基于主成分分析法的古漢山礦多水源水質(zhì)評(píng)價(jià)

羅文駿 郭水濤 李文軍

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454100；2.焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司古漢山礦，河南 焦作 454002）

古漢山礦位于河南焦作境內(nèi)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(qū)積水沿煤層頂、底板砂巖裂隙以及灰?guī)r裂隙向下滲透至古漢山井田內(nèi)，使其水文地質(zhì)條件等變得復(fù)雜。同時(shí)井田奧陶系灰?guī)r承壓水含水層為二1煤層開(kāi)采的間接充水含水層，其含水層厚度大、富水性極強(qiáng)、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(jìn)行水源識(shí)別和水質(zhì)評(píng)價(jià)。

本文在常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法中[1-4]選用主成分分析法評(píng)價(jià)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(tǒng)計(jì)分析方法，主要目的是用較少的主要幾個(gè)水質(zhì)指標(biāo)變量去解釋原始數(shù)據(jù)中的大部分信息。計(jì)算步驟如下[4]：

第一步：構(gòu)建觀測(cè)矩陣G。根據(jù)已有m個(gè)礦井水水樣和n個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，構(gòu)成觀測(cè)矩陣G：

第二步：歸一化后的觀測(cè)矩陣G′。由于各指標(biāo)量綱及判定標(biāo)準(zhǔn)的不同而不具備關(guān)聯(lián)性，為使各指標(biāo)之間具備可比性，需要將各參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，即：

式中：Xij為實(shí)際測(cè)量值；Uj、Sj分別為j指標(biāo)樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

第三步：計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R。根據(jù)歸一化觀測(cè)矩陣G′ 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣，即：

i，j=1，2，…，n；k=1，2，…m

式中：rij為第i指標(biāo)和第j指標(biāo)間的相關(guān)度大小。

2 水樣及檢測(cè)

2.1 水樣提取

古漢山礦區(qū)存在淺部老空積水，二1煤層存在奧灰水的補(bǔ)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(diǎn)水質(zhì)情況，再逐步合理地抽排淺部老空水。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，確定10個(gè)取樣點(diǎn)位置及其水源類型如表1和圖1，水質(zhì)檢測(cè)的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 古漢山礦井水水質(zhì)分析結(jié)果

圖1 古漢山礦區(qū)取水樣點(diǎn)平面位置分布圖

表1 古漢山礦區(qū)取水樣點(diǎn)位置

2.2 水質(zhì)特征分析

由于1、2、3號(hào)排水點(diǎn)為老空水，TDS較大且渾濁度達(dá)8.8NTU，pH在10.29～12.61之間，為較強(qiáng)堿性；其余水樣點(diǎn)的TDS較小，pH在7.8～8.24范圍內(nèi)，呈弱堿性，渾濁度較小。為進(jìn)一步分析水質(zhì)，本文運(yùn)用AquaChem軟件繪制水樣數(shù)據(jù)的piper三線圖，結(jié)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(yáng)離子主要集中左中部，水樣中陽(yáng)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(jié)合舒卡列夫分類法可知水樣點(diǎn)的水質(zhì)類型：5、6、9、10號(hào)水樣點(diǎn)水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型；1、2、4號(hào)水樣點(diǎn)水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Na型。所取多水源水樣的水質(zhì)類型主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型。

3 評(píng)價(jià)及結(jié)果

3.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)研究區(qū)礦井水取樣點(diǎn)及其水質(zhì)特征，本文選 取 總 硬 度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、渾濁度、pH共九項(xiàng)指標(biāo)，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB14848-2017）的等級(jí)閾值進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。由主成分分析法，運(yùn)用SPSS25計(jì)算的總方差解釋圖可知主成分1、2、3累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為86.822%，大于85%，且特征值均大于1，可認(rèn)為前3個(gè)主成分包含了水樣的大部分信息，故選擇主成分1、2、3進(jìn)行水樣水質(zhì)分析，同時(shí)得到主成分得分系數(shù)矩陣，見(jiàn)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T(mén)DS、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(píng)價(jià)得到的水質(zhì)等級(jí)見(jiàn)表5。

