基于主成分分析的青島市農村飲用水水質綜合評價

王金葉++李朝霞

摘 要：

為了解青島市農村地區生活飲用水水質的情況，為該地區居民健康安全地使用飲用水提供參考，本試驗以青島市嶗山區、城陽區、即墨市農村生活飲用水為研究對象，根據各地生活飲用水水源供給途徑等進行采樣點布設和水樣采集，對所采水樣進行金屬離子（Pb、Fe）、總溶解固體含量、pH值、總硬度、堿度、CODMn、氨態氮、亞硝態氮、硫酸根及氯離子含量等測定，采用主成分分析法對其水質進行綜合評價。結果顯示：青島市農村飲用水水質問題主要是總硬度、氯化物含量、硫酸根含量、CODMn含量和溶解性總固體TDS含量高；即墨市各采樣點水質較差，其次是城陽區，嶗山區采樣點水質最好。建議加強農村飲用水尤其是工業企業密集的農村水源保護，保障農村飲用水水質衛生安全。

關鍵詞： 農村生活飲用水；水質；主成分分析；青島

中圖分類號： S11+4+X824.02 文獻標識號：A 文章編號： 1001 - 4942（2014）08 - 0104 - 05

Integrated Evaluation on Quality of Qingdao Rural Drinking Water Based on Principal Component Analysis

Wang Jinye，Li Zhaoxia*

（College of Marine Science and Engineering，Qingdao Agricultural Sciences，Qingdao 266109，China）

Abstract To know about the quality of Qingdao rural drinking water and provide some references for safely using the drinking water， the water samples collected from Laoshan District， Chengyang District and Jimo City were studied by principal component analysis. The monitoring projects of water quality included pH value， total hardness， alkalinity， the contents of metal ion （Pb and Fe）， total dissolved solids， CODMn， sulfate radical， chloride ion， ammoniacal nitrogen and nitrite nitrogen. The results showed that the water quality problems were mainly embodied in higher contents of total hardness， chlorides， sulfate radical， CODMn and total dissolved solids. The water quality of Jimo City was the worst followed by Chengyang District， and that of Laoshan District was the best. It was suggested that the rural drinking water sources especially located in the dense industrialized regions should be strongly protected to ensure the rural drinking water security.

Key words Rural drinking water； Water quality； Principal component analysis； Qingdao

飲用水的水質直接關系到人體的健康和安全。隨著我國經濟的高速發展，工業廢水及生活污水排放量逐年增加，水資源污染嚴重，飲水安全問題越來越受到人們重視。近年來，國家加大了對城市集中用水水源地和管網終端水水質的監測和污染治理，但對農村地區的飲用水安全還需加強監管力度，另外，一些農村地區未能實現集中供水，部分地區飲用淺層地表井水、河水，對飲水的處理工藝簡單，水中污染物也不能得到及時監測。

青島作為山東半島核心經濟區和龍頭城市，經濟高速發展，由此帶來的水源受污染幾率也正在加大，尤其在目前城市主要城區污染企業大都外遷到郊區和小城鎮的背景下，更加劇了農村地區飲用水源被污染的風險[1]。另外，作為沿海城市，青島濱海地區淺層地表水源還存在因地下水過度開采引起的海水入侵風險，導致地下水咸化[2]。

為了解青島市農村地區生活飲用水的狀況，本項目擬對青島市不同地區（嶗山區、城陽區、即墨市郊區）的農村生活飲用水主要供給源進行采樣檢測和分析，利用SPSS 17.0軟件，根據主成分分析法（principal components analysis， PCA）的步驟和原則，對青島市農村地區生活飲用水水質進行綜合評價，為上述地區居民健康安全地使用飲用水提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

