基于水質標識指數和ArcGIS的鹽城市地下水評價

(江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城 224051)

地下水是水資源的重要組成部分，對維持經濟社會的平穩發展和維系良好的生態環境具有不可或缺的重要作用。隨著城鎮工業快速發展和人民生活水平的提高，鹽城市對地下水需求量不斷加大，多年來地下水過度開采造成地下水位持續下降[1]。為了保護和改善地下水水質，了解和掌握水體污染影響程度和空間分布趨勢，對鹽城市地下水環境質量評價至關重要。

本研究采集了鹽城市59眼地下水監測井水樣，采用主成分分析法和水質標識指數相結合的方法分析了鹽城市地下水水質現狀，并利用ArcGIS樣條函數插值分析功能初步探究了鹽城市地下水空間分布特征。

1 分析方法

1.1 主成分分析法

篩選評價指標是水質評價工作中的第一步。當評價指標過多且彼此相關性較大時，各指標反映出的信息會出現一部分重疊，增加評價工作量，掩蓋水體的一些重要特征[2]。本文采用主成分分析法，對59個地下水監測井水質檢測結果提取主成分，重新構建指標體系，計算水質標識指數進行水質評價和空間分析。

主成分分析的主要步驟為[3-4]：?數據標準化：排除數量級和量綱不同帶來的影響，對原始數據進行標準化處理；?計算相關系數矩陣的特征值、特征向量和累計貢獻率，原始數據經處理后得到標準化數據矩陣，選取特征值大于1的成分，累計方差貢獻率不小于70%的主成分進行水質分析。

1.2 水質標識指數法

水質標識指數法可分為單因子水質標識指數法和綜合水質標識指數法[5-6]。

1.2.1 單因子水質標識指數法

單因子水質標識指數法是從某一水質指標的實測數據出發，首先將其與對應指標的評價標準進行比較，確定其水質類別，再計算其水質標識指數，即使同一水質類別也可以比較其優劣。

(1)

(2)

式中：ki為第i項水質指標的水質類別，取值為1，2，…,6；Sik上為第i項水質指標第ki類水區間質量濃度的上限值；Sik下為第i項水質指標第ki類水區間質量濃度的下限值；Ci為第i項指標的實測濃度。

式(1)和式(2)分別適用于正向指標和逆向指標。正向指標其值越小，水質越好；逆向指標其值越小，水質越差。

1.2.2 綜合水質標識指數法

綜合水質標識指數法以單項水質標識指數為基礎，對多個水質指標進行加權處理，本文采用單項水質標識指數的平均值和最大值加權求得，計算公式為

P=βP平均+(1-β)Pmax

(3)

綜合水質標識指數見表1。

表1 綜合水質標識指數級別分類

2 實例研究

2.1 研究對象和數據來源

鹽城市地處江蘇沿海中部，東臨黃海，南與南通市接壤，西、西南與揚州市、泰州市相連，北、西北隔灌河與淮安市、連云港市相望。位于東經119°27′～120°54′、北緯32°34′～34°28′之間，市域總面積16972km2。

圖1 鹽城市59眼地下水監測井站點分布

2020年10月16—28日在鹽城市開展了地下水現場采樣調查工作，共采集59眼地下水水樣作為研究對象，見圖1。按照《水環境監測規范》(SL 219—2013)時效要求及時開展指標檢測，在室內通過實驗室測定指標有20余項，根據水質評價參數選擇的針對性原則、適度原則、監測技術可行原則，結合《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中部分項目沒有具體的水質類別評價標準，測定中某些項目未檢出，經甄別篩選，選取總硬度(ZX1)、溶解性總固體(ZX2)、硫酸鹽(ZX3)、氯化物(ZX4)、氟化物(ZX5)、耗氧量(ZX6)、氨氮(ZX7)、硝酸鹽氮(ZX8)、總大腸菌群(ZX9)、菌落總數(ZX10)、鐵(ZX11)、錳(ZX12)主要指標共計12項。

2.2 地下水污染特征分析

對研究區域內的59眼地下水監測井主要水質指標進行分析，了解各指標濃度狀況，監測成果統計情況見表2。

表2 地下水各水質指標監測成果描述統計

根據《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)進行評價，其中總硬度、溶解性總固體、氯化物、氨氮、鐵、錳、總大腸菌群均值為Ⅴ類水，耗氧量、細菌總數均值為Ⅳ類水，硫酸鹽均值為Ⅱ類水，硝酸鹽氮、氟化物均值為Ⅰ類水。59眼地下水監測井中，就總硬度指標而言，Ⅳ類水6個，Ⅴ類水37個；溶解性總固體Ⅳ類水12個，Ⅴ類水39個；氯化物Ⅳ類水4個，Ⅴ類水43個；氨氮Ⅳ類水11個，Ⅴ類水23個；鐵Ⅳ類水22個，Ⅴ類水35個；錳Ⅳ類水43個，Ⅴ類水12個；總大腸菌群Ⅳ類水6個，Ⅴ類水46個；耗氧量Ⅳ類水29個，Ⅴ類水3個；細菌總數Ⅳ類水44個，Ⅴ類水13個；硝酸鹽氮Ⅰ類水53個；氟化物Ⅰ類水51個；硫酸鹽Ⅰ類水11個，Ⅱ類水23個。59眼地下水監測井中的12個指標中，僅硝酸鹽氮、氟化物、硫酸鹽指標狀況較好。

2.3 主成分分析結果

目前，主成分分析已經廣泛應用于評價指標體系的選擇及環境質量評價。運用SPSS統計軟件，對上述指標進行主成分分析，確定各指標對入選主成分的作用大小，根據不同主成分上各指標的荷載大小不同，選取主導指標作為水質評價指標體系，進而用水質標識指數進行水質評價。

