廊坊市地表水水質綜合評價*

孔滕滕 ， 劉婧然，2 ， 于朝霞

（1.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038；3.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

0 引言

廊坊市位于海河流域中下游，處在北京和天津兩個城市之間，是京津冀城市群核心地帶、環渤海腹地，區位優勢十分明顯。但是廊坊市屬于典型的資源性和水質性缺水地區，多年水資源量8.04億m3，人均水資源量185 m3，僅為全省平均水平的60%，全國人均水平的10%[1]。轄區內雖有4大河系、10條主要河道，但受上游城市攔河閘的影響，絕大多數河道的水量嚴重不足，濕地數量銳減，水中動植物大多消亡，水體自凈能力基本喪失[2]，加上工業、農業以及生活廢水不加處理直接排放造成本地地表水資源污染嚴重，在全省設區市地表水環境質量達標排名中，廊坊市地表水環境達標指數僅為0.912，位于全省倒數第五位，地表水質達標率偏低，地表水環境質量狀況堪憂。因此，為了有效地對廊坊市地表水進行綜合管理，直觀地反映地表水環境質量，亟需開展地表水水質綜合評價。當前，針對地表水水質評價方法的研究很多，主要包括主成分分析法[3]、聚類分析法[4]、污染指數法[5]、模糊綜合評價法[6]、灰色系統法[7]、人工神經網絡法[8]等，每種方法都有其側重點，但都無法全面地反映復雜的水環境質量狀況。為此，在實際研究中將各種方法結合使用成為全面了解水環境質量的良好選擇。此外，如何選擇適合的評價因子也是準確評價的關鍵步驟。主成分分析法能對數據進行降維處理，在損失較少信息的前提下，把多個指標綜合成幾個綜合指標以提取影響水質的關鍵指標因子，提高評價效率[9]。模糊綜合評價法是由模糊數學的發展而產生的一種綜合評價方法，該方法根據最大隸屬度原則表示各指標對水質標準的隸屬程度[10]。具有結果清晰、系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決，目前已經被廣泛地應用于各種評價類問題。因此，項目小組選擇主成分分析法和模糊綜合評價法對廊坊市進行地表水水質評價研究。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

選擇廊坊市2021年7月13個監測斷面的水質資料作為基礎數據，如表1所示。初步選取溶解氧、CODMn、COD、NH3-N、T-P、T-N、BOD5、F-共8個監測指標作為評價因子，應用基于主成分分析法的模糊綜合評價模型進行水質評價。文中地表水水質類別標準由《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）確定。

表1 廊坊市地表水監測數據 單位：mg/L

1.2 研究方法

1.2.1 主成分分析法

主成分分析法能對影響因子的相對重要性進行識別，從而確定出影響研究區域地表水水質的關鍵因子。其原理是對有關指標因子進行降維處理，在保留大量原始信息的前提下通過計算協方差把眾多復雜的指標轉變為若干綜合指標，利用少數幾個主成分解釋不同因子內在的聯系，從而減少變量的個數[9]。該方法的步驟如下：

1）設系統中有n個評價樣本，每個樣本具有m項評價指標，原始數據矩陣如式（1）所示：

2）對原始矩陣進行標準化處理。由于原始數據的量綱存在差異，為了方便計算與比較，需對數據進行標準化處理，如式（2）所示：

3）建立相關系數矩陣R如式（3）所示：

其中rij表示xi和xj之間的相關系數，計算公式如式（4）所示：

4）確定特征向量與特征值。相關系數矩陣R的前n個較大的特征值λ1＞λ2＞…＞λn，就是前n個主成分對應的方差，對應的單位特征向量aj就是主成分關于原變量的系數。

6）根據各主成分荷載的計算結果綜合選取影響因子。

7）確定評價因子權重。主成分荷載值lij與主成分的方差貢獻率αi決定評價因子的權重，計算公式如式（6）所示：

式中：ωj為第j個評價因子的權重；r為選取的評價因子數。

1.2.2 模糊綜合評價法

水質評價中的模糊綜合評價法是以隸屬度來定義水質指標的模糊界限，通過模糊關系矩陣與權重矩陣的復合運算得出總體水質對地表水標準各級別的隸屬程度，最后根據最大隸屬度原則確定評價水體的水質級別[11]。其主要計算步驟如下。

