石泉县城区水源地水质调查与评价

胡 娟

（陕西省石泉县水利局，陕西 石泉 725200）

地表水资源是区域水资源的重要组成,特别是秦巴地区近60%人口的生活用水来自地表径流。随着人类活动强度加大，地表径流的污染呈点、线、面日益蔓延，对居民饮水安全乃至环境发展带来重大影响[1]。做好水资源调查与质量测定的工作，有利于深入分析潜在的污染源，并为水资源管理和保护提供基础信息。近年来针对水资源评价的方法可以分为多元统计分析、高阶数学模数和神经网络等三种[2]，其中多元统计模型如TOPSIS法、熵权综合指数法、投影寻踪法等，高阶数学模型如物元分析、科拓分析、D数理论等，神经网络应用较多的有BP、RBF、SVM等[3]。其中多元统计分析具有操作简单、评价过程直观、方案可移植性强的特点，因而受到广泛应用。此外，GIS技术具有空间可视化能力也越来越多的应用于水质评价中。以石泉县城区水源地水质调查数据为基础，运用因子分析等方法对水源地水质进行综合评价。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

石泉县地处秦巴山区中部汉江谷地中上游区域面积1525km2。区域属汉江流域，汉江自西向东穿流全境，南北两侧分属巴山、秦岭，形成谷地平原、山地、丘陵等复杂地形区，海拔介于328 m～2008 m之间。受季风环流与海陆位置效应，形成北亚热带季风湿润气候，季候分明、温暖湿润，年均温气温14.5℃，降水量873.9 mm，雨热同季。石泉县水资源丰富，以地表水资源位置，区域林草覆被程度高，达72%，自然生态环境良好。近年来随着开发区、养殖业、工矿业的发展，局部径流污染加剧。

1.2 水样调查与测定分析

石泉县城区饮用水水源地分两处，一处位于城区西部汉江上游地段，一处位于湘子河水库。根据水源地水域面积空间展布，遵循样带分布均衡性的要求，对汉江水源处采集36个样点，对湘子河水源处采集24个样点，并应用GPS仪记录样点地理坐标。将采集的样品放置干燥、洁净的玻璃瓶中，除了pH值、电导率(EC)、溶解性总固体(TDS)等在实地测试外，其他水质指标如总硬度(TH)、HCO3-、Cl-、SO42-、K＋、Ca2＋、Mg2＋等参考常规方法于实验室测定。

1.3 数据分析

以测定的11个指标数据为基础，先应用3＋δ的方法剔除异常值随后进行主成分分析，其具体流程如下[4]：

①应用Zscore函数进行标准化，在此基础上计算相关关系矩阵 R＝(rjk)：

式中，i为水质样点，j为水质指标序列，xij为第i个水质点的第j项指标含量值。

②计算矩阵特征值，根据各分量方差贡献率大于80%的原则确定成分个数。若降维分析得到m个特征值，则存在m个维度，每个维度有q个指标，则各维度的重要性权值表示为：

式中，βij表示各指标因子分子系数，ei表示方差贡献率，ωi代表各子系统重要性权值。

③对各维度进行主成分分析，基于权值进行加权求和，得到各水质样点综合得分值，即为水质评价量值[5]。

2 石泉县城区水源地水质分析

2.1 石泉县水源地水质统计特征

表1 石泉县城区水源地水质统计特征

应用经典统计学描述石泉县城区水源地水质指标基本特征。pH值是饮用水水质重要衡量指标，一般要求其为中至弱碱性水，本区水体pH值介于7.09～8.32之间，平均值为7.59，变异系数仅为3.32%，表明区域pH分布差异性较小，且满足饮水安全标准。EC是水体中矿物质含量溶解度的反映，本区水体重EC含量在0.53 ms～199.72 ms之间，均值为62.17 ms，变异系数达112.36%，呈强变异，水体中EC含量差异性较大。水库水体中水阳离子中 Cl-、SO42-、HCO3-的浓度值分别介于 0.36～2.58、1.48～43.2、30.4～85.9、17.1～41.5 mg/L 之间，平均值依次是1.18、9.82、83.8、26.23 mg/L，从变异系数来看，均呈中等程度变异。。其中，Ca2＋浓度变异系数较小，且浓度值较大，是地下水中最主要的阳离子。库区水体重水阴离子Cl－、SO42-、HCO3-浓度值分别在 2.58～59.29、1.48～56.43 和 109.73～345.73 mg/L 之间，其平均水平依次为12.99、12.27、201.73 mg/L。TH的含量范围介于185.98～17.97 mg/L之间，平均值为106.94 mg/L。变异系数显示，除了EC、K＋和Cl-的含量呈强变异之外，其他指标均为中等程度变异。从水质各项指含量来看，石泉县城区水源地水质相关指标均低于WHO(世界卫生组织)饮用水标准限制，表明其水质良好。

2.2 石泉县城区水源地水质主成分分析

将原始水质数据予以标准化处理后，采用主成分分析提取方差贡献率＞80的成分，共计有4特征成分，依次为5.32、4.14、3.22、1.09，与此同时其方差贡献率依次达到39.51%、27.17%、14.86%、7.52%，累积方差贡献率为89.06%，各因子得分系数旋转矩阵如表2所示。

表2 主成分分析得分系数矩阵

将该系数值与方差贡献率进行加权求和，即可得到水质综合指数中各项指标Y1的重要性系数，结果如表3所示。统计分析表明，Y1的值域范围介于-0.76～1.86之间，其综合得分越高，表明水体质量越差，反之说明水质越优。基于其值域范围，划分水质等级，若水质综合指数介于[-0.76，0)，说明水体质量良好，其值介于[0,1]，表明水质呈中等，当其值为(1,1.86]时，说明水体综合质量较差。

表3 综合水质指数Y1得分系数

2.3 石泉县城区水质空间可视化分析

在前述主成分分析的基础上计算石泉县城区水源地各水样点的水体质量分数，并根据其指数大小采用普通kriging插值进行空间可视化表达，得到结果如图1所示。可知，汉江水源地水质空间分布较为复杂，总体呈点状离散分布，于水源地局部地区水质较差，水质综合分数＞1；大部分地区水质综合分数在0～1之间，局域有斑点状分布的水域其水质综合分数＜0。统计分析显示，汉江水源地中40个水质样点中有16个水质样点属于良好级别，有25个属于中等，另外9个样点水质较差。从湘子河水质分布来看，库区北部和南部水质较差，达到较差级别，中部及大部分水域属于良好级。统计表明，湘子河水源地的24个水质点中，有6个为较差等级，13个样点为中等，另外5个为良好水平。从其分布形态来看，局部存在异常水质样点，结合实际调查发现，湘子河水源地局部水质较差的样点为人为活动强烈和地质灾害频发区；而汉江水源地水域局部水质较差则是暗桩引起植物残体富集所致。

图1 汉江和湘子河水源地水质综合分数空间分布

3 结论

采用主成分分析和GIS技术相结合的方法对汉江和湘子河水库两处水源地水质进行评价。结果表明，该水源地水体中的阴离子、阳离子、矿质成分含量以及pH基本达到因素饮用水安全标准；整体水质质量处于中度以上较好的水平，但局部水质较差，从其分布形态来看可知区域水质存在部分点源污染，虽然污染程度低，但仍不可忽视，应加强水环境治理。