石泉縣城區水源地水質調查與評價

胡 娟

（陜西省石泉縣水利局，陜西 石泉 725200）

地表水資源是區域水資源的重要組成,特別是秦巴地區近60%人口的生活用水來自地表徑流。隨著人類活動強度加大，地表徑流的污染呈點、線、面日益蔓延，對居民飲水安全乃至環境發展帶來重大影響[1]。做好水資源調查與質量測定的工作，有利于深入分析潛在的污染源，并為水資源管理和保護提供基礎信息。近年來針對水資源評價的方法可以分為多元統計分析、高階數學模數和神經網絡等三種[2]，其中多元統計模型如TOPSIS法、熵權綜合指數法、投影尋蹤法等，高階數學模型如物元分析、科拓分析、D數理論等，神經網絡應用較多的有BP、RBF、SVM等[3]。其中多元統計分析具有操作簡單、評價過程直觀、方案可移植性強的特點，因而受到廣泛應用。此外，GIS技術具有空間可視化能力也越來越多的應用于水質評價中。以石泉縣城區水源地水質調查數據為基礎，運用因子分析等方法對水源地水質進行綜合評價。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

石泉縣地處秦巴山區中部漢江谷地中上游區域面積1525km2。區域屬漢江流域，漢江自西向東穿流全境，南北兩側分屬巴山、秦嶺，形成谷地平原、山地、丘陵等復雜地形區，海拔介于328 m～2008 m之間。受季風環流與海陸位置效應，形成北亞熱帶季風濕潤氣候，季候分明、溫暖濕潤，年均溫氣溫14.5℃，降水量873.9 mm，雨熱同季。石泉縣水資源豐富，以地表水資源位置，區域林草覆被程度高，達72%，自然生態環境良好。近年來隨著開發區、養殖業、工礦業的發展，局部徑流污染加劇。

1.2 水樣調查與測定分析

石泉縣城區飲用水水源地分兩處，一處位于城區西部漢江上游地段，一處位于湘子河水庫。根據水源地水域面積空間展布，遵循樣帶分布均衡性的要求，對漢江水源處采集36個樣點，對湘子河水源處采集24個樣點，并應用GPS儀記錄樣點地理坐標。將采集的樣品放置干燥、潔凈的玻璃瓶中，除了pH值、電導率(EC)、溶解性總固體(TDS)等在實地測試外，其他水質指標如總硬度(TH)、HCO3-、Cl-、SO42-、K＋、Ca2＋、Mg2＋等參考常規方法于實驗室測定。

1.3 數據分析

以測定的11個指標數據為基礎，先應用3＋δ的方法剔除異常值隨后進行主成分分析，其具體流程如下[4]：

①應用Zscore函數進行標準化，在此基礎上計算相關關系矩陣 R＝(rjk)：

式中，i為水質樣點，j為水質指標序列，xij為第i個水質點的第j項指標含量值。

②計算矩陣特征值，根據各分量方差貢獻率大于80%的原則確定成分個數。若降維分析得到m個特征值，則存在m個維度，每個維度有q個指標，則各維度的重要性權值表示為：

式中，βij表示各指標因子分子系數，ei表示方差貢獻率，ωi代表各子系統重要性權值。

③對各維度進行主成分分析，基于權值進行加權求和，得到各水質樣點綜合得分值，即為水質評價量值[5]。

2 石泉縣城區水源地水質分析

2.1 石泉縣水源地水質統計特征

表1 石泉縣城區水源地水質統計特征

應用經典統計學描述石泉縣城區水源地水質指標基本特征。pH值是飲用水水質重要衡量指標，一般要求其為中至弱堿性水，本區水體pH值介于7.09～8.32之間，平均值為7.59，變異系數僅為3.32%，表明區域pH分布差異性較小，且滿足飲水安全標準。EC是水體中礦物質含量溶解度的反映，本區水體重EC含量在0.53 ms～199.72 ms之間，均值為62.17 ms，變異系數達112.36%，呈強變異，水體中EC含量差異性較大。水庫水體中水陽離子中 Cl-、SO42-、HCO3-的濃度值分別介于 0.36～2.58、1.48～43.2、30.4～85.9、17.1～41.5 mg/L 之間，平均值依次是1.18、9.82、83.8、26.23 mg/L，從變異系數來看，均呈中等程度變異。。其中，Ca2＋濃度變異系數較小，且濃度值較大，是地下水中最主要的陽離子。庫區水體重水陰離子Cl－、SO42-、HCO3-濃度值分別在 2.58～59.29、1.48～56.43 和 109.73～345.73 mg/L 之間，其平均水平依次為12.99、12.27、201.73 mg/L。TH的含量范圍介于185.98～17.97 mg/L之間，平均值為106.94 mg/L。變異系數顯示，除了EC、K＋和Cl-的含量呈強變異之外，其他指標均為中等程度變異。從水質各項指含量來看，石泉縣城區水源地水質相關指標均低于WHO(世界衛生組織)飲用水標準限制，表明其水質良好。

2.2 石泉縣城區水源地水質主成分分析

將原始水質數據予以標準化處理后，采用主成分分析提取方差貢獻率＞80的成分，共計有4特征成分，依次為5.32、4.14、3.22、1.09，與此同時其方差貢獻率依次達到39.51%、27.17%、14.86%、7.52%，累積方差貢獻率為89.06%，各因子得分系數旋轉矩陣如表2所示。

表2 主成分分析得分系數矩陣

將該系數值與方差貢獻率進行加權求和，即可得到水質綜合指數中各項指標Y1的重要性系數，結果如表3所示。統計分析表明，Y1的值域范圍介于-0.76～1.86之間，其綜合得分越高，表明水體質量越差，反之說明水質越優。基于其值域范圍，劃分水質等級，若水質綜合指數介于[-0.76，0)，說明水體質量良好，其值介于[0,1]，表明水質呈中等，當其值為(1,1.86]時，說明水體綜合質量較差。

表3 綜合水質指數Y1得分系數

2.3 石泉縣城區水質空間可視化分析

在前述主成分分析的基礎上計算石泉縣城區水源地各水樣點的水體質量分數，并根據其指數大小采用普通kriging插值進行空間可視化表達，得到結果如圖1所示。可知，漢江水源地水質空間分布較為復雜，總體呈點狀離散分布，于水源地局部地區水質較差，水質綜合分數＞1；大部分地區水質綜合分數在0～1之間，局域有斑點狀分布的水域其水質綜合分數＜0。統計分析顯示，漢江水源地中40個水質樣點中有16個水質樣點屬于良好級別，有25個屬于中等，另外9個樣點水質較差。從湘子河水質分布來看，庫區北部和南部水質較差，達到較差級別，中部及大部分水域屬于良好級。統計表明，湘子河水源地的24個水質點中，有6個為較差等級，13個樣點為中等，另外5個為良好水平。從其分布形態來看，局部存在異常水質樣點，結合實際調查發現，湘子河水源地局部水質較差的樣點為人為活動強烈和地質災害頻發區；而漢江水源地水域局部水質較差則是暗樁引起植物殘體富集所致。

圖1 漢江和湘子河水源地水質綜合分數空間分布

3 結論

采用主成分分析和GIS技術相結合的方法對漢江和湘子河水庫兩處水源地水質進行評價。結果表明，該水源地水體中的陰離子、陽離子、礦質成分含量以及pH基本達到因素飲用水安全標準；整體水質質量處于中度以上較好的水平，但局部水質較差，從其分布形態來看可知區域水質存在部分點源污染，雖然污染程度低，但仍不可忽視，應加強水環境治理。