基于主成分分析法的古汉山矿多水源水质评价

罗文骏 郭水涛 李文军

（1.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454100；2.焦作煤业（集团）有限责任公司古汉山矿，河南 焦作 454002）

古汉山矿位于河南焦作境内太行山南麓的山前冲洪积扇前缘，均被第四系及新近系覆盖。北部边界以上（浅部）为吴村矿，其老空区积水沿煤层顶、底板砂岩裂隙以及灰岩裂隙向下渗透至古汉山井田内，使其水文地质条件等变得复杂。同时井田奥陶系灰岩承压水含水层为二1煤层开采的间接充水含水层，其含水层厚度大、富水性极强、水头压力高。为消除古汉山矿的浅部老空水害和奥灰水害，需要进行水源识别和水质评价。

本文在常用的水质评价方法中[1-4]选用主成分分析法评价分析古汉山矿矿井水样。

1 方法原理

主成分分析法是一种降维的多元统计分析方法，主要目的是用较少的主要几个水质指标变量去解释原始数据中的大部分信息。计算步骤如下[4]：

第一步：构建观测矩阵G。根据已有m个矿井水水样和n个水质监测指标，构成观测矩阵G：

第二步：归一化后的观测矩阵G′。由于各指标量纲及判定标准的不同而不具备关联性，为使各指标之间具备可比性，需要将各参数进行归一化处理，即：

式中：Xij为实际测量值；Uj、Sj分别为j指标样本均值和标准差。

第三步：计算相关系数矩阵R。根据归一化观测矩阵G′ 计算相关系数矩阵，即：

i，j=1，2，…，n；k=1，2，…m

式中：rij为第i指标和第j指标间的相关度大小。

2 水样及检测

2.1 水样提取

古汉山矿区存在浅部老空积水，二1煤层存在奥灰水的补给，这威胁着井下采煤的安全。为消除矿井水害的威胁和矿井水的资源化利用，需要先了解各排水点水质情况，再逐步合理地抽排浅部老空水。经现场调查，确定10个取样点位置及其水源类型如表1和图1，水质检测的结果见表2。

表2 古汉山矿井水水质分析结果

图1 古汉山矿区取水样点平面位置分布图

表1 古汉山矿区取水样点位置

2.2 水质特征分析

由于1、2、3号排水点为老空水，TDS较大且浑浊度达8.8NTU，pH在10.29～12.61之间，为较强碱性；其余水样点的TDS较小，pH在7.8～8.24范围内，呈弱碱性，浑浊度较小。为进一步分析水质，本文运用AquaChem软件绘制水样数据的piper三线图，结果如图2。

图2 古汉山矿井水样piper三线图

由piper三线图可知，左边三角形中阳离子主要集中左中部，水样中阳离子主要为Mg2+、Ca2+、Na+；右边三角形中阴离子主要集中在左下部，可知阴离子主要为HCO3-、SO42-。结合舒卡列夫分类法可知水样点的水质类型：5、6、9、10号水样点水质类型为HCO3-Ca·Mg型；1、2、4号水样点水质类型为HCO3·SO4-Na型。所取多水源水样的水质类型主要为HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型。

3 评价及结果

3.1 水质评价

根据研究区矿井水取样点及其水质特征，本文选 取 总 硬 度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、浑浊度、pH共九项指标，参照《地下水质量标准》（GB14848-2017）的等级阈值进行水质评价。由主成分分析法，运用SPSS25计算的总方差解释图可知主成分1、2、3累计方差贡献率为86.822%，大于85%，且特征值均大于1，可认为前3个主成分包含了水样的大部分信息，故选择主成分1、2、3进行水样水质分析，同时得到主成分得分系数矩阵，见表3。

表3 主成分分析总方差分布表

从表4可知，主成分1主要影响因素为TDS、pH、Cl-、Na+，主成分2主要影响因素为总硬度、Fe、浑浊度，主成分3主要影响因素为总硬度、NO3-、Fe。评价得到的水质等级见表5。

表4 主成分得分系数矩阵

由表5可知：主成分1～3得到的水质分析结果水质等级在I～V，大部分水样点的水质等级在II～IV。水样1～4水质等级在主成分1～3中的评价都在II～V，1～4号水样点都是老空水，地下水受煤层中含有黄铁矿等的污染，水质较差。

表5 水质评价结果表

主成分2和3评价结果与单因子水质评价结果有较大区别：1、2、3号水样点未考虑pH项，评价结果偏于乐观；4、7号水样点评价结果与传统评价方法有不同，选取的指标如总硬度、Fe在4和7号水样点浓度较低，综合分析结果与实际水质不符。主成分1评价结果与传统单因子评价结果较接近，1、2、3号水样点如pH值10.29～12.61为较强碱性，水质较差，评价结果为V级，比较符合水样实际水质情况。综合分析可知主成分1评价结果较好。

由表2可知：5、6、9、10号水样点水质类型为HCO3-Ca·Mg型，7号点为HCO3-Na型，8号点为HCO3·SO4-Ca·Mg型，考虑水样点平面分布图和取样点层位5、6与9、10水样点水质类型相同，可推知吴村矿32采区对古汉山矿15采区有一定的水源补给，但取样距离相差较大，可知其水力联系较弱。水样点7、8、9、10虽在一个采区，但取样层位不同，水质类型也有较大差异，故水力联系可能较弱。1、2、4号点水质类型为HCO3·SO4-Na型，3号点为SO4·Cl-Na型，水质类型接近，结合水样点平面分布图可以推知1、2、3、4号点存在较强水力联系。

3.2 结果分析

1～5号水样分别取自吴村矿35、33和32号排水点、-175泵房和吴村主井排水点，取样点为浅部老空水聚集的区域，较少的接收奥灰水的补给，受奥灰水的威胁程度较小。另外经过含黄铁矿煤岩层的淋滤后水样中含有较高铁离子浓度和较高的TDS等，较大程度地降低水质等级。取自古汉山矿15采区井下的水样点，受一定程度的奥灰水补给，由于矿井正常生产，补给排泄正常且连续，其受奥灰水的威胁程度较小且水质较好。

4 结论

（1）由piper三线图和舒卡列夫分类法并结合水质资料可知水样点的水质类型：主要为HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型，35、33和32号排水点和-175泵房水样点水质类型相近且取样层位相同，其水样点存在较强水力联系。

（2）本文选取总硬度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、浑浊度、pH共计九项指标，利用主成分分析法得到水质等级集中在II排泄IV级，其中主成分1评价结果与传统单因子评价结果较接近，评价结果较好。研究结果可为古汉山矿井水害联合抽排水治理和矿井水质分类资源化利用提供参考。