基于主成分分析法的古漢山礦多水源水質評價

羅文駿 郭水濤 李文軍

（1.河南理工大學資源環境學院，河南 焦作 454100；2.焦作煤業（集團）有限責任公司古漢山礦，河南 焦作 454002）

古漢山礦位于河南焦作境內太行山南麓的山前沖洪積扇前緣，均被第四系及新近系覆蓋。北部邊界以上（淺部）為吳村礦，其老空區積水沿煤層頂、底板砂巖裂隙以及灰巖裂隙向下滲透至古漢山井田內，使其水文地質條件等變得復雜。同時井田奧陶系灰巖承壓水含水層為二1煤層開采的間接充水含水層，其含水層厚度大、富水性極強、水頭壓力高。為消除古漢山礦的淺部老空水害和奧灰水害，需要進行水源識別和水質評價。

本文在常用的水質評價方法中[1-4]選用主成分分析法評價分析古漢山礦礦井水樣。

1 方法原理

主成分分析法是一種降維的多元統計分析方法，主要目的是用較少的主要幾個水質指標變量去解釋原始數據中的大部分信息。計算步驟如下[4]：

第一步：構建觀測矩陣G。根據已有m個礦井水水樣和n個水質監測指標，構成觀測矩陣G：

第二步：歸一化后的觀測矩陣G′。由于各指標量綱及判定標準的不同而不具備關聯性，為使各指標之間具備可比性，需要將各參數進行歸一化處理，即：

式中：Xij為實際測量值；Uj、Sj分別為j指標樣本均值和標準差。

第三步：計算相關系數矩陣R。根據歸一化觀測矩陣G′ 計算相關系數矩陣，即：

i，j=1，2，…，n；k=1，2，…m

式中：rij為第i指標和第j指標間的相關度大小。

2 水樣及檢測

2.1 水樣提取

古漢山礦區存在淺部老空積水，二1煤層存在奧灰水的補給，這威脅著井下采煤的安全。為消除礦井水害的威脅和礦井水的資源化利用，需要先了解各排水點水質情況，再逐步合理地抽排淺部老空水。經現場調查，確定10個取樣點位置及其水源類型如表1和圖1，水質檢測的結果見表2。

表2 古漢山礦井水水質分析結果

圖1 古漢山礦區取水樣點平面位置分布圖

表1 古漢山礦區取水樣點位置

2.2 水質特征分析

由于1、2、3號排水點為老空水，TDS較大且渾濁度達8.8NTU，pH在10.29～12.61之間，為較強堿性；其余水樣點的TDS較小，pH在7.8～8.24范圍內，呈弱堿性，渾濁度較小。為進一步分析水質，本文運用AquaChem軟件繪制水樣數據的piper三線圖，結果如圖2。

圖2 古漢山礦井水樣piper三線圖

由piper三線圖可知，左邊三角形中陽離子主要集中左中部，水樣中陽離子主要為Mg2+、Ca2+、Na+；右邊三角形中陰離子主要集中在左下部，可知陰離子主要為HCO3-、SO42-。結合舒卡列夫分類法可知水樣點的水質類型：5、6、9、10號水樣點水質類型為HCO3-Ca·Mg型；1、2、4號水樣點水質類型為HCO3·SO4-Na型。所取多水源水樣的水質類型主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型。

3 評價及結果

3.1 水質評價

根據研究區礦井水取樣點及其水質特征，本文選 取 總 硬 度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、渾濁度、pH共九項指標，參照《地下水質量標準》（GB14848-2017）的等級閾值進行水質評價。由主成分分析法，運用SPSS25計算的總方差解釋圖可知主成分1、2、3累計方差貢獻率為86.822%，大于85%，且特征值均大于1，可認為前3個主成分包含了水樣的大部分信息，故選擇主成分1、2、3進行水樣水質分析，同時得到主成分得分系數矩陣，見表3。

表3 主成分分析總方差分布表

從表4可知，主成分1主要影響因素為TDS、pH、Cl-、Na+，主成分2主要影響因素為總硬度、Fe、渾濁度，主成分3主要影響因素為總硬度、NO3-、Fe。評價得到的水質等級見表5。

表4 主成分得分系數矩陣

由表5可知：主成分1～3得到的水質分析結果水質等級在I～V，大部分水樣點的水質等級在II～IV。水樣1～4水質等級在主成分1～3中的評價都在II～V，1～4號水樣點都是老空水，地下水受煤層中含有黃鐵礦等的污染，水質較差。

表5 水質評價結果表

主成分2和3評價結果與單因子水質評價結果有較大區別：1、2、3號水樣點未考慮pH項，評價結果偏于樂觀；4、7號水樣點評價結果與傳統評價方法有不同，選取的指標如總硬度、Fe在4和7號水樣點濃度較低，綜合分析結果與實際水質不符。主成分1評價結果與傳統單因子評價結果較接近，1、2、3號水樣點如pH值10.29～12.61為較強堿性，水質較差，評價結果為V級，比較符合水樣實際水質情況。綜合分析可知主成分1評價結果較好。

由表2可知：5、6、9、10號水樣點水質類型為HCO3-Ca·Mg型，7號點為HCO3-Na型，8號點為HCO3·SO4-Ca·Mg型，考慮水樣點平面分布圖和取樣點層位5、6與9、10水樣點水質類型相同，可推知吳村礦32采區對古漢山礦15采區有一定的水源補給，但取樣距離相差較大，可知其水力聯系較弱。水樣點7、8、9、10雖在一個采區，但取樣層位不同，水質類型也有較大差異，故水力聯系可能較弱。1、2、4號點水質類型為HCO3·SO4-Na型，3號點為SO4·Cl-Na型，水質類型接近，結合水樣點平面分布圖可以推知1、2、3、4號點存在較強水力聯系。

3.2 結果分析

1～5號水樣分別取自吳村礦35、33和32號排水點、-175泵房和吳村主井排水點，取樣點為淺部老空水聚集的區域，較少的接收奧灰水的補給，受奧灰水的威脅程度較小。另外經過含黃鐵礦煤巖層的淋濾后水樣中含有較高鐵離子濃度和較高的TDS等，較大程度地降低水質等級。取自古漢山礦15采區井下的水樣點，受一定程度的奧灰水補給，由于礦井正常生產，補給排泄正常且連續，其受奧灰水的威脅程度較小且水質較好。

4 結論

（1）由piper三線圖和舒卡列夫分類法并結合水質資料可知水樣點的水質類型：主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型，35、33和32號排水點和-175泵房水樣點水質類型相近且取樣層位相同，其水樣點存在較強水力聯系。

（2）本文選取總硬度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、渾濁度、pH共計九項指標，利用主成分分析法得到水質等級集中在II排泄IV級，其中主成分1評價結果與傳統單因子評價結果較接近，評價結果較好。研究結果可為古漢山礦井水害聯合抽排水治理和礦井水質分類資源化利用提供參考。