R 軟件在地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

丁振軍

（遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

2018 年十三屆全國(guó)人大一次會(huì)議表決通過了關(guān)于國(guó)務(wù)院機(jī)構(gòu)改革方案的決定。方案提出，原國(guó)土資源部的監(jiān)督防止地下水污染職責(zé)劃轉(zhuǎn)到新組建的生態(tài)環(huán)境部。2019 年生態(tài)環(huán)境部、自然資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部五部委聯(lián)合印發(fā)了《地下水污染防治實(shí)施方案》，要求建立全國(guó)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，2020 年底前整合建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)要求設(shè)置的地下水污染跟蹤監(jiān)測(cè)井、地下水型飲用水源開采井、土壤污染狀況詳查監(jiān)測(cè)井、地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)估監(jiān)測(cè)井、《中華人民共和國(guó)水污染防治法》要求的污染源地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，完善地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)送制度?！端廴痉乐涡袆?dòng)計(jì)劃》（以下簡(jiǎn)稱“水十條”）考核點(diǎn)位要求“十三五”期間考核《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）中pH、氨氮等19 項(xiàng)指標(biāo)，按綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。而構(gòu)建生態(tài)環(huán)境部門地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)需按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）評(píng)價(jià)每個(gè)點(diǎn)位和指標(biāo)的水質(zhì)類別，最多需要評(píng)價(jià)93 項(xiàng)指標(biāo)。生態(tài)環(huán)境部門地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)任務(wù)日益繁重，急需一種減輕簡(jiǎn)單重復(fù)工作的方法，R 軟件不失為一個(gè)很好的選擇。

2 R 與RStudio 簡(jiǎn)介

R 是Ross Ihaka 和Robert Gentleman 于1995 年開發(fā)的，起源于貝爾實(shí)驗(yàn)室的S 語言。R 是一種為統(tǒng)計(jì)計(jì)算和繪圖而設(shè)計(jì)的語言和環(huán)境，是免費(fèi)開源的數(shù)據(jù)分析軟件。它還是一個(gè)全面的統(tǒng)計(jì)研究平臺(tái)，提供了多種數(shù)據(jù)分析技術(shù)，幾乎任何類型的數(shù)據(jù)分析工作皆可在R 中完成，而且其還擁有頂尖的制圖功能。其擁有自己的代碼庫，CRAN（Comprehensive R Archive Network）是一個(gè)比較完善的R 包庫，用戶可以很容易為其貢獻(xiàn)代碼。R 包是一個(gè)包含R 函數(shù)、數(shù)據(jù)和編譯代碼的集合，R 包在R 中用一行代碼即可安裝，使用非常方便。由于其具有免費(fèi)開源性，所以R 可以很快地從統(tǒng)計(jì)學(xué)家和數(shù)據(jù)科學(xué)家那里得到最新的統(tǒng)計(jì)模型，這是其他商業(yè)收費(fèi)軟件無法比擬的［1］。

R 自帶的環(huán)境操作起來可能不是很方便，而RStudio 很好地解決了這個(gè)問題。RStudio 是R 的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（IDE），它包含語法編輯器、控制臺(tái)、環(huán)境窗格、繪圖結(jié)果等，而且它還具有調(diào)試、可視化等功能。

3 R 與RStudio 的安裝

R 可以在CRAN（cran.r－project.org）上免費(fèi)下載，Linux，Mac OS X 和Windows 都有相應(yīng)編譯好的版本，根據(jù)選擇平臺(tái)的安裝說明進(jìn)行安裝即可［2］，本文版本為version 4.0.0。RStudio 可在官方網(wǎng)站（www.rstudio.com）下載并安裝，本文版本為version 1.2.1335。因RStudio 是以R 為基礎(chǔ)的，所以在安裝RStudio 之前要先安裝R。