1）確定隸屬度矩陣。隸屬度用來表征評價指標屬于評價標準各級別的程度，它可以通過隸屬度函數求解。常用的構建隸屬度函數的方法包括模糊統計法、指派法等，通常水質模糊綜合評價的隸屬度函數由降半梯形分布函數法確定[12]，降半梯形分布中又可分為偏小型分布和偏大型分布。根據隸屬度函數半梯形分布可以寫出各類別隸屬函數，具體如下。

①Ⅰ類水，隸屬函數如式（7）所示：

②Ⅱ～Ⅳ類水，隸屬函數如式（8）所示：

③Ⅴ類水，隸屬函數如式（9）所示：

式中：Ci為第i個評價指標的實測濃度，i=1,2,...,m；j為水質等級，j=1,2,3,4,5；Sij為第i個評價指標的j級評價標準值；yij為第i個評價指標對j級水質的隸屬度。本研究中，溶解氧根據偏大型梯形分布構造函數，其余指標的隸屬度函數根據偏小型分布構造。

模糊關系矩陣（隸屬度矩陣）Y由yi1，yi2，…，yi5確定，如式（10）所示：

2）權重矩陣的確定。本研究采用上述主成分分析法賦權，具體見公式（1）～（6）。

3）評價結果的計算。評價指標的權向量ωj與模糊關系矩陣Y進行合成運算得到模糊評價結果集合B，如式（11）、（12）所示：

評價結果的最終指標是評價結果集合B中數值最大的

2 結果與分析

2.1 主成分分析

借助SPSS軟件進行主成分分析以識別地表水水質關鍵因子，在進行主成分分析前需對數據進行KMO和Bartlett檢驗，當KMO值大于0.5且顯著性水平小于0.05時方可進行主成分分析。

本研究運用SPSS26軟件對評價指標原始數值進行了KMO和Bartlett檢驗，結果如表2所示。

表2 KMO和Bartlett檢驗

由表2可以看出，KMO值顯示為0.504，大于0.5，顯著性水平結果為0，小于0.05，因此，可以進行主成分分析。由主成分分析法，可以得到各監測斷面水質指標的碎石圖，如圖1所示。

圖1 碎石圖

由圖1可知，特征值大于1的有3個主成分，因此原來的8個指標因子可以綜合為3個主成分。其特征值及方差貢獻率如表3所示。

表3 總方差解釋

由表3可以看出，前三個主成分的方差累計貢獻率達到86.61%，大于85%，說明前三個主成分能代替原來的變量，且不會造成太多信息的缺失。主成分分析中，主成分系數矩陣就是其特征向量，但利用SPSS軟件計算時要除以相應主成分特征值的平方根，所選主成分荷載值如表4所示。

表4 各主成分荷載值

由表4可知，第1主成分主要控制的因子有NH3-N、T-P、BOD5；第2主成分控制的因子有COD、F-；第3主成分控制的因子是溶解氧。因此選擇這些因子進行模糊綜合評價。

根據主成分分析法公式（1）～（6）可以得到溶解氧、COD、NH3-N、T-P、BOD5、F-的權重，結果如表5所示。

表5 各指標權重

2.2 模糊綜合評價

根據模糊綜合評價法公式（7）、公式（8）、公式（9）可以得到各指標因子的隸屬度，通過隸屬度矩陣和各指標的權重進行合成運算，由最大隸屬度原則可得13個監測斷面的評價結果，具體如表6所示。為了檢驗模糊綜合評價法的準確性，運用熵權法加以驗證，結果如圖2（a）所示。

表6 地表水水質評價結果

圖2 廊坊市地表水水質評價結果

由表6可知，廊坊市13個監測斷面中楊洼閘、羅屯閘、臺頭斷面的污染狀況較為嚴重，水質級別為Ⅳ類或Ⅴ類水；大王務、南疃村、小王莊和小河閘斷面的水質情況較好，達到Ⅰ類水質，其余斷面均為Ⅲ類水。另外，由圖2（a）不同方法的水質評價結果中可以看出，模糊綜合評價法與熵權法的評價結果除桑梓紅旗閘和臺頭斷面有所區別外，其余斷面結果均一致，說明基于主成分分析的模糊綜合評價法具有較高的準確性；評價結果表明，廊坊市地表水各類水質中，Ⅲ類水占比最高，達到46.15%，Ⅰ類水占到30.77%，Ⅳ類、Ⅴ類水分別占到15.39%和7.69%，無Ⅱ類水質。

