黃 姍， 丁堅平， 徐 洋

(貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴陽 550025)

開陽縣地處黔中腹地，地下水資源量十分豐富。但由于巖溶發(fā)育及陡峻的山區(qū)地形造成地高水低、地表落水洞、地下洞穴和管道發(fā)育，地表水與地下水交替迅速，且含水介質(zhì)裸露及含水系統(tǒng)上覆紅粘土層不連續(xù)分布，使得污染物質(zhì)可以通過巖溶漏斗、地下水天窗等進入含水系統(tǒng)。

伴隨著城市的大力發(fā)展，大量工礦企業(yè)的建成投產(chǎn)，對水資源的大規(guī)模開發(fā)利用的同時，使地表水和地下水受到不同程度的污染。為了能更好地開發(fā)利用巖溶地下水，本文采用主成分分析法探討地下水水質(zhì)評價，以期為水資源的綜合利用和污染防治提供參考。

1 水質(zhì)評價方法

1.1 常用評價方法概述

水質(zhì)評價的方法有很多種，各有優(yōu)點與不足，目前常用的水環(huán)境質(zhì)量評價的方法有:①單因子評價法，該方法分別對單個指標進行分析評價。②模糊綜合評價法，它是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評方法。它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。③人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，是一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進行信息處理的數(shù)學(xué)模型。④灰色聚類法，灰色聚類是以灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)生成為基礎(chǔ)，將一些觀測指標或?qū)ο缶奂扇舾蓚€可定義類別的方法［1－2］。

1.2 主成分分析法

1.2.1 基本概念及分析原理

主成分分析法，是多元統(tǒng)計分析的一個分支，旨在利用降維的思想，在損失很少信息的前提下把多個指標轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標的多元統(tǒng)計方法。在研究復(fù)雜問題時，只須考慮少數(shù)幾個主成分而不至于損失太多信息，從而更容易抓住主要矛盾，揭示事物內(nèi)部變量之間的規(guī)律性，同時使問題得到簡化，提高分析效率。而且主成分分析法不需要人為設(shè)定指標權(quán)重，評價結(jié)果較客觀［3－5］。

由于該法具有減少指標選擇工作量、降低評價指標之間的相互影響等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)學(xué)、計算機圖形學(xué)、生態(tài)評價等多個領(lǐng)域。

1.2.2 主成分分析法應(yīng)用

貴州由于巖溶環(huán)境的脆弱性，且?guī)r溶多為裸露型，地表水與地下水轉(zhuǎn)換頻繁，地下水保護程度較低，污染方式以直接污染為主［6］。地表工業(yè)廢渣、農(nóng)藥及生活垃圾等污染物可直接進入地下水系統(tǒng)，導(dǎo)致污染地下水的影響因子較多。其中利用單因子評價法只能對單個指標進行評價，而不能全面地反映地下水質(zhì)量的整體狀況。模糊綜合評價法對評價指標的選擇與指標權(quán)重的確定有了很大的主觀性，從而影響水質(zhì)評價結(jié)果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型其評價結(jié)果相對較為客觀，但評價過程中極易因陷入局部極小點而無法得到全局最優(yōu)解。

本文采用主成分分析法評價巖溶地下水水質(zhì)，充分考慮了參評因子的權(quán)重，旨在從多個評價因子中選擇影響相對較大的因子，并最大限度克服因子選擇的主觀性與冗余性，從而為預(yù)防和防治地下水污染提供參考。

但是主成分分析法在實際應(yīng)用中要注意一些問題，比如原始變量的正向化處理，主成分綜合得分計算中指標權(quán)重的確定等問題［7］。

2 實例分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于《貴陽市地下水資源普查報告(2014)》，其中水樣采集點及水樣原始檢測結(jié)果見表1，采用主成分分析法，并利用SPSS軟件進行計算，對開陽縣的7個地下暗河出口及2個巖溶泉共9個水樣中的13個指標進行水質(zhì)綜合分析評價。

表1 水質(zhì)指標檢測值 mg/L(pH為無量綱)

1.2 計算步驟

由于主成分分析中各變量量綱不同，造成可比性較差，為了排除數(shù)量級和量綱不同帶來的影響，對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理?？刹捎肸－score方法進行無量綱化，即各項指標的原始數(shù)據(jù)減去該指標的均值再除以標準差。處理結(jié)果見表2。

計算標準化數(shù)據(jù)矩陣Y的相關(guān)系數(shù)矩陣R。并求出相關(guān)矩陣R的特征值及相應(yīng)的特征向量Si。相關(guān)系數(shù)矩陣的公式見式(1)。