主成分的方差及方差累計貢獻見表3。由表3可知，特征值大于1的只有4個成分，累計的方差占比為72.064%，基本滿足主成分個數確定要求，4個主成分能夠反映全部數據的大部分信息。

表3 特征值和主成分貢獻率及累計貢獻率

成分矩陣見表4。由表4可知，第一主成分包含的信息最多，對水質變化影響最大。根據主成分荷載值，與第一主成分關系最密切的是氯化物、溶解性總固體、總硬度，主要表征地下水鹽類物質和鈣鎂等陽離子的影響；與第二主成分關系最密切的是氟化物和氨氮，主要表征地表水中氮類營養物質的影響；與第三主成分最密切相關的是菌落總數、錳，主要表征地下水中微生物和重金屬的影響；與第四主成分最密切相關的是硝酸鹽氮，主要表征地下水中氮類營養物質的污染。為了避免信息重疊，盡可能選用相對較少的地下水水質指標，最大程度地反映全部信息，選取各主成分中荷載值較高的氯化物、溶解性總固體、總硬度、氟化物、氨氮、菌落總數、錳、硝酸鹽氮為新的評價指標體系用于水質綜合標識指數分析，可以反映地下水中鹽類、氮類營養物質、重金屬、微生物等污染物的影響程度。

表4 成 分 矩 陣

2.4 綜合水質標識指數結果

2.4.1 單因子水質標識指數

采用主成分分析方法構建的評價指標體系進行計算，首先計算59個站點的單因子水質標識指數，見圖2。由圖2可知，就各單因子水質標識指標而言，單因子水質標識指數均值為溶解性總固體(4.86)>氯化物(4.79)>菌落總數(4.70)>總硬度(4.62)>錳(4.46)>氨氮(4.27)>氟化物(1.89)>硝酸鹽氮(1.55)，主要污染因子為溶解性總固體、氯化物、菌落總數、總硬度、錳、氨氮。氯化物、溶解性總固體較高，說明鹽城地下水以微咸水為主[7]，主要是由古海相地層鹽分淋濾或者部分地區現代海水入侵所致；菌落總數、總硬度較高可能是采樣點周邊存在畜禽養殖或者是人類生活污水的排放所致[8-9]；氨氮較高可能是氮肥的過量使用、生活污水的排放和畜禽養殖廢棄物的排放所致。

圖2 各單因子水質標識指數

2.4.2 綜合水質標識指數

綜合水質標識指數評價結果見表5。由表5可知，59眼地下水監測井水質類別為Ⅲ～Ⅴ類，其中Ⅲ類水4個，占總數的6.8%；Ⅳ類水41個，占總數的69.5%；Ⅴ類水14個，占總數的23.7%。59個站點中，28個站點最大污染因子為氯化物，15個站點最大污染因子為菌落總數，8個站點最大污染因子為總硬度，4個站點最大污染因子為氨氮，2個站點最大污染因子為錳，2個站點最大污染因子為溶解性總固體，1個站點最大污染因子為氟化物。

表5 各站點綜合水質標識指數評價結果

2.5 ArcGIS空間插值分析

利用ArcGIS10.2軟件空間分析工具插值分析模塊中的樣條函數插值法進行空間分析，樣條函數法工具所使用的插值方法使用可最小化整體表面曲率的數學函數作為估計值，以生成恰好經過輸入點的平滑表面。針對采樣點主要指標的單因子水質標識指數、綜合水質標識指數制作空間分布圖，見圖3。

圖3 綜合水質標識指數及各單因子水質標識指數空間分布

由圖3(a)可以看出，整體來說，西部內陸水質優于東部沿海，如阜寧、建湖、鹽都、濱海的水質要優于響水、射陽、大豐、東臺，主要是由于東部受到海水入侵影響所致。由圖3(b)～圖3(f)可知，溶解性總固體和氯化物在空間上的分布高度相似，兩指標的水質標識指數相關性較高；菌落總數明顯呈現中間低周邊高的分布趨勢；總硬度指數僅有鹽都西部區域和東臺中北部分區域較低，其他區域總硬度均較高；氨氮水質標識指數基本呈現西部低于東部、南部優于北部的趨勢。阜寧、建湖、鹽都菌落總數相對較高，響水、濱海、射陽溶解性總固體、氯化物、總硬度、氨氮相對較高，東臺、大豐溶解性總固體、氯化物相對較高。

3 結 語

本文以鹽城市59眼地下水監測井水樣為研究對象，運用主成分分析方法進行指標篩選重構指標體系構建，利用綜合水質標識指數對水質進行評價，采用ArcGIS插值法了解其空間分布特征。結果表明鹽城市地下水多為微咸水，且取樣點已受到周邊畜禽養殖或生活污水排放影響，鹽城市需要加強對農村地區生活污水的治理力度和畜禽養殖的管理，東部沿海地區尤其要加大對地下水的保護。結果證明，該方法能很好地應用到鹽城市地下水評價中，并且能識別不同區域的主要污染物和污染程度。

水質評價方法與ArcGIS處理軟件的結合可以得出地下水質空間分布特征，今后可人工或者自動采集不同時間段的地下水樣品，進行人工或者在線儀表檢測，對時間軸數據進行算法趨勢擬合，將此時間檢測分析方法和本文采用的空間分析方法進行擬合，即可科學預測今后時空下鹽城市地下水質狀態發展情況。地下水采樣點位合理布設，設定自動取樣和在線儀表檢測，利用我國北斗衛星遙感GIS信息采集技術，采用本文描述的時間和空間評價方法，可為我國地下水資源水質時空評估實現數字化轉型奠定扎實基礎。