石家庄市区及周边浅层地下水水质评价

李海军

河北省水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050021

随着经济的高速发展，地下水过量开采导致地下水位下降，城市污水、工业废水的排放及污水灌溉增大了地表污水对地下水体的入侵，使地下水(特别是浅层地下水)严重受到有毒有害物质的污染。因此，开展浅层地下水水质评价具有重要的现实意义。

文章以石家庄市区及周边近两年水质检测数据为基础，采用主成分法对浅层地下水水质进行系统评价，旨在说明研究区域水质环境的分布特征，为地下水的水质评价及水污染防治提供理论基础和科学依据。

1 研究内容与研究方法

1.1 研究内容

石家庄市位于河北省中南部，西部为太行山，东部为辽阔的河北平原，北部有滹沱河穿过，地形西高东低［1］。其地下水主要为第四系地下水，可划分为浅层和深层两个地下水系统［2-3］，石家庄市主要以开采浅层地下水为主。石家庄市地下水总的分布规律是由北向南、由西向东、由浅变深，西北部边缘地带及山前以及滹沱河上游地带水位埋深较浅，一般小于15m。

依据石家庄市的地理特性，以石家庄市区为中心，辐射周边，研究区域包括7区4县11个样区（见图1），分别为井陉县、平山县、灵寿县、正定县、鹿泉区、藁城区、栾城区、新华区、桥西区、长安区、裕华区。通过对近两年的水质数据进行筛选，确定水位埋深6～100m的水样作为分析对象，共计121组水质监测值（平均每区11组水样）。

图1 研究区域位置图

1.2 研究方法

遵循科学性和可比性原则，并对照《地下水质量标准》（GB/T 14848—93），对121组水样水质检测报告数据进行筛选，排除整体符合Ⅲ类标准的数据，最终选择亚硝酸根（NO2-）、氨离子（NH4+）、氯离子（Cl-）、高锰酸盐指数（CODcr）、硝酸根（NO3-）、硫酸根（SO42-）、溶解性总固体（TDS）、总硬度（以CaCO3计，H0）8项参数作为评价因子。

主成分分析（PCA）法是通过将多维因子纳入同一系统中进行定量化研究，将少数的几个假想变量以最少的信息丢失将众多的观测变量浓缩为少数几个因子，是一种理论比较完善的多元统计分析方法[4]。该方法解决了污染指数在区域上和评价指标之间无法对比的问题，能够整体反映地下水的污染状况[5]，多用于水资源和水环境的水质综合评价[6-7]。

文章选用主成分分析的方法，通过对拟定的8项部分超标水质参数进行降维分析，提取出主因子得分系数，将归一化处理后的水质参数与其对应的得分系数值相乘求和得到各主因子分值，并按主因子的分值与其对应的特征根相乘求和即可得到综合评分。该法同样适用于《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）等级标准值的等级划分。因此，按照区域将121组水样的综合评分分值的平均值与主成分分析后的等级标准划分分值进行对比，即可划分出不同区域的水质等级[8]。

2 结果与分析

2.1 主成分分析

利用SPSS软件对121组水质数据进行KMO和Bartlett球形检验后，对8项水质指标的特征根和荷载进行计算，以确定评价的主因子数，分析步骤如下。

（1）KMO检验和Bartlett球形检验结果见表1。由KMO和Bartlett球形检验结果可知，KMO值为0.557＞0.5，说明主成分分析效果较好，适合进行因子分析；同样，Bartlett球形检验结果的相伴概率为0.000＜0.05时，拒绝Bartlett球形检验零假设，表明各项水质数据呈正态分布，可以做进一步分析。

表1 KMO检验和Bartlett球形检验结果

（2）总方差分解表见表2。从表2中可以看出，统计分析将所有检测数据分为两个主成分因子，两个因子变量的方差贡献（特征根）分别为A1=3.501和A2=2.270；方差贡献率分别为43.760%和28.375%，累积贡献率达到72.135%，具有一定的整体代表性。

表2 总方差分解表

（3）先将所有水质数据通过以下公式进行归一化变换处理：

式中：Xi为数值矩阵中第i项数值的归一化后的值；xi为数值矩阵中第i项数值；xmax为数值矩阵中的最大值；xmin为数值矩阵中的最小值。

因子得分矩阵见表3。结合表3两个主成分因子得分系数矩阵，计算两个主成分的得分值，计算公式如下：

表3 因子得分矩阵

（4）通过每个主成分得分值与其对应的特征根占所提取主因子总的特征根之和的权重相乘后求和，即可得到综合主成分分值。公式如下：

由公式（2）、公式（3）、公式（4）计算得到各区域水质的综合得分值F，水质综合评价分数越高，代表水质越差.所得到的水质综合评价分数按区域求其平均值，并依大小排序，结果见表4。

表4 各区域水质检测数据平均值及综合评价得分值

从表4中可以看出以下两点：①从水质检测数据均值上看，不同水质指标检测数值的区域性规律并不明显，而且各项指标之间的相关性也存在一定的差异。其中，溶解性总固体（TDS）浓度范围在500～800mg/L，水质总硬度范围在400～600mg/L；新华区亚硝酸根（NO2-）和氨离子（NH4+）的检测均值最大，分别为0.133mg/L和0.19mg/L；井陉县的氯化物（Cl-）、高锰酸盐指数（CODcr）偏高；硫酸盐（SO42-）、溶解性总固体（TDS）和总硬度（H0）浓度值则是井陉县、长安区、桥西区相对更高一些。②在主成分综合评价方面，F值最小为灵寿县，为0.164；最大为井陉县，为0.333。各区域的水质优劣排序为灵寿县＞正定县＞裕华区＞藁城区＞平山县＞栾城区＞桥西区＞长安区＞新华区＞鹿泉区＞井陉县。灵寿县的水质较好，井陉县水质较差。

2.2 标准等级的综合分析

参照《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）中的基本项目标准限值，依次按步骤，对选取8项指标相应的标准限值进行主成分分析，以给出不同等级的综合评判F值，以用于区域等级评价。主成分的分析结果见表5。

表5 地表水环境质量标准项目标准限值 单位：mg/L

由表5得知，水质综合等级判定F值划分区间分别如下：Ⅰ级F值范围为≤0.01，Ⅱ级F值为0.01＜F值≤0.20，Ⅲ级F值为0.20＜F值≤0.51，Ⅳ级F值为0.51＜F值≤1.03，Ⅴ级F值范围为＞1.03。由此判定石家庄市及周边区域的浅层地下水的水质等级，除了灵寿县和正定县的水质属于Ⅱ级，其余均属于Ⅲ级水质。

3 结论

文章通过采用主成分分析法将石家庄市区及周边8项水质指标简化为两个独立且功能明确的主成分，并结合《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）对应指标标准限值的主成分评判结果，明确了研究区域内浅层地下水的水质等级情况。

（1）石家庄市区及周边区域浅层地下水的水质综合评价结果为灵寿县＞正定县＞裕华区＞藁城区＞平山县＞栾城区＞桥西区＞长安区＞新华区＞鹿泉区＞井陉县。其中，灵寿县和正定县属于Ⅱ级水质，其余均属于Ⅲ级水质。

（2）主成分分析法在水质综合评价过程中能更好地反映水质状态，该方法具有一定的科学性和可行性，能够为地下水的水质评价以及水污染防治提供理论基础和科学依据。