基于水質標識指數(shù)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(wěn)發(fā)展和維系良好的生態(tài)環(huán)境具有不可或缺的重要作用。隨著城鎮(zhèn)工業(yè)快速發(fā)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(xù)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(huán)境質量評價至關重要。

本研究采集了鹽城市59眼地下水監(jiān)測井水樣，采用主成分分析法和水質標識指數(shù)相結合的方法分析了鹽城市地下水水質現(xiàn)狀，并利用ArcGIS樣條函數(shù)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(xiàn)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(jiān)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(shù)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(shù)據(jù)標準化：排除數(shù)量級和量綱不同帶來的影響，對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理；?計算相關系數(shù)矩陣的特征值、特征向量和累計貢獻率，原始數(shù)據(jù)經處理后得到標準化數(shù)據(jù)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(shù)法

水質標識指數(shù)法可分為單因子水質標識指數(shù)法和綜合水質標識指數(shù)法[5-6]。

1.2.1 單因子水質標識指數(shù)法

單因子水質標識指數(shù)法是從某一水質指標的實測數(shù)據(jù)出發(fā)，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(shù)，即使同一水質類別也可以比較其優(yōu)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(qū)間質量濃度的上限值；Sik下為第i項水質指標第ki類水區(qū)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(shù)法

綜合水質標識指數(shù)法以單項水質標識指數(shù)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(shù)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(shù)見表1。

表1 綜合水質標識指數(shù)級別分類

2 實例研究

2.1 研究對象和數(shù)據(jù)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(jiān)測井站點分布

2020年10月16—28日在鹽城市開展了地下水現(xiàn)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(huán)境監(jiān)測規(guī)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(jù)水質評價參數(shù)選擇的針對性原則、適度原則、監(jiān)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(shù)(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(qū)域內的59眼地下水監(jiān)測井主要水質指標進行分析，了解各指標濃度狀況，監(jiān)測成果統(tǒng)計情況見表2。

表2 地下水各水質指標監(jiān)測成果描述統(tǒng)計

根據(jù)《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(shù)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(jiān)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(shù)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(jiān)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(huán)境質量評價。運用SPSS統(tǒng)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(jù)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(shù)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(shù)確定要求，4個主成分能夠反映全部數(shù)據(jù)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(jù)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(yǎng)物質的影響；與第三主成分最密切相關的是菌落總數(shù)、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(yǎng)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(shù)、錳、硝酸鹽氮為新的評價指標體系用于水質綜合標識指數(shù)分析，可以反映地下水中鹽類、氮類營養(yǎng)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(shù)結果

2.4.1 單因子水質標識指數(shù)

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(shù)，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(shù)均值為溶解性總固體(4.86)>氯化物(4.79)>菌落總數(shù)(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(shù)、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(qū)現(xiàn)代海水入侵所致；菌落總數(shù)、總硬度較高可能是采樣點周邊存在畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖廢棄物的排放所致。

圖2 各單因子水質標識指數(shù)

2.4.2 綜合水質標識指數(shù)

綜合水質標識指數(shù)評價結果見表5。由表5可知，59眼地下水監(jiān)測井水質類別為Ⅲ～Ⅴ類，其中Ⅲ類水4個，占總數(shù)的6.8%；Ⅳ類水41個，占總數(shù)的69.5%；Ⅴ類水14個，占總數(shù)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(shù)，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(shù)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(shù)插值法進行空間分析，樣條函數(shù)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(shù)學函數(shù)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(shù)、綜合水質標識指數(shù)制作空間分布圖，見圖3。

圖3 綜合水質標識指數(shù)及各單因子水質標識指數(shù)空間分布

由圖3(a)可以看出，整體來說，西部內陸水質優(yōu)于東部沿海，如阜寧、建湖、鹽都、濱海的水質要優(yōu)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(shù)相關性較高；菌落總數(shù)明顯呈現(xiàn)中間低周邊高的分布趨勢；總硬度指數(shù)僅有鹽都西部區(qū)域和東臺中北部分區(qū)域較低，其他區(qū)域總硬度均較高；氨氮水質標識指數(shù)基本呈現(xiàn)西部低于東部、南部優(yōu)于北部的趨勢。阜寧、建湖、鹽都菌落總數(shù)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(jiān)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(shù)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(yǎng)殖或生活污水排放影響，鹽城市需要加強對農村地區(qū)生活污水的治理力度和畜禽養(yǎng)殖的管理，東部沿海地區(qū)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(qū)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(shù)據(jù)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(tài)發(fā)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(wèi)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(xiàn)數(shù)字化轉型奠定扎實基礎。