基于主成分分析法的松塔水库水源地水质分析

李佳佳 张 龙

(1.山西省水利发展中心,山西 太原 030002;2.山西冶金岩土工程勘察有限公司,山西 太原 030000)

1 水源地概况

松塔水库水源地位于寿阳县松塔镇西草庄村东 500m处,地处潇河主流松塔河上,控制流域面积1174km2,总库容9740万m3,是一座以城市和工业供水及发电为主,兼顾防洪、农业灌溉等综合利用的中型水利枢纽工程。

松塔水库水源地2016年被纳入全国重要饮用水水源地,目前供水工程主要由榆次供水管路和寿阳供水管路两部分组成,承担着20万人的生活用水任务,工业供水2200万m3,农业供水830万m3,改善潇河灌区灌溉面积17.57万亩,年可发电349万kW·h,是晋中市重要的民生水利枢纽工程。为保障松塔水库水源地用水安全,水质检测和水质分析是十分必要的。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

水质监测点位于松塔水库坝前进水塔,由山西省水环境监测中心晋中分中心监测。根据2018—2022年月监测数据,监测项目包含《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中要求的29个项目,剔除常年监测结果低于方法检出限的项目[1],选取了13个水质指标,即pH值、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)、氟化物、汞、硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮。

2.2 研究方法

主成分分析法是利用降维的思想,在损失很少信息的前提下把多个变量通过线性变换选出较少个数重要变量的多元统计分析方法。转化生成的较少个数重要变量即为主成分,其中每个主成分都是原始变量的线性组合,且各个主成分之间互不相关,具有较好的客观性。本研究采用主成分分析法得到影响松塔水库水源地水质的主要因子,分析水源地2018—2022年水质变化趋势,为水源地水质保护提出对策。主成分分析法具体步骤如下[2-6]:

a.对选取的13个水质指标原始数据进行标准化处理,消除量纲和数量级的影响。

b.对标准化的13个水质指标进行相关性分析,运用KMO检验统计量和Bartlett球形度检验,判断标准化后的数据是否适合主成分分析。

c.计算主成分贡献率和累计贡献率,确定主成分个数。

d.计算主成分分值,确定综合函数,对各年份进行水质排序。

3 计算结果

3.1 相关性分析

表1计算结果为标准化后的13个指标的相关系数,相关系数绝对值越大,相关关系就越密切。相关系数的正负表示两个指标相关关系的正负。硝酸盐氮和TN相关系数为0.977,是相关关系最密切的一对指标,表明两者来源相似度极高。CODMn与BOD5相关系数为0.770,硫酸盐与氟化物相关系数为0.682,表明两组指标具有较强的正相关关系。13个指标中pH值与其他指标的相关性都较弱,DO、CODMn、CODCr、BOD5与各指标相关性较好。

表1 各指标相关性矩阵

表2显示,经标准化的各指标KMO=0.695,Bartlett球形度检验显著性为0,符合KMO检验结果为0.5～0.7,同时Bartlett检验结果的显著性小于0.05的要求,表明13个指标适宜进行主成分分析。

表2 KMO和Bartlett检验

3.2 主成分提取

根据提取主成分的累计贡献率和特征值判断,累计贡献率达到70%～80%,特征值大于1[2],符合主成分提取要求。根据表3计算结果,本次提取了Z1、Z2、Z3、Z4共4个主成分,特征值分别为5.089、2.251、1.344、1.009,对应的方差分别为39.145%、17.316%、10.338%、7.758%,累积方差为74.557%。第一主成分的特征值和方差值较大,第二、第三和第四主成分的特征值和方差值相对较小,表明水源地水质的污染源复杂多样。

表3 主成分特征值及方差贡献率

表4计算结果表示指标与主成分相关程度,系数绝对值越大越显著相关。第一主成分Z1的方差百分比为39.145%,与CODMn、CODCr、BOD5呈显著正相关,与硫酸盐、汞显著负相关,是最主要的主成分,主要反映无机物、有机物对水源地水质的影响。第二主成分Z2的方差百分比为17.316%,与硝酸盐氮、TN呈显著正相关,主要反映含氮污染物对水质的影响。第三主成分Z3的方差百分比为10.338%,与pH值呈显著正相关,主要反映pH值对水质的影响。

表4 特征值对应的载荷矩阵

3.3 综合得分评价

根据式(1)～式(3)计算特征值所对应的得分系数矩阵、主成分得分、综合得分。

(1)

(2)

(3)

式中:Pij为得分系数矩阵中第i个主成分的第j个指标的数值;Zij为载荷矩阵第i个主成分的第j个指标的数值;λi为第i个主成分的特征值;Fi为第i个主成分的得分,见表5;xij为第i个指标的第j个标准化数值;F为主成分的综合得分,见图1。

图1 2018—2022年综合得分

表5 主成分各年份得分

由于水源水质指标为低优指标,得分越高,说明水源污染越严重。根据表5和图1,松塔水库水源地2018—2022年水质综合得分呈显著下降趋势,说明水源地水质得到改善。

3.4 水质变化原因分析

2018年5月,根据国家生态环境部对松塔水库集中式饮用水水源地进行现场督查提出的整改意见,寿阳县人民政府下发了《寿阳县人民政府关于印发松塔水库集中式饮用水水源地整治方案的通知》(县政发〔2018〕16号),2018年11月,松塔水库一级、二级陆域保护区水源地发现问题整改完成,涉及垃圾清理、面源污染治理、土地流转退耕绿化、商业开发退出、围栏防护、干线公路标准化建设等。自2018年完成整改后,松塔水库水源地水质逐年改善。

4 结论与建议

a.根据2018—2022年松塔水库水源地月水质监测数据,采用主成分分析法,提取了4个主成分,通过计算综合得分,2018—2022年松塔水库水源地水质逐年得到提升和改善。

b.根据主成分分析结果,影响松塔水库水源地水质的主要因子是CODMn、CODCr、BOD5、硫酸盐、TN、pH值。

c.根据分析,松塔水库水源地水质得到提升和改善,但是水源地仍存在总氮超标、保护区未完全封闭、保护区内有农业种植等问题,需要水源地管理部门进一步投入技术和资金解决水源地问题,保障人民用水安全。