基于內梅羅指數與主成分分析的洪湖地區地下水水質評價

劉 萌，陳世儉

(1.中國科學院 測量與地球物理研究所， 武漢 430077； 2.中國科學院大學， 北京 100049)

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基于內梅羅指數與主成分分析的洪湖地區地下水水質評價

劉 萌1，2*，陳世儉1

(1.中國科學院 測量與地球物理研究所， 武漢 430077； 2.中國科學院大學， 北京 100049)

地下水污染現象在我國地下水資源豐富地區普遍存在.該文以洪湖地區豐水期、枯水期、平水期3個時期的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總錳、總鐵、高錳酸鉀指數和總磷等7個指標為對象，運用內梅羅指數法與主成分分析方法，采用定性分析與定量分析相結合的方式，對8個樣點的的水環境質量進行綜合評價.結果表明，臨近湖岸居民區與道路的潛水樣點5，受到來自水陸兩方面生產生活污染物的影響，水質最差；位于臨近長江的農村居民區內的潛水樣點7，主要受到來自居民生活污水的影響，但長江切穿含水層頂板，江水與地下水水力聯系緊密，水體自凈好，水質相對較好；位于農田附近的承壓水樣點2，承壓水受外界污染少，在內梅羅指數法中綜合得分最低，水質相對較好.在豐水期高錳酸鉀指數與氨氮為主要污染物，在枯水期總鐵與總錳為主要污染物，在平水期總錳與硝酸鹽氮為主要污染物.長江對含水層的影響、人類地表活動、區域地質狀況等都是可能影響洪湖地區地下水水質的原因.

內梅羅指數； 主成分分析； 洪湖地區； 地下水； 水質

地下水資源是人類生產生活的重要資源.據統計，全國20%左右的供水來自開采地下水，淮河平原和華北平原生活飲用水中地下水占60%～70%[1].江漢平原東部地區，地下水可采資源量為每年4 000×106m3，每年總用水量約為10 322×106m3，其中，農業用水量為7 520×106m3，工業用水量為2 231×106m3，生活用水量為571×106m3[2].隨著我國產業經濟的發展，以及水資源利用技術的深入，我國水資源的開發得到了巨大發展，但是伴隨而來的問題也逐漸凸顯.局部地區出現地下水超采，地面沉降、沿海地區海水入侵和地下水污染等問題日益突出[3-6]，其中地下水污染問題已經成為不可忽視的難題.掌握地下水污染成分以及污染程度，對于我國地下水資源的長期可持續開發具有重要意義.

水質評價以定量的方式直觀表征水環境的質量狀況，通過水質評價可以了解水環境質量的變化規律，為水環境質量的管理和規劃提供依據.目前，應用于地下水水質的評價的方法眾多，大致有：單因子評價法、綜合指數法、內梅羅指數法、主成分分析法、灰色聚類法和物元可拓法等[7-12].上述評價方法各有特點，如單指標評價方法簡單、明了，選取各評價指標中最低的合格率作為最終的評價結果，具有一定的合理性，但不能全面的反映水質的整體狀況[7]；綜合指數法是對各污染指標的相對污染指數進行統計，得出代表水體污染程度的數值結果，能綜合反映出河流污染污染狀況，但沒有判明水質類別[8]；內梅羅指數法的數學過程簡潔，評價時只需計算出綜合指數，再對照相應的分級標準，便可知該評價區某環境要素的綜合環境質量狀況，便于決策者做出綜合決策[9]；主成分分析法在確保系統原有數據信息量丟失最小的原則下，將多個變量的信息壓縮為幾個能反映原問題特征的綜合變量指標，從而避免了人為地確定各指標權重的主觀隨意性，具有降維、簡化變量之優點，在太湖流域、武漢東湖等多區域水質分析中取得了較好的效果[10，13-14].由于地下水中多種污染因子之間關系復雜，運用單一方法評價難以解釋污染因子與水質之間的關系，所以，本文選擇洪湖地區地下水為研究對象，運用內梅羅指數法和主成分分析法對區域地下水水質進行評價，探討其在豐水期、枯水期、平水期的污染程度，了解以及個采樣點之間、各水質指標之間的相互關系，明確各時期主要污染物，討論可能造成污染的原因，以便為控制地下水污染提供科學依據.