結合青島市主要的農村分布區域（嶗山區、城陽區、即墨市）、農村人口密度、經濟發展狀況以及該區域周圍相關情況設置采樣點，于2013年6月23日和24日采集上述區域農村生活飲用水水樣69份，采樣地點及其經緯度詳見表1。水源類型包括農村小型集中式供水（自來水）、水庫水、地下井水等農村生活飲用水類型。用經稀硝酸浸泡洗凈干燥的聚乙烯瓶采集水樣，先用該采樣點的水沖洗取樣瓶3～5次，然后裝滿水樣瓶至水溢出，蓋緊瓶蓋帶回實驗室，在12 h內完成項目測定。

1.2 儀器和試劑

1.2.1 主要儀器 AFS-920型雙道原子熒光光度計（北京吉大小天鵝儀器有限公司），YSI 600XLM-M多參數水質監測儀（美國YSI公司），722S型可見光分光光度計（上海分析儀器廠），AR2140型精密天平（美國奧豪斯儀器有限公司），石英玻璃雙蒸水器（上海亞榮生化儀器廠），電熱鼓風干燥箱（山東龍口先科儀器廠），HH-6型恒溫水浴鍋（北京長風儀器儀表公司），移液器（芬蘭Finnpipette），0.45 μm濾膜，50 mm稱量瓶，電爐，玻璃濾斗，錐形瓶等。

1.2.2 主要試劑 鹽酸（GR），硝酸（GR），硝酸銀（AR），EDTA二鈉（AR），氯化鋇（AR），鄰菲啰啉（AR），硫酸亞鐵銨（AR），鹽酸羥胺（AR），醋酸鈉（AR），磺胺（GR），鹽酸萘乙二胺（GR）等。

1.3 試驗方法

1.3.1 水質指標測定方法 本試驗水質項目采樣和測定按照國家衛生部和標準化管理委員會頒布的《生活飲用水標準檢驗方法》（GB/T5750–2006）[3]進行，鉛測定采用火焰原子吸收法，總鐵采用鄰菲啰啉分光光度法，總硬度采用EDTA絡合法，氯化物測定采用硝酸銀沉淀滴定法，硫酸根測定采用EDTA容量滴定法，亞硝態氮采用重氮-偶氮分光光度法， COD采用堿性高錳酸鉀法，總堿度采用酸堿滴定法，總溶解固體（TDS）采用YSI多參數水質監測儀測定。進行指標檢測時， 每個水樣平行測定3次。

1.3.2 水質指標綜合評價方法 采用Microsoft Excel和SPSS 17.0進行數據統計分析。先對69個樣本的12個指標進行標準化處理，求出相對應的相關矩陣，然后計算相關矩陣的特征根、方差貢獻率，載荷矩陣，確定因子數。以各主成分的貢獻率為權數進行線性加權求和，得到各地區的綜合得分及排名順序。

2 結果與分析

2.1 采樣點水質檢測結果及相關性分析

3 結論

本研究利用主成分分析法對青島市城陽區、嶗山區和即墨市農村地區水質進行了綜合評價，結果表明嶗山區農村水質總體上受污染較輕，城陽區農村水質情況一般，即墨市農村地區的水質普遍較差。嶗山區和城陽區農村飲用水水質問題主要表現在總硬度、氯化物含量、溶解性總固體TDS和硫酸根含量較高，此外即墨市采樣點農村飲用水中CODMn含量和鐵含量也較高。根據采樣點的水源類型分析，地下井水的水質狀況堪憂，除嶗山區大嶗村采樣點的水質污染較輕外，其余地下井水的污染得分均較高，其中總硬度、硫酸鹽、鐵含量、溶解性總固體TDS含量的貢獻大，且總硬度大的地區溶解性總固體TDS的含量也較大。水樣中總硬度超標率達22%，氯化物超標率4.3%，硫酸鹽超標率為35%，即墨市城后村的超標倍數最高，三項指標分別為國家生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）的2.14倍、1.4倍和52倍。

