地理信息系統(tǒng)在地下水水質評價中的應用

徐鐵峰，翟繼武，查木哈

（1.內蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站赤峰分站；2.赤峰學院，內蒙古 赤峰 024000）

地下水是地球上重要的淡水資源之一，對于維持地球生態(tài)平衡、支撐人類生活和經濟發(fā)展至關重要。然而，隨著工業(yè)化和城市化進程的不斷加速，加上農業(yè)、工業(yè)、生活等活動，地下水受到越來越嚴重的污染和過度開采。在中國這樣的發(fā)展中國家，地下水質量問題尤為突出。新安泉作為山西省著名的巖溶泉之一，其地下水質量對于當地居民的飲用水安全和游客的旅游體驗至關重要。因此，對新安泉地下水水質進行評價與保護顯得尤為迫切[1]。

辛安泉域包括長治市的12 個縣區(qū)及晉中市的榆社縣，泉域總面積為10 950 km2。辛安泉是山西省第二大巖溶泉，該泉水自然純凈，水質優(yōu)良，在當地有著廣泛的用途，包括飲用水和農田灌溉。然而，隨著經濟的發(fā)展和人口的增加，新安泉面臨日益嚴峻的水質問題。工業(yè)污染、農藥、化肥以及城市污水的排放可能導致新安泉的地下水質量逐漸惡化，因此進行地下水水質評估具有重要的現實意義[2]。地下水水質評價是地下水資源管理和保護的基礎工作之一。對新安泉地下水水質進行評價，不僅可以為當地政府部門提供科學依據，以便制定地下水資源管理政策，還可以幫助居民了解當地地下水質量狀況，增強公眾的地下水保護意識[3]。

1 數據采集

本研究利用地理信息系統(tǒng)（GIS）對新安泉地下水水質進行評價，了解其當前的水質狀況，并通過單因子指數法和綜合指數法綜合分析地下水質量，找出潛在的污染源和影響因素。同時，根據評價結果，提出科學合理的地下水保護對策，以保障新安泉地區(qū)地下水資源的合理利用和可持續(xù)發(fā)展。本研究在辛安泉域內設置24 個采樣點，采集的水樣全部來自當地已有水井。利用GIS 從時間和空間上對新安泉地下水水質進行評價，通過坐標系統(tǒng)、專題圖層數據庫、基礎數據庫等數據，采用GIS 的坐標自動生成功能，對24 個采樣點水質數據進行關聯[4]。

2 地下水水質評價方法

2.1 技術路線

ArcGIS 軟件是一套地理信息系統(tǒng)軟件，具有強大的地理空間數據處理、分析和可視化能力，廣泛應用于地理科學、資源環(huán)境、城市規(guī)劃、農業(yè)等領域。ArcGIS 軟件在地下水水質評價中扮演重要角色，其應用主要體現在3 個方面。一是空間數據管理。ArcGIS軟件能夠對地下水監(jiān)測數據、地質地形數據等進行有效管理和組織，實現空間數據的集成和共享。ArcGIS軟件能夠對地下水監(jiān)測數據進行整合和統(tǒng)一管理，避免數據重復采集和處理。二是空間分析。ArcGIS 軟件可以提供豐富的空間分析工具，對地下水監(jiān)測數據的空間分布進行分析，找出地下水質量的空間變化規(guī)律，為地下水質量評價提供支持。三是空間可視化。ArcGIS 軟件可以將地下水質量評價結果以直觀的地圖形式展示，便于用戶了解地下水質量的空間分布特征。ArcGIS 軟件支持模型建立和參數優(yōu)化，可以建立地下水水質評價模型，綜合考慮多個指標的影響。

利用ArcGIS 軟件Geostatistical Analyst 模塊中的直方圖和正態(tài)分位數-分位數（QQ）圖采樣點數據進行檢驗，觀察采集的數據是否符合正態(tài)分布規(guī)律，然后利用Geostatistical Analyst 模塊中的全局趨勢分析，發(fā)現地下水水質評價指標中硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、pH 具有較好的代表性。一是將硫酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽、pH 的屬性數據與空間數據進行一一對應，同時檢驗數據的正態(tài)分布，探索數據分布及離群值情況；二是反距離加權插值法適用于數據分布均勻的情況，計算速度較快，可采用ArcGIS 軟件中的反距離加權插值法得到單項指標評價結果；三是采用內梅羅指數法計算水質綜合污染指數，進行圖層疊加，得到水質綜合預測結果。技術路線如圖1所示[5]。

圖1 地下水水質評價的技術路線

2.2 單因子指數法

單因子指數法是逐個對地下水監(jiān)測指標進行評價，得到各個指標的單因子污染指數[6]。這種方法簡單直觀，易于理解和操作。一般指標的單因子污染指數可按式（1）進行計算，pH 的單因子污染指數可采用式（2）進行計算。