1 研究區域與研究方法

1.1研究區域

洪湖地區南臨長江，北臨漢江支流東荊河，位于地勢低洼的江漢平原四湖地區的東南部[15]，境內水網密布，為典型的泛濫平原，屬亞熱帶季風氣候，年平均降水量達1 100～1 300 mm[16].區內水資源豐富，水產漁業成為當地經濟發展的重要產業[17]，地下水位高且地下水資源豐富，是區域農業生產重要水源.

1.2數據來源

為監測區域水質變化，在區域內選擇8個點位

(如圖1)：樣點1、樣點2、樣點3位于農田附近；樣點4位于農村居民區內；樣點7、樣點8位于靠近長江的農村居民區內；樣點5位于臨湖的農村居民區內；樣點6位于城鎮居民區內；其中樣點5、樣點7為潛水，其余樣點為承壓水.于豐水期(2014年7月)、枯水期(2015年1月)、平水期(2015年5月)各采樣一次進行監測.用聚乙烯瓶采集水樣并酸化保存，在室內通過實驗分析.選取總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、高錳酸鉀指數(CODMn)、總鐵(Fe2+)和總錳(Mn2+)7項主要水質指標對區域水質進行分析，其中，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定，氨氮采用納氏試劑法測定，亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定，硝酸鹽氮采用紫外分光光度法測定，高錳酸鹽指數采用高錳酸鉀酸性滴定法測定，總鐵采用鄰菲羅啉分光光度法測定，總錳采用高碘酸鉀分光光度法測定.

圖1 采樣點分布圖Fig.1 The distribution of sampling points

1.3研究方法

1.3.1內梅羅指數法 內梅羅指數法具備數學過程簡潔、運算方便等優點，是以單因子評價法為基礎，對水體中的各種指標參數進行水質評價的方法，評價地下水步驟如下[18-19].

1) 首先進行水質的單項組分評價，依據地下水質量標準劃分單項組分所屬類別，對各類別按表

1分別確定單項組分評分值.

2) 利用內梅羅指數計算公式計算綜合評分值F：

(1)

式中,F為綜合評分值；Fmax為單項組分Fi的最大值；Fave為各項組分評分值F的平均值；n為項數.

表1 地下水質量評分

3)根據F值按表2規定劃分地下水質量級別.

表2 地下水質量分級

1.3.2主成分分析法 主成分分析法是在確保不損失原有信息的前提下，將多種影響水質的指標重新組合成一組新的、相互無關的、較少的綜合指標來反映指標的信息，以達到降維、簡化數據和突出關鍵信息的目的.

主成分分析法在水質中的應用是建立總評價指標，評價各采樣點間的相對污染程度，并對各采樣點的污染程度進行分級[20].假設有n個水樣，每個水樣檢測p個指標，原始數據為n×p階矩陣：

(2)

1)對原始數據矩陣進行標準化處理，消除量綱的影響：

(3)

式中，

(4)

計算采樣點各主成分得分：把各采樣點的標準化數據分別代入采樣點各主成分的表達式中，即可得出采樣點各主成分的得分Fj；以方差貢獻率為系數求得綜合得分F.得分值越大，表明污染程度越嚴重.

(5)

(6)

2 結果與分析

按照樣點的不同，在各樣點均選擇亞硝酸鹽氮、氨氮、總鐵、總錳、硝酸鹽氮、高錳酸鉀指數、總磷七個指標，分豐水期、枯水期、平水期三個時期，對各樣點的水質情況運用內梅羅指數法以及主成分分析法進行分析.

2.1地下水化學特征

通過對研究區域不同時期各樣點地下水有關水化學參數進行描述性統計分析，可以大致了解區域各污染指標濃度狀況.分析計算結果見表3.