這些結果與實際情況相符：近年來海咸水入侵對青島市地下水影響越發突出，采樣點涉及的供水水源地墨水河、大沽河及白沙河均存在海水入侵現象[2，7]，從而導致水中總硬度、氯化物及硫酸鹽含量升高。另外，青島市工業企業近年大都外遷到周邊農村地區，也加劇了這些地區飲用水源被污染的幾率和程度 [1，8]。即墨市和城陽區較嶗山區周邊農村企業眾多，生產和生活產生了大量的工業和生活污染物，使這兩地的采樣點水中所含的溶解性總固體TDS總量均較高；嶗山區各采樣點水質的差異也反映出工業企業進入農村帶給周邊地區的污染影響，如西荊和后莊兩地企業較多，其水中總硬度、硫酸根和溶解性總固體TDS含量高，嶗山區大嶗、周哥莊和溝崖采樣點位于山區， 以果樹種植和旅游觀光為主，水質狀況明顯好于其它采樣地區。即墨市藍村人口較多，周圍制鞋、機械制造和橡膠加工企業密集，水質情況很差，城后村采樣點水樣是地下井水，井深很淺，周邊衛生狀況差，受污染的地表水下滲到淺層地下水中，水中硫酸根、氯化物、溶解性總固體TDS和CODMn含量均出現超標現象。

通過運用主成分分析法對青島市農村飲用水水質分析表明：海咸水入侵和農村周邊工業生產的污染是造成水質變差的主要原因。

溶解性總固體TDS、硫酸鹽、總硬度等化學指標超標的飲用水多為苦咸水，長期飲用會引起各種結石病的高發， 與心血管疾病的發病率也呈正相關[9]。水中的CODMn可以間接反映水體受有機物污染的狀況，有機物含量過高易引起消化道疾病。建議加強農村飲用水尤其是工業企業密集的農村水源保護，保障農村飲用水水質衛生安全。

參 考 文 獻：

[1]

何紅梅. 青島市新農村可持續發展實證研究[D]. 青島：中國海洋大學，2012.

[2] 明強，高宗軍，趙玉祥.青島市主要供水水源地地下水資源開采潛力分析[J].地下水，2010，32（1）：56-58.

[3] 中華人民共和國衛生部，國家標準化管理委員會.生活飲用水標準檢驗方法（GB/T5750-2006）[S].北京：中國標準出版社，2007.

[4] 郭春華.常用統計軟件在生命科學中的應用[M].北京： 科學出版社，2011.

[5] 秦天玲，侯佑澤，郝彩蓮，等. 基于主成分分析法的武烈河流域水質評價研究[J].環境保護科學， 2011，37（6）：102-105.

[6] 中華人民共和國衛生部，國家標準化管理委員會.生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）[S].北京：中國標準出版社，2007.

[7] 董少杰，孟春霞，王成見.青島市地下水源地水質評價及污染原因分析[J].水資源與水工程學報，2006，17（6）：54-57.

[8] 錢國棟. 青島市陸源污染物排放總量控制網絡化綜合管理平臺總體框架設計研究[D]. 青島：中國海洋大學，2012：134-147.

[9] 蔡祖根，丁震.安全飲用水與科學飲水[M].南京：南京大學出版社，2010.

1.2 儀器和試劑

1.2.1 主要儀器 AFS-920型雙道原子熒光光度計（北京吉大小天鵝儀器有限公司），YSI 600XLM-M多參數水質監測儀（美國YSI公司），722S型可見光分光光度計（上海分析儀器廠），AR2140型精密天平（美國奧豪斯儀器有限公司），石英玻璃雙蒸水器（上海亞榮生化儀器廠），電熱鼓風干燥箱（山東龍口先科儀器廠），HH-6型恒溫水浴鍋（北京長風儀器儀表公司），移液器（芬蘭Finnpipette），0.45 μm濾膜，50 mm稱量瓶，電爐，玻璃濾斗，錐形瓶等。

1.2.2 主要試劑 鹽酸（GR），硝酸（GR），硝酸銀（AR），EDTA二鈉（AR），氯化鋇（AR），鄰菲啰啉（AR），硫酸亞鐵銨（AR），鹽酸羥胺（AR），醋酸鈉（AR），磺胺（GR），鹽酸萘乙二胺（GR）等。

