基于内梅罗指数与主成分分析的洪湖地区地下水水质评价

刘 萌，陈世俭

(1.中国科学院 测量与地球物理研究所， 武汉 430077； 2.中国科学院大学， 北京 100049)



基于内梅罗指数与主成分分析的洪湖地区地下水水质评价

刘 萌1，2*，陈世俭1

(1.中国科学院 测量与地球物理研究所， 武汉 430077； 2.中国科学院大学， 北京 100049)

地下水污染现象在我国地下水资源丰富地区普遍存在.该文以洪湖地区丰水期、枯水期、平水期3个时期的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总锰、总铁、高锰酸钾指数和总磷等7个指标为对象，运用内梅罗指数法与主成分分析方法，采用定性分析与定量分析相结合的方式，对8个样点的的水环境质量进行综合评价.结果表明，临近湖岸居民区与道路的潜水样点5，受到来自水陆两方面生产生活污染物的影响，水质最差；位于临近长江的农村居民区内的潜水样点7，主要受到来自居民生活污水的影响，但长江切穿含水层顶板，江水与地下水水力联系紧密，水体自净好，水质相对较好；位于农田附近的承压水样点2，承压水受外界污染少，在内梅罗指数法中综合得分最低，水质相对较好.在丰水期高锰酸钾指数与氨氮为主要污染物，在枯水期总铁与总锰为主要污染物，在平水期总锰与硝酸盐氮为主要污染物.长江对含水层的影响、人类地表活动、区域地质状况等都是可能影响洪湖地区地下水水质的原因.

内梅罗指数； 主成分分析； 洪湖地区； 地下水； 水质

地下水资源是人类生产生活的重要资源.据统计，全国20%左右的供水来自开采地下水，淮河平原和华北平原生活饮用水中地下水占60%～70%[1].江汉平原东部地区，地下水可采资源量为每年4 000×106m3，每年总用水量约为10 322×106m3，其中，农业用水量为7 520×106m3，工业用水量为2 231×106m3，生活用水量为571×106m3[2].随着我国产业经济的发展，以及水资源利用技术的深入，我国水资源的开发得到了巨大发展，但是伴随而来的问题也逐渐凸显.局部地区出现地下水超采，地面沉降、沿海地区海水入侵和地下水污染等问题日益突出[3-6]，其中地下水污染问题已经成为不可忽视的难题.掌握地下水污染成分以及污染程度，对于我国地下水资源的长期可持续开发具有重要意义.

水质评价以定量的方式直观表征水环境的质量状况，通过水质评价可以了解水环境质量的变化规律，为水环境质量的管理和规划提供依据.目前，应用于地下水水质的评价的方法众多，大致有：单因子评价法、综合指数法、内梅罗指数法、主成分分析法、灰色聚类法和物元可拓法等[7-12].上述评价方法各有特点，如单指标评价方法简单、明了，选取各评价指标中最低的合格率作为最终的评价结果，具有一定的合理性，但不能全面的反映水质的整体状况[7]；综合指数法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值结果，能综合反映出河流污染污染状况，但没有判明水质类别[8]；内梅罗指数法的数学过程简洁，评价时只需计算出综合指数，再对照相应的分级标准，便可知该评价区某环境要素的综合环境质量状况，便于决策者做出综合决策[9]；主成分分析法在确保系统原有数据信息量丢失最小的原则下，将多个变量的信息压缩为几个能反映原问题特征的综合变量指标，从而避免了人为地确定各指标权重的主观随意性，具有降维、简化变量之优点，在太湖流域、武汉东湖等多区域水质分析中取得了较好的效果[10，13-14].由于地下水中多种污染因子之间关系复杂，运用单一方法评价难以解释污染因子与水质之间的关系，所以，本文选择洪湖地区地下水为研究对象，运用内梅罗指数法和主成分分析法对区域地下水水质进行评价，探讨其在丰水期、枯水期、平水期的污染程度，了解以及个采样点之间、各水质指标之间的相互关系，明确各时期主要污染物，讨论可能造成污染的原因，以便为控制地下水污染提供科学依据.

1 研究区域与研究方法

1.1研究区域

洪湖地区南临长江，北临汉江支流东荆河，位于地势低洼的江汉平原四湖地区的东南部[15]，境内水网密布，为典型的泛滥平原，属亚热带季风气候，年平均降水量达1 100～1 300 mm[16].区内水资源丰富，水产渔业成为当地经济发展的重要产业[17]，地下水位高且地下水资源丰富，是区域农业生产重要水源.

