基于Q值計算的葉爾羌河下游平原區(qū)地下水質(zhì)量評價

鄧恩松，劉玉疆，馬寧昕，黃順勇

(1.新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 832000；2.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；3.中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)局，河南 鄭州 450000；4.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

關鍵字：地下水質(zhì)量；權(quán)重；評價模型；主成分分析法；Q值

地下水是支撐城市經(jīng)濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，同時為城鄉(xiāng)居民生活用水提供了堅實的保障[1]。新疆生產(chǎn)建設兵團(簡稱兵團)向南發(fā)展的推進，加快了兵團南疆城市的發(fā)展速度，對地下水資源的需求量不斷增加，與此同時對地下水資源的保護顯得格外重要。開展地下水質(zhì)量現(xiàn)狀評價對后期科學合理地利用地下水資源，提高地下水利用效率，保護地下水環(huán)境，加強經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起著重要作用。目前國內(nèi)外地下水質(zhì)量評價方法有很多，主要有采用單因子評價法[2]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[3-4]、灰色關聯(lián)度法[5-6]、神經(jīng)網(wǎng)絡法[7]、支持向量機法[8]、層級階梯法[9]、主成分分析法[10]、層次分析法[11]、模糊數(shù)學法[12]等。每一種評價方法在不同領域都有較好的應用，各自都有相對優(yōu)勢和不足之處，存在一定的差異性[13]。艾亞迪[14]、劉誠[15]、劉中培[16]等學者采用了至少3種不同的評價方法對同一地區(qū)的地下水進行了水質(zhì)評價，對比分析后給出每種評價方法相對較好的適用情況。

葉爾羌河下游平原區(qū)主要包括喀什地區(qū)東部縣城以及圖木舒克市，賈瑞亮[17]、陳云飛[18]、欒風嬌[19]等學者分別于2012、2015、2017年采用單因子評價法已經(jīng)對葉爾羌河流域農(nóng)村地區(qū)地下水水質(zhì)進行了評價，研究表明該地區(qū)地下水水質(zhì)差，大多數(shù)水樣屬于V類地下水?，F(xiàn)行國家技術標準GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標準》[20]中將以前F值計算方法刪除，為了能夠快速地從同類別地下水中挑選出質(zhì)量相對較好的水源，采用主成分分析法確定超限指標所占的權(quán)重，根據(jù)常規(guī)指標所屬類別進行賦值，最終計算出每組地下水質(zhì)量的Q值并細化類別。

1 單因子評價法

1.1 樣品采集

地下水水樣采集主要在新疆葉爾羌河下游平原區(qū)圖木舒克市附近區(qū)域，從當?shù)剡B隊手壓井、機民井、水文勘探孔中共采集35組地下水水樣，采集時間為2018年7—9月，取樣井深15～300 m，地下水類型主要為潛水，取樣深度大多在淺層地下水中，為孔隙水。水樣嚴格按照HJ/T 164—2004《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》[21]進行采集、封存、送樣。

檢測項目根據(jù)GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標準》選取渾濁度、pH、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋁、揮發(fā)性酚類、耗氧量、氨氮、鈉、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氰化物、氟化物、汞、砷、鎘、鉻(六價)、鉛等23項地下水質(zhì)量常規(guī)指標。

1.2 單因子綜合評價

以GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標準》為基礎，選取單因子評價法對研究區(qū)地下水進行質(zhì)量評價， 23項地下水質(zhì)量常規(guī)指標作為23個評價因子。地下水質(zhì)量單因子綜合評價時則采取從劣不從優(yōu)[22]，綜合評價結(jié)果以最差單因子評價類別來確定。單因子綜合評價結(jié)果同時也為后續(xù)Q值綜合評價法提供篩選評價因子的依據(jù)。

地下水質(zhì)量單因子綜合評價結(jié)果表明:35組潛水水樣中無Ⅰ類和Ⅱ類地下水。地下水質(zhì)量屬Ⅲ類1組，占2.86%；地下水質(zhì)量屬Ⅳ類2組，占5.71%；地下水質(zhì)量屬Ⅴ類32組，占91.43%。Ⅴ類水樣編號為SY1—SY32?？梢钥闯鰣D木舒克市周圍區(qū)域地下水質(zhì)量差，超Ⅴ類限值的因子主要有渾濁度(P1)、總硬度(以CaCO3計)(P2)、溶解性總固體(P3)、硫酸鹽(P4)、氯化物(P5)、鈉(P6)、亞硝酸鹽(P7)、氟化物(P8)、鎘(P9)、鉛(P10)等10個。