表4 主成分得分系數(shù)矩陣

由表5可知：主成分1～3得到的水質(zhì)分析結(jié)果水質(zhì)等級(jí)在I～V，大部分水樣點(diǎn)的水質(zhì)等級(jí)在II～I(xiàn)V。水樣1～4水質(zhì)等級(jí)在主成分1～3中的評(píng)價(jià)都在II～V，1～4號(hào)水樣點(diǎn)都是老空水，地下水受煤層中含有黃鐵礦等的污染，水質(zhì)較差。

表5 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果表

主成分2和3評(píng)價(jià)結(jié)果與單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果有較大區(qū)別：1、2、3號(hào)水樣點(diǎn)未考慮pH項(xiàng)，評(píng)價(jià)結(jié)果偏于樂(lè)觀；4、7號(hào)水樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法有不同，選取的指標(biāo)如總硬度、Fe在4和7號(hào)水樣點(diǎn)濃度較低，綜合分析結(jié)果與實(shí)際水質(zhì)不符。主成分1評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果較接近，1、2、3號(hào)水樣點(diǎn)如pH值10.29～12.61為較強(qiáng)堿性，水質(zhì)較差，評(píng)價(jià)結(jié)果為V級(jí)，比較符合水樣實(shí)際水質(zhì)情況。綜合分析可知主成分1評(píng)價(jià)結(jié)果較好。

由表2可知：5、6、9、10號(hào)水樣點(diǎn)水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型，7號(hào)點(diǎn)為HCO3-Na型，8號(hào)點(diǎn)為HCO3·SO4-Ca·Mg型，考慮水樣點(diǎn)平面分布圖和取樣點(diǎn)層位5、6與9、10水樣點(diǎn)水質(zhì)類型相同，可推知吳村礦32采區(qū)對(duì)古漢山礦15采區(qū)有一定的水源補(bǔ)給，但取樣距離相差較大，可知其水力聯(lián)系較弱。水樣點(diǎn)7、8、9、10雖在一個(gè)采區(qū)，但取樣層位不同，水質(zhì)類型也有較大差異，故水力聯(lián)系可能較弱。1、2、4號(hào)點(diǎn)水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Na型，3號(hào)點(diǎn)為SO4·Cl-Na型，水質(zhì)類型接近，結(jié)合水樣點(diǎn)平面分布圖可以推知1、2、3、4號(hào)點(diǎn)存在較強(qiáng)水力聯(lián)系。

3.2 結(jié)果分析

1～5號(hào)水樣分別取自吳村礦35、33和32號(hào)排水點(diǎn)、-175泵房和吳村主井排水點(diǎn)，取樣點(diǎn)為淺部老空水聚集的區(qū)域，較少的接收奧灰水的補(bǔ)給，受奧灰水的威脅程度較小。另外經(jīng)過(guò)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(zhì)等級(jí)。取自古漢山礦15采區(qū)井下的水樣點(diǎn)，受一定程度的奧灰水補(bǔ)給，由于礦井正常生產(chǎn)，補(bǔ)給排泄正常且連續(xù)，其受奧灰水的威脅程度較小且水質(zhì)較好。

4 結(jié)論

（1）由piper三線圖和舒卡列夫分類法并結(jié)合水質(zhì)資料可知水樣點(diǎn)的水質(zhì)類型：主要為HCO3-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Na型，35、33和32號(hào)排水點(diǎn)和-175泵房水樣點(diǎn)水質(zhì)類型相近且取樣層位相同，其水樣點(diǎn)存在較強(qiáng)水力聯(lián)系。

（2）本文選取總硬度、Cl-、TDS、NO3-、Fe、SO42-、Na+、渾濁度、pH共計(jì)九項(xiàng)指標(biāo)，利用主成分分析法得到水質(zhì)等級(jí)集中在II排泄IV級(jí)，其中主成分1評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果較接近，評(píng)價(jià)結(jié)果較好。研究結(jié)果可為古漢山礦井水害聯(lián)合抽排水治理和礦井水質(zhì)分類資源化利用提供參考。