表3 地下水水化學參數描述性統計特征值

由表3可知，各樣點地下水亞硝酸鹽氮在0～0.418mg/L之間，在豐、枯水期略有超標；氨氮含量在0.266～2.931mg/L之間，3個時期均有超標，但超標幅度不大；總鐵含量在0～7.662mg/L之間，在枯水期出現個別超標值，且超標幅度大；總錳含量在0.211～4.193mg/L之間，在枯水期出現個別超標值，超標幅度較大；硝酸鹽氮含量在0～17.735mg/L之間，在枯水期出現個別嚴重超標值；高錳酸鉀指數含量在0.123～6.696mg/L之間，在枯水期與平水期出現超標值，枯水期超標幅度大；總磷含量在0.08～0.375mg/L之間，未出現超標.總體上各指標超標率較低，但對于區域水質的評價還需要進一步的分析.

2.2內梅羅指數法

運用內梅羅指數法，根據不同污染物在不同類別水質的標準濃度，以及各樣點實測污染濃度，計算各樣點水質的內梅羅指數綜合評分F值，得出各樣點在豐水期、枯水期、平水期的水質分級結果如表4所示.

表4 3個時期地下水水質的內梅羅指數綜合評分F值以及質量分級

由表中的質量分級，可以得出在不同時期，所有8個樣點的水質都為極差，而依據內梅羅指數綜合得分F值，得出各樣點水質在極差基礎上的個體差異.其中，樣點5在3個時期F值得分均為最高，水質最差；樣點2在3個時期F值得分均為最低，水質相對較好.依據內梅羅指數法，我們得出了本區的大致水質狀況，但是我們還需要對于影響各點的主要污染物進行分析，所以我們繼續運用主成分分析法對區域地下水水質進行分析.

2.3主成分分析法

通過統計軟件SPSS18.0對采樣所得到的數據進行主成分分析，根據數據的特征值與主成分貢獻率，提取主成分并計算各項指標的相關系數矩陣和特征值，完成各樣點的水質綜合評價.指標與某一主成分的聯系系數的絕對值越大，則該主成分與指標之間的聯系越緊密.

2.3.1豐水期水質綜合分析 亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氨氮、總鐵、總磷指標在第一主成分上的載荷較高，總錳、高錳酸鉀指數在第二主成分上的載荷較高.根據各主成分的得分與各主成分的方差貢獻率：

F=0.47902×F1+0.23781×F2，

計算可得水質污染綜合得分F并進行排序(表5).由表5可知這一時段樣點7得分最低、水質相對較好；樣點3得分最高、水質最差.

表5 豐水期各主成分得分及綜合得分

F1為第一主成分得分，F2為第二主成分得分，F為綜合得分.

2.3.2枯水期水質綜合分析 分析枯水期數據，根據主成分載荷大小選取前三個主成分，亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮與第一主成分密切相關，氨氮、總鐵、高錳酸鉀指數在第二主成分上的載荷較高，總磷、總錳在第三主成分上的載荷較高，根據主成分特征向量，計算各主成分得分和水質污染綜合得分(表6).

表6 枯水期各主成分得分及綜合得分

F1為第一主成分得分，F2為第二主成分得分，F3為第三主成分，F為綜合得分.

F=0.53323×F1+0.19665×F2+0.15813×F3.

按表6可知這一時段樣點4水質相對較好，樣點7水質最差.

2.3.3平水期水質綜合分析 對2015年5月平水期數據進行分析得出，氨氮、高錳酸鉀指數均與第一主成分密切相關，硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總鐵、總錳在第二主成分上的載荷較高，總磷在第三主成分上的載荷較高.根據各主成分的得分與各主成分的方差貢獻率：

F=0.40038×F1+0.26760×F2+

0.19022×F3，

得出2015年5月各主成分得分和水質綜合得分及排序(表7).按照排名可知，樣點8水質相對較好，樣點7水質最差.