4 R 軟件的應(yīng)用

4.1 在地下水考核點(diǎn)位評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

“水十條”地下水考核點(diǎn)位考核評(píng)價(jià)按照綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）指標(biāo)包括pH、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、揮發(fā)性酚類、氰化物、砷、汞、鉻（六價(jià)）、總硬度、鉛、氟化物、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物，共19 項(xiàng)，首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分的評(píng)價(jià)，劃分組分所屬質(zhì)量類別，然后對(duì)各類別進(jìn)行F 值賦分，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類分別賦予0，1，3，6，10 分，然后再算出綜合評(píng)價(jià)分值F［3］。由于點(diǎn)位數(shù)量及考核指標(biāo)眾多，如用人工劃分單項(xiàng)組分質(zhì)量類別并進(jìn)行賦分，時(shí)間成本巨大且易出錯(cuò)，可以使用R 軟件進(jìn)行質(zhì)量類別的劃分和F 值的賦分。

4.1.1 數(shù)據(jù)的處理

應(yīng)用R 進(jìn)行質(zhì)量類別的劃分和賦分時(shí)，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，新建Excel 表并命名為“x1”，表中行為點(diǎn)位名稱，列為19 項(xiàng)考核指標(biāo)名稱（無需考慮指標(biāo)排列順序）。因在R 的函數(shù)中括號(hào)（（））、逗號(hào)（，）和短橫杠（－）有其特殊功能，所以列名中指標(biāo)名稱應(yīng)刪除括號(hào)和逗號(hào)，短橫杠可以用下劃線（＿）代替，以免發(fā)生錯(cuò)誤。Excel 樣表模板見表1。

表1 Excel 樣表模板

4.1.2 數(shù)據(jù)的讀取

數(shù)據(jù)讀取可以使用RStudio 中的導(dǎo)入Excel 功能實(shí)現(xiàn)，操作如下：點(diǎn)擊“Import Dataset”→“From Excel”，在彈出的“Import Excel Data”窗口點(diǎn)擊“Browse”按鈕選擇所需的Excel 表，點(diǎn)擊“Import”按鈕完成數(shù)據(jù)的讀取。首次導(dǎo)入Excel 表時(shí)，RStudio 會(huì)自動(dòng)安裝readxl 程序包。

監(jiān)測(cè)的指標(biāo)中除pH 外，其他指標(biāo)均有可能出現(xiàn)小于檢出限的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)報(bào)送時(shí)一般以“＜檢出限”或“檢出限L”形式給出，在數(shù)據(jù)讀取“Import Excel Data”窗口界面時(shí)，可點(diǎn)擊指標(biāo)名稱旁下拉箭頭，將小于檢出限的指標(biāo)的數(shù)據(jù)類型由字符型（character）改為數(shù)值型（numeric），此時(shí)小于檢出限的單元格變?yōu)槿笔≈担∟A）。其他無小于檢出限的指標(biāo)默認(rèn)數(shù)據(jù)類型為雙精度浮點(diǎn)型（double），無需修改。

4.1.3 R 代碼實(shí)現(xiàn)

R 軟件實(shí)現(xiàn)19 項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)質(zhì)量類別的劃分和F 值的賦分，可以使用基礎(chǔ)包（base）中的cut（）函數(shù)進(jìn)行區(qū)間劃分，代碼根據(jù)指標(biāo)分為2 類。第一類為pH，pH 6.5～8.5 為Ⅰ類水質(zhì)，賦0 分，超出這個(gè)范圍水質(zhì)類別為Ⅳ類或Ⅴ類，賦6 分或10 分。故pH指標(biāo)R 代碼如下：

＃1pH

＞breakpH ＜－ c（0，5.49，6.49，8.5，9，14）

＞labelspH ＝c（10，6，0，6，10）

其他18 項(xiàng)指標(biāo)為第二類，以氨氮和硝酸鹽為例，其余可據(jù)此修改。R 代碼如下：

＃2 氨氮

＞break 氨氮＜－ c（0，0.02，0.2，0.5，Inf）

＞labels 氨氮＝c（0，3，6，10）

＃3 硝酸鹽

＞break 硝酸鹽＜－ c（0，2，5，20，30，Inf）

＞labels 硝酸鹽＝c（0，1，3，6，10）

19 項(xiàng)指標(biāo)依次進(jìn)行區(qū)間劃分并賦分后，在RStudio 默認(rèn)路徑下新建csv 文件x2，在19 項(xiàng)指標(biāo)后新增19 列賦分結(jié)果，并以“F 指標(biāo)名稱”命名。R代碼如下：