1.2数据来源

为监测区域水质变化，在区域内选择8个点位

(如图1)：样点1、样点2、样点3位于农田附近；样点4位于农村居民区内；样点7、样点8位于靠近长江的农村居民区内；样点5位于临湖的农村居民区内；样点6位于城镇居民区内；其中样点5、样点7为潜水，其余样点为承压水.于丰水期(2014年7月)、枯水期(2015年1月)、平水期(2015年5月)各采样一次进行监测.用聚乙烯瓶采集水样并酸化保存，在室内通过实验分析.选取总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、高锰酸钾指数(CODMn)、总铁(Fe2+)和总锰(Mn2+)7项主要水质指标对区域水质进行分析，其中，总磷采用钼酸铵分光光度法测定，氨氮采用纳氏试剂法测定，亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定，硝酸盐氮采用紫外分光光度法测定，高锰酸盐指数采用高锰酸钾酸性滴定法测定，总铁采用邻菲罗啉分光光度法测定，总锰采用高碘酸钾分光光度法测定.

图1 采样点分布图Fig.1 The distribution of sampling points

1.3研究方法

1.3.1内梅罗指数法 内梅罗指数法具备数学过程简洁、运算方便等优点，是以单因子评价法为基础，对水体中的各种指标参数进行水质评价的方法，评价地下水步骤如下[18-19].

1) 首先进行水质的单项组分评价，依据地下水质量标准划分单项组分所属类别，对各类别按表

1分别确定单项组分评分值.

2) 利用内梅罗指数计算公式计算综合评分值F：

(1)

式中,F为综合评分值；Fmax为单项组分Fi的最大值；Fave为各项组分评分值F的平均值；n为项数.

表1 地下水质量评分

3)根据F值按表2规定划分地下水质量级别.

表2 地下水质量分级

1.3.2主成分分析法 主成分分析法是在确保不损失原有信息的前提下，将多种影响水质的指标重新组合成一组新的、相互无关的、较少的综合指标来反映指标的信息，以达到降维、简化数据和突出关键信息的目的.

主成分分析法在水质中的应用是建立总评价指标，评价各采样点间的相对污染程度，并对各采样点的污染程度进行分级[20].假设有n个水样，每个水样检测p个指标，原始数据为n×p阶矩阵：

(2)

1)对原始数据矩阵进行标准化处理，消除量纲的影响：

(3)

式中，

(4)

计算采样点各主成分得分：把各采样点的标准化数据分别代入采样点各主成分的表达式中，即可得出采样点各主成分的得分Fj；以方差贡献率为系数求得综合得分F.得分值越大，表明污染程度越严重.

(5)

(6)

2 结果与分析

按照样点的不同，在各样点均选择亚硝酸盐氮、氨氮、总铁、总锰、硝酸盐氮、高锰酸钾指数、总磷七个指标，分丰水期、枯水期、平水期三个时期，对各样点的水质情况运用内梅罗指数法以及主成分分析法进行分析.

2.1地下水化学特征

通过对研究区域不同时期各样点地下水有关水化学参数进行描述性统计分析，可以大致了解区域各污染指标浓度状况.分析计算结果见表3.

表3 地下水水化学参数描述性统计特征值

由表3可知，各样点地下水亚硝酸盐氮在0～0.418mg/L之间，在丰、枯水期略有超标；氨氮含量在0.266～2.931mg/L之间，3个时期均有超标，但超标幅度不大；总铁含量在0～7.662mg/L之间，在枯水期出现个别超标值，且超标幅度大；总锰含量在0.211～4.193mg/L之间，在枯水期出现个别超标值，超标幅度较大；硝酸盐氮含量在0～17.735mg/L之间，在枯水期出现个别严重超标值；高锰酸钾指数含量在0.123～6.696mg/L之间，在枯水期与平水期出现超标值，枯水期超标幅度大；总磷含量在0.08～0.375mg/L之间，未出现超标.总体上各指标超标率较低，但对于区域水质的评价还需要进一步的分析.

2.2内梅罗指数法

运用内梅罗指数法，根据不同污染物在不同类别水质的标准浓度，以及各样点实测污染浓度，计算各样点水质的内梅罗指数综合评分F值，得出各样点在丰水期、枯水期、平水期的水质分级结果如表4所示.

表4 3个时期地下水水质的内梅罗指数综合评分F值以及质量分级

由表中的质量分级，可以得出在不同时期，所有8个样点的水质都为极差，而依据内梅罗指数综合得分F值，得出各样点水质在极差基础上的个体差异.其中，样点5在3个时期F值得分均为最高，水质最差；样点2在3个时期F值得分均为最低，水质相对较好.依据内梅罗指数法，我们得出了本区的大致水质状况，但是我们还需要对于影响各点的主要污染物进行分析，所以我们继续运用主成分分析法对区域地下水水质进行分析.

2.3主成分分析法

通过统计软件SPSS18.0对采样所得到的数据进行主成分分析，根据数据的特征值与主成分贡献率，提取主成分并计算各项指标的相关系数矩阵和特征值，完成各样点的水质综合评价.指标与某一主成分的联系系数的绝对值越大，则该主成分与指标之间的联系越紧密.

2.3.1丰水期水质综合分析 亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、氨氮、总铁、总磷指标在第一主成分上的载荷较高，总锰、高锰酸钾指数在第二主成分上的载荷较高.根据各主成分的得分与各主成分的方差贡献率：

F=0.47902×F1+0.23781×F2，

计算可得水质污染综合得分F并进行排序(表5).由表5可知这一时段样点7得分最低、水质相对较好；样点3得分最高、水质最差.