對不同時期各樣點的水質進行主成分分析，得出不同時期各樣點水質的相對好壞，以及研究區域內影響水質的主要污染物，即第一主成分包含的污染物.但是由于在第一主成分上污染物指標眾多，需要對其進行進一步的分析來確定對水質影響最大的污染指標.

2.3.4主要污染物分析 依照時序變化，對各時期污染物進行主成分分析，得到各時期污染指標得分值，明確各時期最主要污染指標.

表7 平水期各主成分得分及綜合得分

F1為第一主成分得分，F2為第二主成分得分，F3為第三主成分，F為綜合得分.

總鐵Fe2+ 總錳Mn2+ 亞硝酸鹽氮NO2-N 硝酸鹽氮NO3-N 氨氮NH3-N 總磷TP 高錳酸鉀指數CODMn圖2 各時段污染指標得分Fig.2 Composite score of pollutant indexes

依據3個時段各污染指標的主成分分析綜合得分，結果如圖2，在豐水期，高錳酸鉀指數的綜合得分最高，為主要污染指標，次要污染指標為氨氮；在枯水期總鐵指標的綜合得分最高，其次為總錳；在平水期，總錳與硝酸鹽氮得綜合得分排名靠前.綜合來說，在豐水期高錳酸鉀指標與氨氮為主要污染物，在枯水期總鐵與總錳為主要污染物，在平水期總錳與硝酸鹽氮為主要污染物.

2.4內梅羅指數法與主成分分析法結果對比

依據采樣點的不同對3個時段的兩種水質綜合得分求均值，并對得到的均值進行歸一化處理，使其映射到0～1范圍內進行比較(圖3).潛水樣點5在兩種評價方法中綜合水質得分均最高，污染最為嚴重；潛水樣點7在主成分分析法中水質綜合得分最低，水質相對較好；承壓水樣點2在內梅羅指數法中綜合得分最低，水質相對較好.

圖3 主成分分析法與內梅羅指數法綜合得分均值排序Fig.3 Sort of average composite score of principal component analysis and Nemerow index method

兩種評價方法各有側重：內梅羅指數法注重于對水質的總體特征的評價，兼顧了污染最重因子和一般因子對于評價結果的影響，但忽視了各因子的重要程度；主成分分析法突出了水質評價中的關鍵因子，強調主要污染因子對地下水水質的影響，但忽略了次要因子的作用，因此兩種方法所得結果存在不同.內梅羅指數法對區域水質進行定性分析，首先明確了區域水質的等級，主成分分析法在此基礎上對于各樣點、各污染物進行比較分析，得出了各時期各樣點的水質相對好壞情況，以及各時期主要的污染物，兩種方法相結合對研究區域地下水水質做出了較為合理的評價.

3 討論

對可能造成本區污染的原因從以下幾個方面討論.

1) 本區域地勢低、水位較高，地表污染狀況對地下水的影響較大[16].在區域內，豐水期長江水位高于地下水水位，長江補給地下水，且長江切穿了隔水層頂層，與地下水有直接的水力聯系[21].如潛水樣點7位于臨近長江的農村居民區內，該點地下水與長江水交換密切，水資源更新速度快，自凈能力好，水質較好.

2) 研究區域地勢較低，居民多開挖人工池塘，發展水產養殖業.水產養殖產生大量殘餌，其中所含的氮磷以及耗氧有機物等導致水體氮磷污染，消耗水中溶解氧[22]，在溫度較高生物活動頻繁的豐水期，高錳酸鉀指數成為主要污染指標.本區湖沖擊淤泥質中有機質較多[23]，地下水在厭氧細菌的作用下形成還原環境，易發生反硝化作用，水體中溶解性鐵、錳化合物與有機質絡合形成穩定的膠體體系，溶解度增加，遷移性增強[24]，影響水中鐵錳含量.在農業活動減少的枯水期，氮磷污染影響減弱，鐵錳成為主要污染指標.

