1、第 41 卷第 4 期2022 年 12 月吉林地质JILIN GEOLOGYVol.41No.4Dec.2022文章编号:10012427(2022)04579基于主成分分析和水质标识指数的水质评价方法研究 以福建省东山县为例李向东吉林省地质环境监测总站(吉林省地质灾害应急技术指导中心)，吉林 长春130026摘要:对福建省东山县 2011 年 1 月(枯水期)、7 月(丰水期)具有代表性的 12 口监测井的监测数据进行主成分分析，选取 TDS、Cl;NO3，NO2，NH+4;Fe3+，Mn2+作为新的评价指标体系，分别代表东山县的地下水咸化、三氮污染、金属离子污染三个突出的地下水污染问题。
2、在此基础上，运用水质标识指数法进行水质评价，结果表明研究区水质存在时空差异，从单因子水质标识指数评价可以看出 TDS、Cl、NO3、NO2、NH+4、Fe3+、Mn2+超类标准的比例在枯水分别为 16.7%、16.7%、33.3%、16.7%、16.7%、50%、41.7%，丰水期分别为 16.7%、33.3%、58.3%、58.3%、8.3%、25%、50%，且部分区域评价为劣 V 类;从综合水质标识指数可知，丰、枯水期水质类别均为 类，且枯水期较丰水期差。研究表明运用主成分分析法选取水质评价指标，大大减少工作量的同时避免了主观随意性;水质标识指数法全面可靠地反映了研究区的水质状况;综合体系
3、的构建对于东山县污染治理具有指导意义。关键词:地下水污染;水质评价;主成分分析;水质标识指数;东山县中图分类号:X824文献标识码:A收稿日期:2022-09-10;改回日期:2022-12-23作者简介:李向东(1988)，男，吉林延边人，吉林省地质环境监测总站(吉林省地质灾害应急技术指导中心)工程师。Water quality assessment based on principal component analysis andwater quality identification index:taking Dongshan Countyof Fujian Province as an
4、 exampleLI XiangdongGeological Environmental Monitoring Central Station of Jilin Province(Jilin Province Geological DisasterEmergency Technology Guidance Center)，Changchun 130026，Jilin，ChinaAbstract:The monitoring data of 12 representative monitoring wells in Dongshan County，Fujian Province in Janua
5、ry(dryseason)and July(wet season)of 2011 were analyzed by principal component analysis，select TDS，Cl;NO3，NO2，NH+4;Fe3+，Mn2+as a new evaluation index system，and respectively represent three prominent groundwater pollutionproblems in Dongshan County are groundwater salinization，three nitrogen pollutio
6、n and metal ion pollution The water qual-ity identification index method was used to evaluate results reveal the temporal and spatial differences of water quality Theresults of the single factor water quality identification index show that TDS，Cl，NO3，NO2，NH+4，Fe3+，Mn2+excee-ding Class standard was 1
7、6.7%，16.7%，33.3%，16.7%，16.7%，50%，and 41.7%respectively in the dry sea-son，16.7%，33.3%，58.3%，58.3%，8.3%，25%and 50%respectively in wet season，and some regions are evalua-ted as inferior V;According to the comprehensive water quality identification index，the water quality in the wet and dryseasons belo
8、ng to Class I IV，and water quality is worse in the dry season than in the wet season The results show thatthe principal component analysis for selecting water quality evaluation indicators can greatly reduce the workload and avoidsubjective randomness，and the water quality index method comprehensive
