.25%。其余评价因子的超限情况见图1。

图1 每个评价因子的超限样品数量及超限率

32组Ⅴ类地下水中单个水样中超Ⅴ类限值因子数在1～7个之间，超Ⅴ类限值的因子数7个的水样有SY7、SY16、SY17、SY25；超Ⅴ类限值的因子数3个的水样有SY1、SY12、SY26；超Ⅴ类限值的因子数1个的水样只有SY2。严重超Ⅴ类限值的评价因子主要有总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、钠等。超限倍数最大的是SY25中氯化物，超过Ⅴ类限值的9.52倍，见图2。其余水样超Ⅴ类限值的因子情况见图3。

图2 样品中严重超限因子程度

图3 样品中剩余超限因子程度

2 Q值综合评价法

2.1 筛选评价因子

对试验检测结果进行统计分析，筛选出同类别地下水中超同类别限值的指标作为评价因子。选取超Ⅴ类限值的常规指标作为评价因子，即共有10个评价因子(F1—F10)。

2.2 评价因子的分类赋值

大体参照GB/T 14848—2017《地下水质量标准》常规指标分类标准，为了避免分类限值出现相等的情况，对浑浊度、氟化物的分类限值遵循均匀细化原则进行了更改。将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类分别赋值1、2、3、4、5，评价因子的赋值用A表示。可以看出此次赋值具有紧密的连续性，具体可见表1。

表1 评价因子赋值标准

2.3 确定评价因子的权重

基于主成分分析法建立地下水质量综合评价模型。主成分分析法能够将多个变量因子简化成几个综合因子，并且能够最大限度地保证数据的真实性，使数据的损失率降到最低。同时这种办法能够避免过多地考虑单个评价因子的影响，从而解决了因参变量难以掌握导致不合理结论的缺陷[23]。运用主成分分析法确定评价因子的权重，大体思路为先将评价因子原始数据标准化后降维，根据累计贡献率选取主成分，利用主成分方法计算出来的特征值、因子荷载矩阵和特征向量等已知数，求出每个评价因子的权重。具体的计算步骤如下。

a)原始数据的标准化处理。各个评价因子的量纲不一定全部都相同，且数值差异比较大，需要对试验检测得出的原始数据进行标准化处理，得到归一化后的数据能够消除量纲和数量级的差异使其更具有说服力。采取中心化处理法得出标准化数据矩阵：

Z=(xij)mn

(1)

式中m——水样个数;n——评价因子数；本文中i为32，j为10，i=1，2，…n，j=1，2，…m；xij——第i个样本的第j项评价因子的数值。

b)计算相关系数矩阵R。

R=(rjk)n×n(j= 1，2，…，n;k= 1，2，…，n)

(2)

(3)

式中rjk——评价因子j和k的相关系数；S——样本标准差。

c)求解特征值和特征向量。特征值λ可以参照方程|R-λE|=0计算得出，再根据方程(λE-R)X=0，求解出特征值对应的特征向量[24]。

d)根据累计贡献率确定主成分个数。累计贡献率至少达到70%的成分可认为是主成分。本文经过计算选取前3个组件作为主成分，累计贡献率达到82.76%。基本可以理解为3个主成分代替了绝大部分的成分信息。特征值、贡献率见表2。

表2 特征值和累计贡献率

e)计算每个主成分对应特征值开方后的百分比Ps。

(4)

式中t——主成分总个数，本文t=3；s——主成分的序号；λs——主成分对应特征值。

f)计算评价因子的权重Wj[25]。

(5)

式中ejs——第j个评价因子所对应第s个主成分的特征向量值，具体数值见表3。

表3 对应主成分的特征向量值

10个评价因子的权重见表4。

表4 评价因子的权重

本次主成分分析KMO值为0.73，表明本次主成分分析法适合程度一般。Bartlett 球度检验的原假设是相关系数矩阵为单位矩阵，本次显著性为0，小于显著水平0.05，因此拒绝原假设，说明变量之间存在相关关系，适合做主成分分析。

2.4 计算地下水质量Q值及细化分类

为了能够直观地分辨出地下水质量的优劣，提出地下水质量Q值计算方法。该方法综合考虑了所有参评因子的影响程度，是评价结果更具有科学说服性。

Q=A×Wj

(6)

式中A——表示评价因子的赋值，数值在1～5范围内；Wj——评价因子的权重，在0～1范围内。

可知Q值的最大值为5，最小值为1。依据均匀细化原则，Q值将Ⅴ类地下水进一步细化为Ⅴ1—Ⅴ4类。即Q值在1～2范围内属于Ⅴ1，Q值在2～3范围内属于Ⅴ2，Q值在3～4范围内属于Ⅴ3，Q值大于4的属于Ⅴ4。数值范围内均含下限值，不含上限值。32组Ⅴ类地下水Q值及分类结果见表5。

表5 地下水质量Q值及细化分类结果

可以看出32组水样地下水质量Q值的大小处于2.58～4.19范围内，本次细化类型有3种，没有地下水质量Ⅴ1类。地下水质量Ⅴ2类有2组，占6.25%，地下水质量Ⅴ3类有24组，占75.00%，地下水质量Ⅴ4类有6组，占18.75%。Q值最小值的SY2水样中超限因子只有1个，2组Ⅴ2类水样中超限因子数为1～3，6组Ⅴ4类水样中超限因子数为6～7。进一步说明了Q值计算结果与实际较为相符，具有较高的信任度。