3) 種植業是本區農業中的支柱產業，豐水期正是農事活動最為繁忙的季節.農業上不合理施用化肥是造成地下水氮污染的重要原因[25].施用化肥增加了土壤表層硝酸鹽含量，并在雨季淋濾進入地下水[26]，淺層地下水最先受到污染，深層地下水污染相對滯后[27].如位于農田附近的承壓水樣點2，主要受農業生產污染影響，但承壓水受外界影響較小，在內梅羅指數法分析結果中中水質相對較好.反硝化作用降低了地下水中硝酸鹽濃度，而低溶解氧、富含有機質的的含水層適合于反硝化作用的發生[28].所以在水位較高降水較多的豐水期，還原狀態使氨氮成分較高，成為主要污染指標.而在水位較低的枯水期，或降水相對較少的平水期，硝態氮較多，硝酸鹽氮是這一時段的主要污染物.

4) 本區域缺乏完整的生活污水收集處理系統，生活污水隨意排放，生活垃圾的收集處理設施落后，相當一部分生活垃圾隨意傾倒堆積，是潛在的主要污染源[29-30].如潛水樣點5位于湖岸居民區與道路之間，附近有眾多船舶停泊，居民生活生產污水影響地下水水質，且附近水域易發生富營養化，導致潛水污染，該點水質在兩種評價結果中均為最差.

4 結論

地下水環境復雜多變，地下水水質受到多方面因素的影響.本文采用內梅羅指數法與主成分分析法相結合的分析方法，首先得出區域各點的污染等級指數，對整體污染情況有了定性的了解，再對各樣點相對污染情況和主要污染物進行定量分析，較為合理地反映了區域地下水水質狀況.臨近湖岸居民區與道路的潛水樣點5，受到來自水陸兩方面生產生活污染物的影響，水質最差；位于臨近長江的農村居民區內的潛水樣點7，主要受到來自居民生活污水的影響，但江水切穿含水層頂板，江水與地下水水力聯系緊密，水體自凈好，水質相對較好；位于農田附近的承壓水樣點2，主要受農業生產污染影響，但承壓水受外界影響較小，在內梅羅指數法中綜合得分最低，水質相對較好.在豐水期高錳酸鉀與氨氮為主要污染物，在枯水期總鐵與總錳為主要污染物，在平水期總錳與硝酸鹽氮為主要污染物.

地質條件、農業生產、居民生活等因素綜合作用影響著地下水水質，導致了污染物的產生與遷移.本區域應調整農業發展模式，加大科技投入，改變粗放式的經營，使農業經濟向可持續方向發展.合理管理農業生產及生活污水的處理，逐步改善地下水水質狀況.

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Groundwater quality assessment of Honghu Area based on the Nemerow Index and principal component analysis method

LIU Meng1,2, CHEN Shijian1

(1. Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Science, Wuhan 430077；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)

Groundwater pollution is a widespread phenomenon in the areas with plenty of water resources in China. In the present work, comprehensive evaluation of 8 sampling points in Honghu Area of high-water, normal-water and low-flow period is taken based on Nemerow Index and principal component analysis. Seven indexes are used, including ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, nitrite nitrogen, iron, manganese, potassium permanganate index and total phosphorus. The results indicate that the water quality of phreatic water sample 5 located near residential area and road on the lakeshore is the worst, due to the industrial and domestic pollutants from both water and land. The water quality of phreatic water sample 7, which is near the Yangtze River and mainly affected by domestic wastewater, is relatively better, as the Yangtze River cut through the aquifer top layer and the groundwater and river water are closely linked. The confined water sample 2 also shows relatively better water quality. During the high-water period, main pollutants are potassium permanganate index and ammonia nitrogen, while that of low-flow period changed to total iron and manganese. Additionally，in normal-water period total manganese and nitrate nitrogen are the main pollutants. These suggest that the the ground water quality might be affected by complicated factors, such as, influence of the Yangtze river on aquifer, human activities and regional geological conditions.

Nemerow Index; principal component analysis; Honghu Area; groundwater; water quality

2016-04-15.

國務院三峽辦項目(JJ2011-024).

1000-1190(2016)04-0633-08

X523;P33

A

*E-mail: liumenglmlmlm@126.com.