9、ly and reliably reflects the water quality status ofthe study area The establishment of the comprehensive system has guiding significance for the pollution control of DongshanCountyKey words:Groundwater pollution;water quality assessment;principal component analysis;water quality identificationindex
10、;Dongshan Country0引言在福建省东山县，地下水是主要的饮用水水源1，由于人类活动不当，使该区地下水受到了污染，对当地居民的生产和生活均造成了一定影响。而该区开展的地下水污染研究工作比较少，污染状况及污染类型不清，因此对东山县进行地下水水质评价具有重要的意义2。目前，我国水质评价方法的研究较多，主要为单因子评价法、水质标识指数法、模糊评价法、层次分析法、灰色系统评价法、人工神经网络法、污染指数法3 4。但在进行水质评价时未充分考虑地下水水质的成因、演变规律以及水量对水质的影响。综合考虑评价区影响地下水水质的各种因素，客观合理地选择评价指标、选择能够更真实地反映地下水水质状况的水质
11、评价方法至关重要5 6。主成分分析法具有消除原始指标间相关关系的影响，采用较少的综合因子代替多数的原始变量，大大减少工作量的优点7。目前国内主要利用主成分分析法的综合得分进行水质评价8、合理确定评价因子的权重9 10 等，而国外，主成分分析法已经运用于影响地下水水质的地球化学过程方面的分析研究11 12，因此，对提取的主成分进行深入研究具有很高的价值，如:合理确定污染类别、成因分析、运用提取的主成分构建水质评价指标体系等。本文采用主成分分析法客观地选取水质评价指标，建立水质评价指标体系，分析研究区存在的地下水污染问题，克服了凭经验选取评价指标的主观随意性;在此基础上，用水质标识指数法对该区水质
12、进行客观全面评价，不仅能够完整表达单因子的水质类别，还可以定性、定量地评价综合水质状况，并能指出评价水体与水环境功能要求的相差级别13 14;最终综合体系的构建是对福建省东山县的污染物特征、成因、时空分布规律、水质类别的综合分析并提出合理性建议。本文为客观选取水质评价指标提供了新思路;同时将不同水质评价方法相互结合使其优势互补，更加真实地对研究区进行水质评价，具有一定的借鉴意义;在福建省东山县进行水质评价时充分结合该区存在的地下水污染问题，对该区水污染治理具有一定的指导作用。1原理及研究方法1.1主成分分析法主成分分析法作为一种在同一系统中对多维因子进行定量研究的多元统计分析方法，该理论已发展
13、得比较完善15。基本思想是在大量有相关性的因子中必然存在着共同因子，该因子起着支配作用。根据变量间的内部结构关系，从众多的原始变量矩阵中找出几个综合指标来反映综合环境质量;因此所得指标不仅可以保留最初数据的主要信息，并且彼此之间不相关;与原始变量相比，综合指标能够抓住主要矛盾16，使复杂的环境问题简单化。进行主成分分析需要遵循以下步骤17 18:(1)由 m 个样本的 n 个因子构成的原始变量矩阵 X 可表示为:X=X11X12X1nX21X22X2nXm1Xm2Xm3Xmn(1)(2)对上述矩阵进行标准化处理，处理后的数据不受量纲和数量级的差异性影响，主要利用 Z Score 变换，其标准化
14、公式为:Zij=Xij XjSj(2)Xj=1mmi=1Xij(3)S2j=1m 1mi=1(Xij Xj)2(4)(3)进行标准化数据的相关系数矩阵、特征根和特征向量的求取。(4)按照方差占总方差的比例求取累计方差贡献率，即 =pi=1ini=1i(通常取 80%85吉林地质第 41 卷85%)来选取主成分，p 表示主成分的个数。(5)主成分 Fi=(i=1，2，p)的表达式。F1=a11ZX1+a21ZX2+an1ZXnF2=a12ZX1+a22ZX2+an2ZXnFp=a1mZX1+a2mZX2+anmZXn(5)(6)综合评价函数的确定。F=11+2+pF1+21+2+pF2+p1+2
15、+pFp(6)上面几个公式中:a1m，a2m，anm为原始变量矩阵 X 的协方差阵的特征值对应的特征向量;ZX1，ZX2，ZXn为原始变量矩阵 X 经过标准化处理的值;1，2，p为 ZX 矩阵的特征值;n 为因子个数;m 为样本个数;p 为主成分个数。1.2水质标识指数法水质标识指数不仅可以客观完整地评价出单个因子的水质级别，同时还可以客观定量地对研究区进行综合评价。该方法的突出优点是:(1)定量地判别研究区实际水体水质状况是否能达到水环境功能区要求;(2)对劣 V 类水比较污染的严重程度，也可以在不同类别水质指标中比较分析19。1.2.1单因子水质标识指数单因子水质标识指数表达式20:Pi=
16、X1X2X3(7)式中:Pi为单因子水质标识指数，X1为第 i 项指标的实测值与 地下水质量标准(GB/T14848 93)比较得出的水质类别;X2为实测指标数据在第 X1类水质变化区间中所处位置;X3为实际水质类别与水体功能区类别的差值(可为1 位或2 位有效数字)。1.2.2综合水质标识指数Iwq=X1X2X3X4(8)X1X2=1m(P1+P2+Pm)(9)式(8)中:X1为河流总体的综合水质类别;X2为综合水质在 X1类水质变化区间内所处位置，从而实现在同类水中进行水质优劣比较;X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数;X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，根据综合水质的污染程度，为一位或两位有效数字 P1，Pm分别为第1，m 个水质因子的单因子水质指数。2应用与讨论2.1数据来源及选取在福建东山县共设 12 个水样采集点，分布于铜陵镇下田街大井头、西埔镇中兴街康福巷县医、西埔镇梧龙村果林场(柑园)、西埔镇梧龙村外砂龟嘴(公路东)、西埔镇梧龙村硅砂矿采场、陈城镇山口村赤石鳗场南西、陈城镇黄山村黄山母岩、陈城镇大路口村东北 370 m(小路边