式中:rij為相關(guān)系數(shù)，xti與xtj分別為第t個樣本的第i個標準化數(shù)據(jù)與第t個樣本的第j個標準化數(shù)據(jù)，n為樣本數(shù)，p為監(jiān)測指標數(shù)。根據(jù)式(1)求出相關(guān)系數(shù)矩陣，如表3所示。由表3可知各因子之間的相關(guān)性，兩個因子之間相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，則表示兩因子之間的聯(lián)系越緊密。如Cl－和Na+相關(guān)系數(shù)的絕對值為0.984，說明其有著較大的相關(guān)性;而NO－和F－的相關(guān)系數(shù)的絕對值只有0.018，說明其相關(guān)性最差。

表2 數(shù)據(jù)標準化

表3 相關(guān)系數(shù)矩陣

表4為特征值及相應(yīng)的貢獻率。其中，每一特征值即為對應(yīng)主成分的方差，方差越大，則對總方差的貢獻越大;每一特征向量則是對應(yīng)主成分的線性表達式中原始指標的組合系數(shù)。表中顯示前4個主成分的特征值都大于1，且累積貢獻率已達90.478%，足以反映原始指標所提供的絕大部分信息，可利用前4個主成分對地下水水質(zhì)進行研究，其余則可忽略不計。

表4 特征值及貢獻率

表5為特征向量，從表中可得出，第一主成分中Fe、Na+、Cl－、NO3－的絕對值較大，則表明第一主成分主要受這些指標的影響。同理可得出第二主成分主要受pH、總硬度、總堿度的影響;第三主成分主要受耗氧量的影響;第四主成分主要受NO2－的影響。

表5 特征向量

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)第一、第二、第三和第四主成分的特征向量與相應(yīng)的各因子標準化數(shù)據(jù)之積的和得出各主成分的得分，然后再與方差貢獻率相乘得出總得分。根據(jù) GB/T 14848—93《地下水質(zhì)量標準》［8］，各個單項指標值對應(yīng)的評價分值按照公式(2)求出綜合評價分值。其中各單項指標對應(yīng)分值如表6所示。

表6 各類別對應(yīng)評價分值

將地下水水質(zhì)評價級別分成5類，綜合評價分值F的大小代表水質(zhì)優(yōu)良(＜0.80)、良好(0.80～＜2.50)、較好(2.50 ～ ＜ 4.25)、較差(4.25 ～＜7.20)、極差(＞7.20)，得分越低，說明水質(zhì)越好。各主式分得分結(jié)果見表7。

表7 各主成分得分及綜合得分

從表7可以得出，城關(guān)鎮(zhèn)石頭村的水質(zhì)較差，其中第一主成分得分高達11.563，影響最大的因子從表5中也可以看出是Fe、Na+、Cl－等。城關(guān)鎮(zhèn)位于開陽縣城，主要有生活污染和工礦業(yè)污染，該區(qū)域的人口密度也較大，加之礦產(chǎn)資源的大力開發(fā)，造成了大面積的地下水污染。而且該地區(qū)巖溶也比較發(fā)育，地貌以巖溶溝谷為主，工業(yè)污染源以連續(xù)性和間歇性入滲兼而有之;工業(yè)廢水的直接排入對地下水有著直接或間接的污染［9］。

在其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)，馮三鎮(zhèn)四坪村的水質(zhì)為良好，其余的水質(zhì)都為優(yōu)良。

3 結(jié)論

(1)在地下水資源非常豐富的貴州巖溶山區(qū)，地下水的水質(zhì)評價對經(jīng)濟社會的發(fā)展尤為重要，面對地下水污染日益嚴重的問題，采取有效的預(yù)防治理措施迫在眉睫，而巖溶地下水水質(zhì)評價是一個復(fù)雜的、多指標的評價系統(tǒng)，本文利用主成分分析法對開陽縣巖溶地下水水質(zhì)進行綜合評價，除城關(guān)鎮(zhèn)石頭村水質(zhì)較差以外，其余水質(zhì)均為良好以上。

(2)通過對該區(qū)域水質(zhì)的綜合分析，F(xiàn)e、Na+等因素對開陽縣巖溶地下水水質(zhì)污染影響較大，這主要為礦產(chǎn)資源開發(fā)所致，所以應(yīng)更加注重對地下水水源地的保護，尤其要注意礦山開采區(qū)的地下水資源保護。

(3)主成分分析法在地下水水質(zhì)評價中能夠克服主觀隨意性，評價結(jié)果較為客觀合理，且應(yīng)用相對較為簡便，對水質(zhì)的評價有著積極的參考意義。

［1］蘇耀明，蘇小四.地下水水質(zhì)評價的現(xiàn)狀與展望［J］.水資源保護，2007，23(2):4 －12.

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［8］ GB/T14848 －1993.地下水質(zhì)量標準［S］.北京:中國標準出版社，2003.

［9］楊秀麗，曾群，蘇澤志.貴陽市地下水污染現(xiàn)狀評價及防治對策［J］.貴州地質(zhì)，2010，27(4):291－295.