采煤區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)及影響因素分析

裴雙保，延子軒，馮民權(quán),*

(1.晉城市供水保障中心，山西 晉城 048000；2.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048)

0 引 言

2019年我國原煤產(chǎn)量為38.5×108t，同比增長4%，煤炭在未來短期內(nèi)，依舊是我國的主要的能源之一[1]。煤炭開采帶來巨大能源收益的同時(shí)，也引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境隱患，尤以水環(huán)境問題較為突出[2]。采煤作業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量的礦井水與廢水，發(fā)生了風(fēng)化、溶解、氧化等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)直接或間接影響地下水質(zhì)量[3]。地下水作為全球分布最廣的淡水資源，也是人類生活生產(chǎn)的供水主要來源，一旦遭受破壞，自凈能力較弱，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響[4-7]。煤炭開采區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)地下水的保護(hù)形勢更為嚴(yán)峻，明晰采煤對(duì)地下水水質(zhì)的影響因素與水體質(zhì)量的優(yōu)良，是水資源保護(hù)和開發(fā)利用的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)60年代以來，水質(zhì)指數(shù)的概念和公式提出之后，水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)入了新的研究領(lǐng)域[8]。近年來，水質(zhì)指數(shù)法[9-10]、主成分分析法[11]、模糊數(shù)學(xué)法[12]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]、灰色系統(tǒng)理論[14]等方法被引入到水質(zhì)評(píng)價(jià)中，地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)由單因子評(píng)價(jià)到綜合評(píng)價(jià)[15]，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)到建立數(shù)學(xué)模型，方法與體系日趨完善，以期獲得更為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者在煤礦礦區(qū)水質(zhì)研究領(lǐng)域做了大量的工作[16-17]，總體來說，復(fù)雜的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)需要更加準(zhǔn)確地對(duì)水質(zhì)影響因子進(jìn)行分析，但每個(gè)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法都有其不同的側(cè)重點(diǎn)，都不能全面地反映復(fù)雜的水質(zhì)情況[18]。地下水是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，存在著許多影響因素，從而難以準(zhǔn)確定量分析水質(zhì)情況。主成分分析法可以充分考慮各指標(biāo)之間的信息重疊，通過對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的處理，保留原始數(shù)據(jù)的信息基礎(chǔ)上，結(jié)合秩和比法確定多個(gè)影響因子的權(quán)重，可以準(zhǔn)確的定量化分析影響水質(zhì)的主要因素。

晉城市及周邊居民飲水來源主要是中層地下水，地下水質(zhì)量的好壞直接影響人民的生活質(zhì)量。研究區(qū)位于晉城市西北部澤州縣，是晉城市經(jīng)濟(jì)帶中的重要區(qū)域，同時(shí)也是煤礦富集區(qū)域，區(qū)內(nèi)有煤礦14座，采煤引發(fā)的一系列環(huán)境問題刻不容緩，其中對(duì)飲水來源的地下水水質(zhì)有著深遠(yuǎn)的影響。工業(yè)發(fā)達(dá)，人口密集，地理環(huán)境與社會(huì)環(huán)境復(fù)雜，是研究區(qū)的主要特征，這些因素影響著地下水水質(zhì)。研究區(qū)地下水水質(zhì)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與主要影響因素分析對(duì)于合理保護(hù)、開采地下水至關(guān)重要?；诖?，本文通過主成分分析法構(gòu)建水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，秩和比法確定權(quán)重系數(shù)，將二者結(jié)合建立評(píng)價(jià)模型，可減少指標(biāo)信息重疊所造成的評(píng)價(jià)誤差，對(duì)研究區(qū)復(fù)雜的地下水環(huán)境做出水質(zhì)評(píng)價(jià)，結(jié)果可為晉城市地下水開發(fā)與利用提供科學(xué)的建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省晉城市澤州縣西北部(N 35°12′～35°42′，E 112°31′～113°14′)。地勢西高東低，北高南低，流城內(nèi)峰巒疊嶂，丘陵起伏，屬典型的土石山地丘陵區(qū)，流域?qū)俚湫偷呐瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫10.9 ℃，年平均降水量為591.8 mm，年降水分布不均。根據(jù)含水層巖性組合特征及其層位分布，研究區(qū)含水層劃分為3個(gè)主要含水層組：①第四系松散巖類孔隙含水巖組；②二疊系、三疊系碎屑巖類裂隙含水巖組；③石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖類層間裂隙巖溶含水巖組。水質(zhì)類型為HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3-Ca·Na、SO4·HCO3-Ca·Na、HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca·Na·Mg等6種。