32組Ⅴ類水樣中硫酸鹽超限率100%，含量在369.41～2 964.99 mg/L，是Ⅴ類限值的1.06～8.47倍；32組Ⅴ類水樣中總硬度含量在535.05～3 322.62 mg/L，31組超過Ⅴ類限值，是限值的1.17～5.11倍，超限率96.88%；32組Ⅴ類水樣中氯化物含量在158.44～3 332.53 mg/L，29組超過Ⅴ類限值，是限值的1.19～9.52倍，超限率96.25%；32組Ⅴ類水樣中溶解性總固體含量在1 008.00～10 192.00 mg/L，29組超過Ⅴ類限值，是限值的1.05～5.10倍，超限率96.25%。其余評價因子的超限情況見圖1。

圖1 每個評價因子的超限樣品數(shù)量及超限率

32組Ⅴ類地下水中單個水樣中超Ⅴ類限值因子數(shù)在1～7個之間，超Ⅴ類限值的因子數(shù)7個的水樣有SY7、SY16、SY17、SY25；超Ⅴ類限值的因子數(shù)3個的水樣有SY1、SY12、SY26；超Ⅴ類限值的因子數(shù)1個的水樣只有SY2。嚴重超Ⅴ類限值的評價因子主要有總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鈉等。超限倍數(shù)最大的是SY25中氯化物，超過Ⅴ類限值的9.52倍，見圖2。其余水樣超Ⅴ類限值的因子情況見圖3。

圖2 樣品中嚴重超限因子程度

圖3 樣品中剩余超限因子程度

2 Q值綜合評價法

2.1 篩選評價因子

對試驗檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，篩選出同類別地下水中超同類別限值的指標作為評價因子。選取超Ⅴ類限值的常規(guī)指標作為評價因子，即共有10個評價因子(F1—F10)。

2.2 評價因子的分類賦值

大體參照GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標準》常規(guī)指標分類標準，為了避免分類限值出現(xiàn)相等的情況，對渾濁度、氟化物的分類限值遵循均勻細化原則進行了更改。將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類分別賦值1、2、3、4、5，評價因子的賦值用A表示?？梢钥闯龃舜钨x值具有緊密的連續(xù)性，具體可見表1。

表1 評價因子賦值標準

2.3 確定評價因子的權(quán)重

基于主成分分析法建立地下水質(zhì)量綜合評價模型。主成分分析法能夠?qū)⒍鄠€變量因子簡化成幾個綜合因子，并且能夠最大限度地保證數(shù)據(jù)的真實性，使數(shù)據(jù)的損失率降到最低。同時這種辦法能夠避免過多地考慮單個評價因子的影響，從而解決了因參變量難以掌握導致不合理結(jié)論的缺陷[23]。運用主成分分析法確定評價因子的權(quán)重，大體思路為先將評價因子原始數(shù)據(jù)標準化后降維，根據(jù)累計貢獻率選取主成分，利用主成分方法計算出來的特征值、因子荷載矩陣和特征向量等已知數(shù)，求出每個評價因子的權(quán)重。具體的計算步驟如下。

a)原始數(shù)據(jù)的標準化處理。各個評價因子的量綱不一定全部都相同，且數(shù)值差異比較大，需要對試驗檢測得出的原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，得到歸一化后的數(shù)據(jù)能夠消除量綱和數(shù)量級的差異使其更具有說服力。采取中心化處理法得出標準化數(shù)據(jù)矩陣：

Z=(xij)mn

(1)

式中m——水樣個數(shù);n——評價因子數(shù)；本文中i為32，j為10，i=1，2，…n，j=1，2，…m；xij——第i個樣本的第j項評價因子的數(shù)值。

b)計算相關系數(shù)矩陣R。

R=(rjk)n×n(j= 1，2，…，n;k= 1，2，…，n)

(2)

(3)