＞x2 ＜－ cbind（x1，F(xiàn)pH，F(xiàn) 氨氮，F(xiàn) 硝酸鹽，F(xiàn) 亞硝酸鹽，F(xiàn) 揮發(fā)性酚類，F(xiàn) 氰化物，F(xiàn) 砷，F(xiàn) 汞，F(xiàn) 鉻六價(jià)，F(xiàn) 總硬度，F(xiàn) 鉛，F(xiàn) 氟化物，F(xiàn) 鎘，F(xiàn) 鐵，F(xiàn) 錳，F(xiàn) 溶解性總固體，F(xiàn) 高錳酸鹽指數(shù)，F(xiàn) 硫酸鹽，F(xiàn) 氯化物）

＞write.table（x2，file ＝＂地下水分級(jí)賦分1993.csv＂，sep＝＂，＂，row.names＝F）

查詢RStudio 默認(rèn)路徑可以使用getwd（）命令，更改默認(rèn)路徑可以使用setwd（＂路徑名＂）命令。csv文件可以使用Excel 打開或另存為Excel 文件。x1 表中小于檢出限的單元格即缺省值（NA），在x2 表中新生成的“F 指標(biāo)名稱”列仍為字符NA，可在Excel中整體將新生成列中NA 替換為0，即Ⅰ類水質(zhì)對(duì)應(yīng)的F 值。

4.2 在地下水監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

地下水試點(diǎn)監(jiān)測(cè)與例行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)時(shí)，使用的標(biāo)準(zhǔn)為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017），指標(biāo)包括其表1 中感官性狀及化學(xué)指標(biāo)、微生物指標(biāo)、毒理學(xué)指標(biāo)、放射性指標(biāo)39 項(xiàng)，以及其表2 中毒理學(xué)指標(biāo)54 項(xiàng)，共93 項(xiàng)指標(biāo)［4］。Excel 表的新建與命名、數(shù)據(jù)的處理和讀取都可以參考地下水考核點(diǎn)位評(píng)價(jià)操作。

93 項(xiàng)指標(biāo)的R 代碼實(shí)現(xiàn)根據(jù)指標(biāo)分為4 類，第一類為pH，R 代碼與地下水考核點(diǎn)位評(píng)價(jià)相同。第二類為嗅和味、肉眼可見物2 項(xiàng)指標(biāo)，因其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為“有”或“無”，為字符型變量（character），在數(shù)據(jù)處理時(shí)不要將其更改為數(shù)值型變量（numeric）。對(duì)這2項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)可以使用R 基礎(chǔ)包中g(shù)sub（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。R 代碼如下：

＃2 嗅和味

＞L 嗅和味＜－ gsub（＂無＂，＂1＂，L 嗅和味）

＃4 肉眼可見物

＞L 肉眼可見物＜－ gsub（＂無＂，＂Ⅰ＂，L 肉眼可見物）

第三類為以數(shù)字開頭的指標(biāo)，如“2，4－滴”。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，名稱中的逗號(hào)和短橫杠均已被處理，其名稱已變?yōu)椤?4＿滴”。這類以數(shù)字開頭的指標(biāo)，在進(jìn)行引用的時(shí)候應(yīng)以［［＂＂］］代替美元符號(hào)，以2，4－二硝基甲苯和2，4－滴為例，R 代碼如下：

＃28 2，4－二硝基甲苯

＞break24＿ 二硝基甲苯＜－ c（0，0.1，0.5，5，60，Inf）

＞labels24＿二硝基甲苯＝c（1，2，3，4，5）

＞L24＿ 二硝基甲苯＜－ cu（tx1［［＂24＿ 二硝基甲苯＂］］，break24＿二硝基甲苯，labels24＿二硝基甲苯，include.lowest ＝T）

