基于主成分-模糊模型的錦州市地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

錦州市位于遼寧省西南部，連接是華北和東北兩大區(qū)域的交通樞紐，總面積10 301 km2，海岸線124 km，人口302.6萬。錦州地區(qū)的水資源相對(duì)于遼寧省其它地區(qū)比較豐富，但存在流量小、變化大、水土流失嚴(yán)重、利用率不高等問題，因此有必要對(duì)該地區(qū)的地下水水質(zhì)進(jìn)行研究，為水環(huán)境的保護(hù)與水資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。目前，關(guān)于錦州市地下水水質(zhì)的研究相對(duì)較少，王巍巍結(jié)合采樣測(cè)試、多元線性回歸分析、以及GIS分析等技術(shù)對(duì)錦州市地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，首次對(duì)該地區(qū)的地下水水質(zhì)進(jìn)行了全面的研究，提供了豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并為相關(guān)研究提供了重要的基礎(chǔ)；但是，該研究在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中采用的是基于3個(gè)不同因素的綜合指數(shù)法，存在指標(biāo)過多、計(jì)算量較大的問題。鑒此，本文嘗試應(yīng)用錢程等人提出的主成分-模糊模型對(duì)錦州市的地下水水質(zhì)進(jìn)行研究，以期減少地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中需要考慮的指標(biāo)數(shù)量，從而提高評(píng)價(jià)效率。

1 主成分-模糊模型

地下水水質(zhì)狀況的評(píng)價(jià)可采用不同的方法，王巍巍構(gòu)建了地下水水質(zhì)的質(zhì)量指數(shù)N，其表達(dá)式為：

(1)

式中：范圍Nf指樣品中超標(biāo)指標(biāo)種類的數(shù)量；頻率Np指某指標(biāo)超標(biāo)的概率；程度Nc某指標(biāo)超過可接受范圍的大小。

該方法存在指標(biāo)過多、計(jì)算較為復(fù)雜的問題，而錢程等人提出的主成分-模糊模型則可有效減少評(píng)價(jià)過程中需要考慮的指標(biāo)數(shù)量，提高效率。在錢程等人提出的主成分-模糊模型，首先要檢驗(yàn)初選地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的可簡(jiǎn)化性，檢驗(yàn)通過后則基于主成分分析法計(jì)算指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣、特征根與方差貢獻(xiàn)率、主成分荷載值，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定主要控制因子及其權(quán)重值，以作為模糊評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因子與權(quán)重值，最后再按照模糊評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行地下水水質(zhì)的評(píng)價(jià)。其中，相關(guān)系數(shù)矩陣R可表示為：

R=(rij)n×n

(2)

式中：rij表示第i個(gè)指標(biāo)和第j個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)程度。

方差貢獻(xiàn)率Ei的計(jì)算公式為：

(3)

式中：λi表示第i個(gè)主成分的方差。

主成分荷載值lij的計(jì)算公式為:

(4)

評(píng)價(jià)因子權(quán)重系數(shù)的計(jì)算公式為:

(5)

式中：wj表示第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，r表示選取的評(píng)價(jià)因子數(shù)。

表1 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的主成分指標(biāo)與權(quán)重值

參考錢程等人的研究成果，確定地下水水質(zhì)的主成分主要指標(biāo)及其權(quán)重值如表1所示。在王巍巍提出的方法中，共需要考慮11項(xiàng)參考指標(biāo)，而采用錢程等人的模型，僅需考慮8項(xiàng)指標(biāo)，因此可減少參與評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)量，以提高效率。在模糊綜合評(píng)價(jià)中，通過模糊關(guān)系矩陣與權(quán)重矩陣的復(fù)合運(yùn)算，得出總體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)各級(jí)別的隸屬程度，最后采用最大隸屬度原則對(duì)結(jié)果向量進(jìn)行處理，確定評(píng)價(jià)水體的水質(zhì)狀況指數(shù)。本文采用降半梯形分布函數(shù)法確定隸屬度函數(shù)，對(duì)于各等級(jí)的水體，其表達(dá)式為：

(6)

(7)

(8)

式中：Ci表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度，j為水質(zhì)等級(jí)(I,II,III,IV,V)，Sij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的j級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，yij為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)j級(jí)水的隸屬度。

2 錦州市地下水水質(zhì)研究

2.1 錦州市地下水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特性

于2016年7月在錦州市的古塔區(qū)、凌河區(qū)、太和區(qū)、松山新區(qū)、龍棲灣新區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、黑山縣、義縣、凌海市、北鎮(zhèn)市各選5個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)均位于現(xiàn)有水井或地下水取水處點(diǎn)，從而可降低取樣難度與成本。每個(gè)采樣點(diǎn)取樣3份，采集的水樣送到檢測(cè)中心利用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)法對(duì)樣品的物理化學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試，得到F-、NH4、COD、CaCO3、TDS、NO2-、Cr6+、Petro等研究指標(biāo)。采用SPSS軟件對(duì)各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性分析，結(jié)果如表2所示，其中25%值表示25%的樣品濃度低于該值，以此類推。測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果基本保持一致，因此可相互印證，說明測(cè)量數(shù)據(jù)具有較為明顯的穩(wěn)定性和代表性。根據(jù)我國(guó)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB/T14848》等規(guī)范與手冊(cè)可知，錦州市各地下水水質(zhì)指標(biāo)的最大值均低于規(guī)范中III類水質(zhì)的濃度，因此可以認(rèn)為，該地區(qū)的地下水水質(zhì)現(xiàn)狀良好，滿足飲用標(biāo)準(zhǔn)。