1.3 試驗方法

1.3.1 水質指標測定方法 本試驗水質項目采樣和測定按照國家衛生部和標準化管理委員會頒布的《生活飲用水標準檢驗方法》（GB/T5750–2006）[3]進行，鉛測定采用火焰原子吸收法，總鐵采用鄰菲啰啉分光光度法，總硬度采用EDTA絡合法，氯化物測定采用硝酸銀沉淀滴定法，硫酸根測定采用EDTA容量滴定法，亞硝態氮采用重氮-偶氮分光光度法， COD采用堿性高錳酸鉀法，總堿度采用酸堿滴定法，總溶解固體（TDS）采用YSI多參數水質監測儀測定。進行指標檢測時， 每個水樣平行測定3次。

1.3.2 水質指標綜合評價方法 采用Microsoft Excel和SPSS 17.0進行數據統計分析。先對69個樣本的12個指標進行標準化處理，求出相對應的相關矩陣，然后計算相關矩陣的特征根、方差貢獻率，載荷矩陣，確定因子數。以各主成分的貢獻率為權數進行線性加權求和，得到各地區的綜合得分及排名順序。

2 結果與分析

2.1 采樣點水質檢測結果及相關性分析

3 結論

本研究利用主成分分析法對青島市城陽區、嶗山區和即墨市農村地區水質進行了綜合評價，結果表明嶗山區農村水質總體上受污染較輕，城陽區農村水質情況一般，即墨市農村地區的水質普遍較差。嶗山區和城陽區農村飲用水水質問題主要表現在總硬度、氯化物含量、溶解性總固體TDS和硫酸根含量較高，此外即墨市采樣點農村飲用水中CODMn含量和鐵含量也較高。根據采樣點的水源類型分析，地下井水的水質狀況堪憂，除嶗山區大嶗村采樣點的水質污染較輕外，其余地下井水的污染得分均較高，其中總硬度、硫酸鹽、鐵含量、溶解性總固體TDS含量的貢獻大，且總硬度大的地區溶解性總固體TDS的含量也較大。水樣中總硬度超標率達22%，氯化物超標率4.3%，硫酸鹽超標率為35%，即墨市城后村的超標倍數最高，三項指標分別為國家生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）的2.14倍、1.4倍和52倍。

這些結果與實際情況相符：近年來海咸水入侵對青島市地下水影響越發突出，采樣點涉及的供水水源地墨水河、大沽河及白沙河均存在海水入侵現象[2，7]，從而導致水中總硬度、氯化物及硫酸鹽含量升高。另外，青島市工業企業近年大都外遷到周邊農村地區，也加劇了這些地區飲用水源被污染的幾率和程度 [1，8]。即墨市和城陽區較嶗山區周邊農村企業眾多，生產和生活產生了大量的工業和生活污染物，使這兩地的采樣點水中所含的溶解性總固體TDS總量均較高；嶗山區各采樣點水質的差異也反映出工業企業進入農村帶給周邊地區的污染影響，如西荊和后莊兩地企業較多，其水中總硬度、硫酸根和溶解性總固體TDS含量高，嶗山區大嶗、周哥莊和溝崖采樣點位于山區， 以果樹種植和旅游觀光為主，水質狀況明顯好于其它采樣地區。即墨市藍村人口較多，周圍制鞋、機械制造和橡膠加工企業密集，水質情況很差，城后村采樣點水樣是地下井水，井深很淺，周邊衛生狀況差，受污染的地表水下滲到淺層地下水中，水中硫酸根、氯化物、溶解性總固體TDS和CODMn含量均出現超標現象。

通過運用主成分分析法對青島市農村飲用水水質分析表明：海咸水入侵和農村周邊工業生產的污染是造成水質變差的主要原因。

溶解性總固體TDS、硫酸鹽、總硬度等化學指標超標的飲用水多為苦咸水，長期飲用會引起各種結石病的高發， 與心血管疾病的發病率也呈正相關[9]。水中的CODMn可以間接反映水體受有機物污染的狀況，有機物含量過高易引起消化道疾病。建議加強農村飲用水尤其是工業企業密集的農村水源保護，保障農村飲用水水質衛生安全。

參 考 文 獻：

[1]

何紅梅. 青島市新農村可持續發展實證研究[D]. 青島：中國海洋大學，2012.