1.2 主成分分析法

主成分分析法(PCA)是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中定量化分析的方法，通過降低由許多相互關(guān)聯(lián)變量組成的數(shù)據(jù)集的維數(shù)，對(duì)原始變量相關(guān)矩陣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系研究，找出多個(gè)影響環(huán)境質(zhì)量的綜合指標(biāo)，此方法可以保留數(shù)據(jù)的原始信息，又可以使各指標(biāo)之間互不相關(guān)，對(duì)數(shù)據(jù)的處理更為精準(zhǔn)[19]。為消除水質(zhì)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱的影響，利用SPSS軟件Z-score歸一化處理水質(zhì)數(shù)據(jù)與水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)

式中：Zij為標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值；Xij為實(shí)際變量值；Xi為方差；Si為標(biāo)準(zhǔn)差。

通過降維處理，根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣和特征值，計(jì)算出主成分特征值貢獻(xiàn)率：

(2)

1.3 秩和比法

秩和比法(RSR)是一種參數(shù)與非參數(shù)融合的方法，可較好地消除無關(guān)因子的干擾，能綜合多項(xiàng)指標(biāo)的信息，既使數(shù)據(jù)量多而雜，也可以通過合理分檔數(shù)表分檔聚類，進(jìn)行分析研究?；谥鞒煞址治鲇?jì)算得出的特征值貢獻(xiàn)率作為經(jīng)驗(yàn)權(quán)重系數(shù)，對(duì)相應(yīng)的主成分進(jìn)行編秩計(jì)算，編秩原則采用高優(yōu)或低優(yōu)指標(biāo)。結(jié)合秩和比法(RSR)中的SR確定權(quán)重系數(shù)[20]，通過分比SR與特征值貢獻(xiàn)率計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)W。

高優(yōu)指標(biāo)：

(3)

低優(yōu)指標(biāo)：

(4)

(5)

式中：∑R為各項(xiàng)指標(biāo)秩和;k、m分別為矩陣的行和列。

(6)

(7)

式中:SR為分比；W′為特征值貢獻(xiàn)率。

1.4 PCA-RSR水質(zhì)模型法

通過RSR法確定的權(quán)重系數(shù)及PCA法提取的主成分，在歸一化后的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，計(jì)算水質(zhì)等級(jí)闕值，對(duì)研究區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)分析。

fi=WiuiPi

(8)

(9)

式中:fi為水質(zhì)閾值；Wi為權(quán)重系數(shù)；ui為主成分荷載系數(shù)；Pi為歸一化后的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；f為水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)值;Fi(x,y)為各指標(biāo)主元值大小。

圖1 研究區(qū)地下水水質(zhì)指標(biāo)含量分布Fig.1 Groundwater quality index content distribution in the study area

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水水質(zhì)空間分布特征

2019年7月實(shí)地調(diào)研，結(jié)合研究區(qū)地下水分布特征、含水層特性以及城鎮(zhèn)居民用水現(xiàn)狀，依據(jù)GB/T14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和長河流域多年地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在研究區(qū)布設(shè)了12個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，對(duì)研究區(qū)中層地下水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測研究。統(tǒng)計(jì)監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)，制出水質(zhì)指標(biāo)空間分布圖，見圖1。由圖1可見，pH和氟化物，在研究區(qū)中游區(qū)域濃度較高；氯化物、硝酸鹽氮、硫酸鹽、溶解性固體和總硬度，在研究區(qū)上游區(qū)域濃度較高；亞硝酸鹽氮和高錳酸鹽指數(shù)在研究區(qū)下游區(qū)域濃度高；而渾濁度在整個(gè)研究區(qū)域濃度都較高。可見，研究區(qū)地下水水質(zhì)污染因子呈現(xiàn)規(guī)律性分布，除了渾濁度和氟化物，其余指標(biāo)值都是在上游或者下游較高，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地考察分析，長河上游區(qū)域有城鎮(zhèn)居民生活污水排放和采煤廠煤礦開采活動(dòng)，下游區(qū)域有化工廠工業(yè)污水排放，整個(gè)區(qū)域在長河煤礦經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)，因此地下水水質(zhì)受到工業(yè)污染可能性較大，且污染物質(zhì)影響復(fù)雜，各個(gè)污染物之間相互聯(lián)系，相互影響，使得水質(zhì)評(píng)價(jià)復(fù)雜且不能準(zhǔn)確展示不同區(qū)域水質(zhì)的等級(jí)。