表2 錦州市地下水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值 mg/L

2.2 錦州市地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與討論

根據(jù)實(shí)測(cè)水樣數(shù)據(jù)、基于主成分-模糊模型確定錦州市地下水各水質(zhì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，結(jié)果如表3所示。評(píng)價(jià)指標(biāo)值介于0～1之間，其值越大，代表地下水的水質(zhì)越好。根據(jù)表3結(jié)果可知，錦州市的F-指標(biāo)值介于0.775～0.991之間，其中龍棲灣新區(qū)評(píng)價(jià)值最低、黑山縣最高，平均值為0.885；NH4指標(biāo)值介于0.694～0.885之間，其中太和區(qū)評(píng)價(jià)值最低、松山新區(qū)最高，平均值為0.791；COD指標(biāo)值介于0.777～0.984之間，其中凌河區(qū)評(píng)價(jià)值最低、黑山縣最高，平均值為0.883；CaCO3指標(biāo)值介于0.544～0.792之間，其中龍棲灣新區(qū)評(píng)價(jià)值最低、北鎮(zhèn)市最高，平均值為0.663；TDS指標(biāo)值介于0.636～0.862之間，其中龍棲灣新區(qū)評(píng)價(jià)值最低、黑山縣最高，平均值為0.760；NO2-指標(biāo)值介于0.655～0.933之間，其中龍棲灣新區(qū)評(píng)價(jià)值最低、黑山縣最高，平均值為0.765；Cr6+指標(biāo)值介于0.671～0.987之間，其中經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)值最低、凌河區(qū)最高，平均值為0.827；Petro指標(biāo)值介于0.845～0.987之間，其中太和區(qū)評(píng)價(jià)值最低、黑山縣最高，平均值為0.827。各指標(biāo)的評(píng)價(jià)值范圍均處于較高水平，說明錦州市各地區(qū)的地下水水質(zhì)均較為良好。

表3 錦州市地下水水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)值

綜合表1權(quán)重值與表3的指標(biāo)評(píng)價(jià)值，得到錦州市各地區(qū)的地下水水質(zhì)狀況指數(shù)，如圖1所示。根據(jù)圖1可知，黑山縣的水質(zhì)狀況明顯高于其它地區(qū)、為0.904；其次為北鎮(zhèn)市、為0.851；凌海市和義縣較為接近、均略高于0.8；各市區(qū)的狀況指數(shù)也較為接近，其中古塔區(qū)最高、為0.799，龍棲灣新區(qū)最低、為0.757；因此，錦州市各區(qū)劃按照水質(zhì)由優(yōu)到差排序?yàn)楹谏娇h、北鎮(zhèn)市、凌海市、義縣、古塔區(qū)、凌河區(qū)、松山新區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、太和區(qū)、和龍棲灣新區(qū)。各指數(shù)值均較高，因此可以判定錦州市的地下水水質(zhì)狀況良好。總體上，錦州市的地下水水質(zhì)由北至南呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這一方面是因?yàn)楸辈康貐^(qū)的地勢(shì)相對(duì)較高，為地下水潛流的上流，因此污染物質(zhì)積累相對(duì)于南方較少；另一方面是因?yàn)槟喜康貐^(qū)的城市化程度比較高，因此污染相對(duì)北部地區(qū)較為嚴(yán)重。

圖1 錦州市地下水水質(zhì)狀況指數(shù)空間分布

以上評(píng)價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果及實(shí)際情況基本保持一致，證明了該方法的可行性，又因?yàn)楸疚乃x用的指標(biāo)相對(duì)于傳統(tǒng)方法較少，因此可以認(rèn)為該方法可提高地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的效率，具有較好推廣價(jià)值。此外，錦州市的地下水水質(zhì)整體良好，但個(gè)別地區(qū)在某些指標(biāo)方面的評(píng)價(jià)值還處于比較低的水平，如龍棲灣地區(qū)在總硬度方面的評(píng)價(jià)結(jié)果就比較低，因此有必要根據(jù)評(píng)價(jià)情況了解各個(gè)地區(qū)在地下水水質(zhì)治理方面的薄弱環(huán)節(jié)，從而更有針對(duì)性地加強(qiáng)地下水資源的保護(hù)與治理工作。

3 結(jié)語

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用主成分-模糊模型評(píng)價(jià)了錦州市各地區(qū)的地下水水質(zhì)狀況，結(jié)果表明，錦州市的地下水水質(zhì)狀況良好，各區(qū)劃按照水質(zhì)由優(yōu)到差排序?yàn)楹谏娇h、北鎮(zhèn)市、凌海市、義縣、古塔區(qū)、凌河區(qū)、松山新區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、太和區(qū)、和龍棲灣新區(qū)，總體上呈現(xiàn)由北至南逐漸下降的空間變化趨勢(shì)。文獻(xiàn)中的結(jié)果及實(shí)際情況基本保持一致，但本文所選用的指標(biāo)相對(duì)于傳統(tǒng)方法較少，因此該方法具有較好的可靠性和推廣型。研究成果還可為錦州市制定更為合理的地下水治理方案提供參考，也可為其它地區(qū)的地下水水質(zhì)研究提供借鑒。

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