[2] 明強，高宗軍，趙玉祥.青島市主要供水水源地地下水資源開采潛力分析[J].地下水，2010，32（1）：56-58.

[3] 中華人民共和國衛生部，國家標準化管理委員會.生活飲用水標準檢驗方法（GB/T5750-2006）[S].北京：中國標準出版社，2007.

[4] 郭春華.常用統計軟件在生命科學中的應用[M].北京： 科學出版社，2011.

[5] 秦天玲，侯佑澤，郝彩蓮，等. 基于主成分分析法的武烈河流域水質評價研究[J].環境保護科學， 2011，37（6）：102-105.

[6] 中華人民共和國衛生部，國家標準化管理委員會.生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）[S].北京：中國標準出版社，2007.

[7] 董少杰，孟春霞，王成見.青島市地下水源地水質評價及污染原因分析[J].水資源與水工程學報，2006，17（6）：54-57.

[8] 錢國棟. 青島市陸源污染物排放總量控制網絡化綜合管理平臺總體框架設計研究[D]. 青島：中國海洋大學，2012：134-147.

[9] 蔡祖根，丁震.安全飲用水與科學飲水[M].南京：南京大學出版社，2010.

1.2 儀器和試劑

1.2.1 主要儀器 AFS-920型雙道原子熒光光度計（北京吉大小天鵝儀器有限公司），YSI 600XLM-M多參數水質監測儀（美國YSI公司），722S型可見光分光光度計（上海分析儀器廠），AR2140型精密天平（美國奧豪斯儀器有限公司），石英玻璃雙蒸水器（上海亞榮生化儀器廠），電熱鼓風干燥箱（山東龍口先科儀器廠），HH-6型恒溫水浴鍋（北京長風儀器儀表公司），移液器（芬蘭Finnpipette），0.45 μm濾膜，50 mm稱量瓶，電爐，玻璃濾斗，錐形瓶等。

1.2.2 主要試劑 鹽酸（GR），硝酸（GR），硝酸銀（AR），EDTA二鈉（AR），氯化鋇（AR），鄰菲啰啉（AR），硫酸亞鐵銨（AR），鹽酸羥胺（AR），醋酸鈉（AR），磺胺（GR），鹽酸萘乙二胺（GR）等。

1.3 試驗方法

1.3.1 水質指標測定方法 本試驗水質項目采樣和測定按照國家衛生部和標準化管理委員會頒布的《生活飲用水標準檢驗方法》（GB/T5750–2006）[3]進行，鉛測定采用火焰原子吸收法，總鐵采用鄰菲啰啉分光光度法，總硬度采用EDTA絡合法，氯化物測定采用硝酸銀沉淀滴定法，硫酸根測定采用EDTA容量滴定法，亞硝態氮采用重氮-偶氮分光光度法， COD采用堿性高錳酸鉀法，總堿度采用酸堿滴定法，總溶解固體（TDS）采用YSI多參數水質監測儀測定。進行指標檢測時， 每個水樣平行測定3次。

1.3.2 水質指標綜合評價方法 采用Microsoft Excel和SPSS 17.0進行數據統計分析。先對69個樣本的12個指標進行標準化處理，求出相對應的相關矩陣，然后計算相關矩陣的特征根、方差貢獻率，載荷矩陣，確定因子數。以各主成分的貢獻率為權數進行線性加權求和，得到各地區的綜合得分及排名順序。