式中rjk——評價因子j和k的相關系數(shù)；S——樣本標準差。

c)求解特征值和特征向量。特征值λ可以參照方程|R-λE|=0計算得出，再根據(jù)方程(λE-R)X=0，求解出特征值對應的特征向量[24]。

d)根據(jù)累計貢獻率確定主成分個數(shù)。累計貢獻率至少達到70%的成分可認為是主成分。本文經(jīng)過計算選取前3個組件作為主成分，累計貢獻率達到82.76%。基本可以理解為3個主成分代替了絕大部分的成分信息。特征值、貢獻率見表2。

表2 特征值和累計貢獻率

e)計算每個主成分對應特征值開方后的百分比Ps。

(4)

式中t——主成分總個數(shù)，本文t=3；s——主成分的序號；λs——主成分對應特征值。

f)計算評價因子的權(quán)重Wj[25]。

(5)

式中ejs——第j個評價因子所對應第s個主成分的特征向量值，具體數(shù)值見表3。

表3 對應主成分的特征向量值

10個評價因子的權(quán)重見表4。

表4 評價因子的權(quán)重

本次主成分分析KMO值為0.73，表明本次主成分分析法適合程度一般。Bartlett 球度檢驗的原假設是相關系數(shù)矩陣為單位矩陣，本次顯著性為0，小于顯著水平0.05，因此拒絕原假設，說明變量之間存在相關關系，適合做主成分分析。

2.4 計算地下水質(zhì)量Q值及細化分類

為了能夠直觀地分辨出地下水質(zhì)量的優(yōu)劣，提出地下水質(zhì)量Q值計算方法。該方法綜合考慮了所有參評因子的影響程度，是評價結(jié)果更具有科學說服性。

Q=A×Wj

(6)

式中A——表示評價因子的賦值，數(shù)值在1～5范圍內(nèi)；Wj——評價因子的權(quán)重，在0～1范圍內(nèi)。

可知Q值的最大值為5，最小值為1。依據(jù)均勻細化原則，Q值將Ⅴ類地下水進一步細化為Ⅴ1—Ⅴ4類。即Q值在1～2范圍內(nèi)屬于Ⅴ1，Q值在2～3范圍內(nèi)屬于Ⅴ2，Q值在3～4范圍內(nèi)屬于Ⅴ3，Q值大于4的屬于Ⅴ4。數(shù)值范圍內(nèi)均含下限值，不含上限值。32組Ⅴ類地下水Q值及分類結(jié)果見表5。

表5 地下水質(zhì)量Q值及細化分類結(jié)果

可以看出32組水樣地下水質(zhì)量Q值的大小處于2.58～4.19范圍內(nèi)，本次細化類型有3種，沒有地下水質(zhì)量Ⅴ1類。地下水質(zhì)量Ⅴ2類有2組，占6.25%，地下水質(zhì)量Ⅴ3類有24組，占75.00%，地下水質(zhì)量Ⅴ4類有6組，占18.75%。Q值最小值的SY2水樣中超限因子只有1個，2組Ⅴ2類水樣中超限因子數(shù)為1～3，6組Ⅴ4類水樣中超限因子數(shù)為6～7。進一步說明了Q值計算結(jié)果與實際較為相符，具有較高的信任度。

3 結(jié)論

a)采用單因子評價法對圖木舒克市境內(nèi)35組潛水水樣進行了地下水質(zhì)量綜合分析，32組水樣屬于Ⅴ類地下水，可知圖木舒克市境內(nèi)潛水質(zhì)量整體較差。嚴重超Ⅴ類限值的評價因子主要有總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鈉等。

b)運用主成分分析法確定了同類別地下水質(zhì)量中超限因子的權(quán)重，綜合考慮了每個參評因子的影響程度。對評價因子進行賦值，提出地下水質(zhì)量Q值計算公式，進一步將Ⅴ類地下水細化為Ⅴ1—Ⅴ4類。圖木舒克市境內(nèi)地下水質(zhì)量以Ⅴ3類為主。

c)基于主成分分析法建立的地下水質(zhì)量綜合評價模型，現(xiàn)狀評價結(jié)果與實際情況較為相符，可為后期從地下水質(zhì)量屬于同類別中挑選水質(zhì)相對較好的情況提供科學依據(jù)，提高地下水的利用效率。