2.2 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.2.1 數(shù)據(jù)處理及相關(guān)性分析

依據(jù)GB/T14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，選取相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)(pH、渾濁度、氯化物等)，對(duì)其水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)和水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理(式1)。通過主成分分析法確定地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)因子相關(guān)系數(shù)矩陣(圖2)，進(jìn)一步計(jì)算出特征值貢獻(xiàn)率W′=(0.422 7、0.207 7、0.152 1)，從而得出特征值。對(duì)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)的歸一化處理，可以使建立的新的水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)更準(zhǔn)確，消除因?yàn)閿?shù)據(jù)信息不同而產(chǎn)生的誤差。歸一化目的是將數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化。

圖2 相關(guān)系數(shù)矩陣Fig.2 Correlation coefficient matrix

由圖2可見,各指標(biāo)之間的相關(guān)性。氯化物和硫酸鹽呈正相關(guān)，R=0.81；硫酸鹽和高錳酸鹽指數(shù)呈高度正相關(guān)，R=0.98；總硬度與溶解性固體呈高度正相關(guān)，R=0.99；溶解性固體與硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)與亞硝酸鹽氮，都呈正相關(guān)性，其余指標(biāo)R值為負(fù)，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。根據(jù)相關(guān)性分析得出的碎石圖可見，第三個(gè)公因子后的特征值變化趨于緩慢，因此選取3個(gè)公共因子較為合理，進(jìn)一步確定地下水水質(zhì)指標(biāo)主成分分析后可得3個(gè)主元。

2.2.2 秩和比法確定權(quán)重系數(shù)

對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中3個(gè)提取的主元指標(biāo)進(jìn)行橫向排序，運(yùn)用秩和比(RSR) 法對(duì)各指標(biāo)編秩，測算秩和比、分比及權(quán)重系數(shù)，結(jié)果見表1，通過對(duì)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算分析，得出3個(gè)主成分的秩和比權(quán)重系數(shù)，為建立新的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型提供基礎(chǔ)。

2.2.3 基于水質(zhì)模型法的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)上述RSR法確定的權(quán)重系數(shù)W、PCA法提取的主元與歸一化處理的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，利用式(8)建立三者之間的聯(lián)系，計(jì)算出水質(zhì)等級(jí)閾值(表2)，水質(zhì)臨界閾值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)原《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劃分得來。由PCA-RSR法建立的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)模型[21]，結(jié)合各主元值，通過式(9)計(jì)算各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)值f，進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

由表3可見，研究區(qū)共有12個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，整體水質(zhì)良好。其中Ⅲ類水占比較大，JC1、JC10-JC11是Ⅳ類水，JC2-JC8、JC12是Ⅲ類水，JC9是Ⅱ類水。根據(jù)PCA-RSR模型計(jì)算得出主要污染物為pH、渾濁度、總硬度、亞硝酸鹽氮等，并且綜合指標(biāo)f值越大，污染越嚴(yán)重，水質(zhì)也越差。

水質(zhì)較差區(qū)域主要集中在長河流域上游段與下游段，為Ⅳ類水質(zhì)，中游段水質(zhì)較好，可達(dá)到Ⅲ類水。在以往的水質(zhì)評(píng)價(jià)研究中，多數(shù)是采用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848-93)或者固定的數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)行評(píng)價(jià)，而PCA-RSR模型法可對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行優(yōu)化，減小評(píng)價(jià)的誤差，更加準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)水質(zhì)級(jí)別。本文利用Arcgis強(qiáng)大的可視化功能，將PCA-RSR水質(zhì)模型計(jì)算出的綜合評(píng)價(jià)值f賦值到gis中，通過IDW插值法(IDW是一種確定性插值技術(shù)，它根據(jù)其與測量點(diǎn)的接近程度來估計(jì)非測量點(diǎn)的值)得出研究區(qū)域水質(zhì)評(píng)價(jià)分區(qū)見圖3。

表1 RSR法計(jì)算結(jié)果

表2 地下水水質(zhì)等級(jí)臨界閾值

表3 地下水綜合評(píng)價(jià)