＃44 2，4－滴

＞break24＿滴＜－ c（0，0.1，6，30，150，Inf）

＞labels24＿滴＝c（1，2，3，4，5）

＞L24＿滴＜－ cu（tx1［［＂24＿滴＂］］，break24＿滴，labels24＿滴，include.lowest ＝T）

第四類為其他指標(biāo)，R 代碼與地下水考核點(diǎn)位評(píng)價(jià)第二類相似，可參照編寫。93 項(xiàng)指標(biāo)依次進(jìn)行區(qū)間劃分后，在RStudio 默認(rèn)路徑下新建csv 文件x2，在93 項(xiàng)指標(biāo)后新增93 列質(zhì)量等級(jí)劃分結(jié)果，并以“L 指標(biāo)名稱”命名。R 代碼如下：

＞x2＜－ cbind（x1，L 色，L 嗅和味，L 渾濁度，L 肉眼可見物，LpH，L 總硬度，L 溶解性總固體，L 硫酸鹽，L 氯化物，L 鐵，L 錳，L 銅，L 鋅，L 鋁，L 揮發(fā)性酚類，L 陰離子表面活性劑，L 耗氧量，L 氨氮，L 硫化物，L 鈉，L 總大腸菌群，L 菌落總數(shù)，L 亞硝酸鹽，L 硝酸鹽，L 氰化物，L 氟化物，L 碘化物，L 汞，L 砷，L 硒，L 鎘，L 鉻，L 鉛，L 三氯甲烷，L 四氯化碳，L 苯，L 甲苯，L 總α 放射性，L 總β 放射性，L 鈹，L 硼，L 銻，L 鋇，L 鎳，L 鈷，L 鉬，L 銀，L 鉈，L 二氯甲烷，L12＿二氯乙烷，L111＿ 三氯乙烷，L112＿ 三氯乙烷，L12＿二氯丙烷，L 三溴甲烷，L 氯乙烯，L11＿二氯乙烯，L12＿ 二氯乙烯，L 三氯乙烯，L 四氯乙烯，L 氯苯，L 鄰二氯苯，L 對(duì)二氯苯，L 三氯苯，L 乙苯，L 二甲苯，L 苯乙烯，L24＿ 二硝基甲苯，L26＿ 二硝基甲苯，L 萘，L 蒽，L 熒蒽，L 苯并b 熒蒽，L 苯并a 芘，L多氯聯(lián)苯，L 鄰苯二甲酸二2＿乙基己基酯，L246＿三氯酚，L 五氯酚，L 六六六，Lγ＿六六六，L 滴滴涕，L 六氯苯，L 七氯，L24＿滴，L 克百威，L 涕滅威，L 敵敵畏，L 甲基對(duì)硫磷，L 馬拉硫磷，L 樂果，L 毒死蜱，L 百菌清，L 莠去津，L 草甘膦）

＞write.table（x2，file ＝＂地下水分級(jí)打分2017.csv＂，sep＝＂，＂，row.names＝F）

查詢RStudio 默認(rèn)路徑可以使用getwd（）命令，更改默認(rèn)路徑可以使用setwd（＂路徑名＂）命令。csv文件可以使用Excel 打開或另存為Excel 文件。x1 表中小于檢出限的單元格即缺省值（NA），在x2 表中新生成的“L 指標(biāo)名稱”列仍為字符NA，可在Excel 中整體將新生成列中NA 替換為Ⅰ，其他新生成列中水質(zhì)質(zhì)量類別由1，2，3，4，5 替換為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ。

5 結(jié)語

在地下水考核點(diǎn)位、試點(diǎn)監(jiān)測(cè)和例行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)用事先寫好的R 代碼可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量等級(jí)劃分和F 值的賦分，而且可以忽略原始數(shù)據(jù)表格中指標(biāo)的順序，自動(dòng)提取對(duì)應(yīng)的指標(biāo)列，并按指定順序輸出結(jié)果。整個(gè)過程迅速且不出錯(cuò)，極大地節(jié)約了人力及時(shí)間成本，且避免了人為判斷失誤。此方法也可擴(kuò)展至地表水單項(xiàng)評(píng)價(jià)或其他類似的評(píng)價(jià)工作中。