3 討論

3.1 廊坊市地表水水質關鍵影響因子

為了找出影響廊坊市各監測斷面地表水水質的關鍵影響因子，利用GIS技術[13]將各水質指標的濃度分布進行可視化統計，結果如圖3所示。通過圖3中的水質等級分布和各主要污染物濃度分布圖可知，在水質污染較為嚴重的楊洼閘、羅屯閘和臺頭斷面中T-P、BOD5、COD、NH3-N和F-分布濃度較高，是影響該地區地表水水質的主要指標。具體來說，楊洼閘斷面主要分布的污染物有T-P、NH3-N；羅屯閘斷面的T-P、BOD5、COD、NH3-N的含量均較高；而臺頭斷面主要受到COD和F-的影響。這些指標中，NH3-N是農業水體污染的主要貢獻者，普遍存在于畜禽養殖和農田地表徑流，BOD5、COD用于指示有機物的含量，通常在生活污水中含量較高，T-P則主要來源于化肥等農業廢棄物。

3.2 廊坊市地表水水質空間分布特征分析

由圖3（f）可以看出，廊坊市地表水污染最嚴重的地區幾乎都集中在北三縣（大廠、香河、三河）和臺頭斷面，這與其地理位置和產業模式有著密切關系。北三縣作為對接北京的橋頭堡，在與北京區域合作，服務保障北京、承接北京諸多城市功能外溢的同時，也承載了很多壓力，其中外來人口激增，高耗能、高污染企業大量涌入等因素是造成當地地表水污染的原因之一。此外，由于北三縣境內的主要河道均屬入境河流的中下游，上游北京方向的工業廢水排放也是造成水質污染的重要原因之一。

圖3 廊坊市地表水水質主要污染物分布

具體來說，位于三河市的泃河是該市的主要水系之一，由北京市平谷區入境，主要受到市區污水處理廠的影響，COD的濃度達到20.7 mg/L～25 mg/L，NH3-N的濃度到達0.66 mg/L～2.0 mg/L，基本維持在地表水Ⅲ～Ⅳ類水質。另外，與北京交界處的潮白河上游是一個超級居住帶，受到生活污水的影響，COD和BOD5的含量分別超標1.15倍和1.3倍，水質總體維持在Ⅲ類水；北運河干流在北三縣境內長21.7 km，涉及香河縣的9個鎮，其干流北京段至廊坊土門樓段水質受到沿岸生活垃圾及農業廢棄物的影響，COD、TP、BOD5的濃度分別超標1.2、0.9和1.73倍，水質以Ⅳ類水為主。

除了北三縣外，廊坊市的臺頭斷面地表水污染也較為嚴重，影響其水質的主要污染物是F-和COD，根據《廊坊市大清河臺頭斷面區域氟化物本底超標情況技術報告》可知，臺頭斷面F-超標主要是受地質因素影響，而COD超標主要是接納了周邊村莊的生活廢水和農業污水。

4 結論

1）運用主成分分析法將影響廊坊市地表水水質的8個指標綜合成3個主成分，并從3個主成分中提取出溶解氧、COD、NH3-N、T-P、BOD5、F-等6個指標作為影響廊坊市地表水水質的主要因子。

2）根據主成分分析法提取出的主要影響因子，運用模糊綜合評價法對廊坊市地表水水質進行綜合評價，并用熵權法對評價結果加以驗證。結果顯示：模糊綜合評價法與熵權法的評價結果基本一致，評價較為準確。廊坊市13個斷面的地表水中，大王務、南疃村、小王莊和小河閘的水質總體較好，達到Ⅰ類水質，楊洼閘、羅屯閘和臺頭斷面的水質較差，僅達到Ⅳ類和Ⅴ類水質。全市地表水Ⅰ～Ⅴ類水質所占比例分別為30.77%、0%、46.15%、15.39%、7.69%。

3）從空間上看，廊坊市地表水水質污染主要集中于北三縣和臺頭鎮地區。其中，北三縣的水質污染主要受到上游北京市和本地工業及生活廢水排放的影響，主要污染物是COD、TP、BOD5、NH3-N；臺頭斷面的水質污染主要來源于當地地質因素導致的F-污染和農業、生活廢棄物導致的COD超標。