式中：Pi為單因子污染指數；Ci為水質污染物實測值，mg/L；Cs為水質污染物評價標準值，mg/L；pi為水質pH 的單因子污染指數；ci為多次實測的pH平均值；cm為pH 的評價標準值。當ci不小于7.0 時，cm取8.5；當ci小于7.0 時，cm取5.5。

2.3 綜合指數法

綜合指數法是綜合考慮多個地下水監(jiān)測指標，通過建立數學模型或專家經驗判斷，對地下水質量進行綜合評價。綜合指數法能夠較全面地反映地下水的綜合質量。本文采用內梅羅指數法進行評價，計算公式如式（3）所示。水質污染物評價標準值采用《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017），以內梅羅綜合污染指數的大小來評定污染等級。

式中：F為內梅羅綜合污染指數；Fmax為單項組分評價分值的最大值；為各單項組分評價分值的平均值。

2.4 新安泉域地下水質量評價

2.4.1 數據收集與預處理

在進行地下水質量評價之前，首先需要收集新安泉地下水的監(jiān)測數據，包括pH、硝酸鹽、氨氮等指標。然后，對收集的數據進行預處理，包括數據清洗、異常值剔除和缺失值填補等，確保數據的可靠性和完整性。

2.4.2 地下水監(jiān)測指標選擇

根據新安泉地下水的特點和當地的水質標準，合理選擇地下水監(jiān)測指標，用于地下水質量評價。針對每個指標，采用合適的評價方法，計算其水質污染指數。

2.4.3 地下水質量評價結果分析

通過ArcGIS 軟件進行地下水質量評價，得到各個監(jiān)測點的地下水質量評價結果。根據單因子指數法和綜合指數法，可以得出每個監(jiān)測點的水質等級，分析地下水質量的空間分布特征。同時，結合地質地形數據和人類活動分布等空間信息，探討地下水質量變異的可能原因，找出潛在的污染源和影響因素。

3 研究區(qū)水質評價結果

辛安泉域設置24 個地下水水質采樣點。利用ArcGIS 軟件Geostatistical Analyst 模塊，得到研究區(qū)硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物、氟化物、pH 的直方圖和正態(tài)概率分布圖，分別對其進行正態(tài)分布性檢驗。其中，研究區(qū)硝酸鹽監(jiān)測結果的直方圖如圖2所示，滿足正態(tài)分布，其正態(tài)概率分布如圖3所示。

圖2 硝酸鹽監(jiān)測結果的直方圖

圖3 硝酸鹽監(jiān)測結果的正態(tài)概率分布

利用ArcGIS 軟件Geostatistical Analyst 模塊進行統(tǒng)計分析，利用趨勢分析工具將采集的數據轉化為三維透視圖，采樣點的位置繪制在x軸、z軸構成的平面上，z值表示感興趣的屬性值。趨勢分析工具將散點圖投影到x軸、z軸構成的平面上和y軸、z軸構成的平面上。經全局趨勢分析，東西和南北方向投影的趨勢線呈倒U 形。經評價，新安泉域地下水水質在時間上表現為優(yōu)良→較差→優(yōu)良的變化過程，在空間上，污染區(qū)域整體呈現向東擴散趨勢。

3.1 水質單項指標評價結果

利用ArcGIS 軟件的Geostatistical Analyst 模塊、Geostatistical Wizard 模塊完成數據的空間插值，得到其空間插值結果。從2006—2019年的監(jiān)測結果可知，硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮是當前水質污染管控的重點。2006年，2 個監(jiān)測點位硝酸鹽濃度高，從東向西呈倒U 形分布。硝酸鹽的分布呈向東北方向擴散趨勢。

3.2 水質綜合指標評價結果

采用ArcGIS 軟件對辛安泉域地下水水質的綜合指標進行評價。結果顯示，2006年，3 個監(jiān)測點位的水質比其他地區(qū)差一些，但是辛安泉域水質仍全部達到優(yōu)良標準。從2010年開始，整個辛安泉域地下水水質開始惡化。2015年，整個辛安泉域水質達到優(yōu)良標準，地下水水質得到一定改善。2019年，辛安泉域地下水水質得到進一步改善，水質最好，全部達到優(yōu)良標準。

4 結語

在地下水水質評價中，地理信息系統(tǒng)可以發(fā)揮重要作用。本研究利用地理信息系統(tǒng)，從時間、空間上對新安泉域地下水水質進行評價。結果表明，新安泉域地下水水質在時間上表現為優(yōu)良→較差→優(yōu)良的變化過程，在空間上，污染區(qū)域整體呈現向東擴散趨勢。本研究主要依賴現有的地下水監(jiān)測數據，數據的完整性和時效性可能會受到影響。未來，要加強地下水監(jiān)測網絡建設，提高數據的精度和時空分辨率。同時，要深入研究地下水質量評價方法，探索更加準確和可靠的地下水水質評價模型。此外，還可以結合其他地質、水文、環(huán)境因素，深入分析地下水質量形成機制和演變規(guī)律，為地下水保護提供更加全面的科學依據。