圖3 研究區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.3 Zoning map of groundwater quality evaluation in the study area

2.3 水質(zhì)影響因素分析

研究區(qū)處于山谷之間，上游山地較多，地勢高，地下水的補(bǔ)給大多是降雨補(bǔ)給和河道滲漏補(bǔ)給，流域位于晉城市煤炭經(jīng)濟(jì)帶，區(qū)內(nèi)有大小煤礦14座，煤炭業(yè)與化工業(yè)較發(fā)達(dá)，城鎮(zhèn)居民的飲水主要來源于地下水，水質(zhì)受到人類活動(dòng)影響較大。結(jié)合上述地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與研究區(qū)整體生態(tài)環(huán)境情況，總結(jié)影響研究區(qū)地下水水質(zhì)的因素：

1)工業(yè)污水排放。晉城市長河流域2018年工業(yè)污水排放總量為504.35萬t，據(jù)統(tǒng)計(jì)排放污水的主要成分為COD、氨氮、總磷和SS。研究區(qū)內(nèi)人口密集處在長河上游處，采煤廠和化工廠也集中于上游和下游地勢平緩處。研究區(qū)內(nèi)大部分污廢水直接排入長河，通過地表水與地下水的水力交換，污染物質(zhì)下滲到地下水，是造成研究區(qū)地下水硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、溶解性固體濃度高的主要原因，也是長河流域上游與下游地下水污染較為嚴(yán)重的重要原因。

2)地下水開采。研究表明，地下水鹽污染主要是由硝酸鹽污染和硬度升高造成，二者間存在密切的聯(lián)系，陽離子交換、硝化作用是導(dǎo)致地下水硝酸鹽和硬度升高的重要機(jī)制[22]。隨著硬度升高，溶解性總固體含量也隨之增加。根據(jù)區(qū)內(nèi)中層地下水位監(jiān)測點(diǎn)近年來水位數(shù)據(jù)，研究區(qū)整體地下水埋深呈逐年升高的趨勢，因此，人為超采是導(dǎo)致地下水各指標(biāo)升高的主要原因之一。研究區(qū)各水位監(jiān)測點(diǎn)2018—2019年地下水埋深變化曲線見圖4。

綜上所述，在長河上游區(qū)域，因?yàn)榇罅棵旱V分布，常年的采煤活動(dòng)及工業(yè)污水的排放，導(dǎo)致長河污染嚴(yán)重，長河地表水與地下水的水力聯(lián)系以及煤礦煤矸石堆集下滲的污水，影響了地下水水質(zhì)，使地下水受到不同程度的污染。而下游污染嚴(yán)重段建有煤化工廠，大量工業(yè)污水排放也會(huì)影響地下水水質(zhì)。整體而言，研究區(qū)地下水水質(zhì)良好，但個(gè)別區(qū)域水質(zhì)較差，應(yīng)加大管理力度，適度合理開采地下水。

圖4 2018—2019年長河流域中層地下水水位埋深變化Fig.4 2018—2019 Changhe River Basin groundwater level changes in depth

3 結(jié) 論

本文以晉城市長河流域地下水為研究對(duì)象，運(yùn)用主成分分析和秩和比法相結(jié)合的方法對(duì)水質(zhì)主要影響指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其影響因素，結(jié)論如下：

1)針對(duì)研究區(qū)12個(gè)不同區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)的地下水水質(zhì)，主成分分析指出，可將10個(gè)水質(zhì)指標(biāo)綜合為3個(gè)主成分，分別為：硫酸鹽、亞硝酸鹽氮和渾濁度。

2)12個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)中，1個(gè)Ⅱ類水，8個(gè)Ⅲ類水和3個(gè)Ⅳ類水，研究區(qū)地下水整體水質(zhì)良好，Ⅲ類水居多，水質(zhì)較差區(qū)域主要分布在上、下游區(qū)域，主要污染物為pH值、渾濁度、總硬度、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮等。

3)運(yùn)用PCA-RSR水質(zhì)模型法在反應(yīng)研究區(qū)水質(zhì)好壞的同時(shí)，也可以根據(jù)主元權(quán)重系數(shù)來確定影響研究區(qū)域的主要污染物質(zhì)，更科學(xué)有效地進(jìn)行地下水的保護(hù)與開采。