2 結果與分析

2.1 采樣點水質檢測結果及相關性分析

3 結論

本研究利用主成分分析法對青島市城陽區、嶗山區和即墨市農村地區水質進行了綜合評價，結果表明嶗山區農村水質總體上受污染較輕，城陽區農村水質情況一般，即墨市農村地區的水質普遍較差。嶗山區和城陽區農村飲用水水質問題主要表現在總硬度、氯化物含量、溶解性總固體TDS和硫酸根含量較高，此外即墨市采樣點農村飲用水中CODMn含量和鐵含量也較高。根據采樣點的水源類型分析，地下井水的水質狀況堪憂，除嶗山區大嶗村采樣點的水質污染較輕外，其余地下井水的污染得分均較高，其中總硬度、硫酸鹽、鐵含量、溶解性總固體TDS含量的貢獻大，且總硬度大的地區溶解性總固體TDS的含量也較大。水樣中總硬度超標率達22%，氯化物超標率4.3%，硫酸鹽超標率為35%，即墨市城后村的超標倍數最高，三項指標分別為國家生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）的2.14倍、1.4倍和52倍。

這些結果與實際情況相符：近年來海咸水入侵對青島市地下水影響越發突出，采樣點涉及的供水水源地墨水河、大沽河及白沙河均存在海水入侵現象[2，7]，從而導致水中總硬度、氯化物及硫酸鹽含量升高。另外，青島市工業企業近年大都外遷到周邊農村地區，也加劇了這些地區飲用水源被污染的幾率和程度 [1，8]。即墨市和城陽區較嶗山區周邊農村企業眾多，生產和生活產生了大量的工業和生活污染物，使這兩地的采樣點水中所含的溶解性總固體TDS總量均較高；嶗山區各采樣點水質的差異也反映出工業企業進入農村帶給周邊地區的污染影響，如西荊和后莊兩地企業較多，其水中總硬度、硫酸根和溶解性總固體TDS含量高，嶗山區大嶗、周哥莊和溝崖采樣點位于山區， 以果樹種植和旅游觀光為主，水質狀況明顯好于其它采樣地區。即墨市藍村人口較多，周圍制鞋、機械制造和橡膠加工企業密集，水質情況很差，城后村采樣點水樣是地下井水，井深很淺，周邊衛生狀況差，受污染的地表水下滲到淺層地下水中，水中硫酸根、氯化物、溶解性總固體TDS和CODMn含量均出現超標現象。

通過運用主成分分析法對青島市農村飲用水水質分析表明：海咸水入侵和農村周邊工業生產的污染是造成水質變差的主要原因。

溶解性總固體TDS、硫酸鹽、總硬度等化學指標超標的飲用水多為苦咸水，長期飲用會引起各種結石病的高發， 與心血管疾病的發病率也呈正相關[9]。水中的CODMn可以間接反映水體受有機物污染的狀況，有機物含量過高易引起消化道疾病。建議加強農村飲用水尤其是工業企業密集的農村水源保護，保障農村飲用水水質衛生安全。

參 考 文 獻：

[1]

何紅梅. 青島市新農村可持續發展實證研究[D]. 青島：中國海洋大學，2012.

[2] 明強，高宗軍，趙玉祥.青島市主要供水水源地地下水資源開采潛力分析[J].地下水，2010，32（1）：56-58.

[3] 中華人民共和國衛生部，國家標準化管理委員會.生活飲用水標準檢驗方法（GB/T5750-2006）[S].北京：中國標準出版社，2007.

[4] 郭春華.常用統計軟件在生命科學中的應用[M].北京： 科學出版社，2011.

[5] 秦天玲，侯佑澤，郝彩蓮，等. 基于主成分分析法的武烈河流域水質評價研究[J].環境保護科學， 2011，37（6）：102-105.

[6] 中華人民共和國衛生部，國家標準化管理委員會.生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）[S].北京：中國標準出版社，2007.

[7] 董少杰，孟春霞，王成見.青島市地下水源地水質評價及污染原因分析[J].水資源與水工程學報，2006，17（6）：54-57.

[8] 錢國棟. 青島市陸源污染物排放總量控制網絡化綜合管理平臺總體框架設計研究[D]. 青島：中國海洋大學，2012：134-147.

[9] 蔡祖根，丁震.安全飲用水與科學飲水[M].南京：南京大學出版社，2010.