表5 丰水期各主成分得分及综合得分

F1为第一主成分得分，F2为第二主成分得分，F为综合得分.

2.3.2枯水期水质综合分析 分析枯水期数据，根据主成分载荷大小选取前三个主成分，亚硝酸盐氮、硝酸盐氮与第一主成分密切相关，氨氮、总铁、高锰酸钾指数在第二主成分上的载荷较高，总磷、总锰在第三主成分上的载荷较高，根据主成分特征向量，计算各主成分得分和水质污染综合得分(表6).

表6 枯水期各主成分得分及综合得分

F1为第一主成分得分，F2为第二主成分得分，F3为第三主成分，F为综合得分.

F=0.53323×F1+0.19665×F2+0.15813×F3.

按表6可知这一时段样点4水质相对较好，样点7水质最差.

2.3.3平水期水质综合分析 对2015年5月平水期数据进行分析得出，氨氮、高锰酸钾指数均与第一主成分密切相关，硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总铁、总锰在第二主成分上的载荷较高，总磷在第三主成分上的载荷较高.根据各主成分的得分与各主成分的方差贡献率：

F=0.40038×F1+0.26760×F2+

0.19022×F3，

得出2015年5月各主成分得分和水质综合得分及排序(表7).按照排名可知，样点8水质相对较好，样点7水质最差.

对不同时期各样点的水质进行主成分分析，得出不同时期各样点水质的相对好坏，以及研究区域内影响水质的主要污染物，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标众多，需要对其进行进一步的分析来确定对水质影响最大的污染指标.

2.3.4主要污染物分析 依照时序变化，对各时期污染物进行主成分分析，得到各时期污染指标得分值，明确各时期最主要污染指标.

表7 平水期各主成分得分及综合得分

F1为第一主成分得分，F2为第二主成分得分，F3为第三主成分，F为综合得分.

总铁Fe2+ 总锰Mn2+ 亚硝酸盐氮NO2-N 硝酸盐氮NO3-N 氨氮NH3-N 总磷TP 高锰酸钾指数CODMn图2 各时段污染指标得分Fig.2 Composite score of pollutant indexes

依据3个时段各污染指标的主成分分析综合得分，结果如图2，在丰水期，高锰酸钾指数的综合得分最高，为主要污染指标，次要污染指标为氨氮；在枯水期总铁指标的综合得分最高，其次为总锰；在平水期，总锰与硝酸盐氮得综合得分排名靠前.综合来说，在丰水期高锰酸钾指标与氨氮为主要污染物，在枯水期总铁与总锰为主要污染物，在平水期总锰与硝酸盐氮为主要污染物.

2.4内梅罗指数法与主成分分析法结果对比

依据采样点的不同对3个时段的两种水质综合得分求均值，并对得到的均值进行归一化处理，使其映射到0～1范围内进行比较(图3).潜水样点5在两种评价方法中综合水质得分均最高，污染最为严重；潜水样点7在主成分分析法中水质综合得分最低，水质相对较好；承压水样点2在内梅罗指数法中综合得分最低，水质相对较好.

图3 主成分分析法与内梅罗指数法综合得分均值排序Fig.3 Sort of average composite score of principal component analysis and Nemerow index method

两种评价方法各有侧重：内梅罗指数法注重于对水质的总体特征的评价，兼顾了污染最重因子和一般因子对于评价结果的影响，但忽视了各因子的重要程度；主成分分析法突出了水质评价中的关键因子，强调主要污染因子对地下水水质的影响，但忽略了次要因子的作用，因此两种方法所得结果存在不同.内梅罗指数法对区域水质进行定性分析，首先明确了区域水质的等级，主成分分析法在此基础上对于各样点、各污染物进行比较分析，得出了各时期各样点的水质相对好坏情况，以及各时期主要的污染物，两种方法相结合对研究区域地下水水质做出了较为合理的评价.

3 讨论

对可能造成本区污染的原因从以下几个方面讨论.

1) 本区域地势低、水位较高，地表污染状况对地下水的影响较大[16].在区域内，丰水期长江水位高于地下水水位，长江补给地下水，且长江切穿了隔水层顶层，与地下水有直接的水力联系[21].如潜水样点7位于临近长江的农村居民区内，该点地下水与长江水交换密切，水资源更新速度快，自净能力好，水质较好.

2) 研究区域地势较低，居民多开挖人工池塘，发展水产养殖业.水产养殖产生大量残饵，其中所含的氮磷以及耗氧有机物等导致水体氮磷污染，消耗水中溶解氧[22]，在温度较高生物活动频繁的丰水期，高锰酸钾指数成为主要污染指标.本区湖冲击淤泥质中有机质较多[23]，地下水在厌氧细菌的作用下形成还原环境，易发生反硝化作用，水体中溶解性铁、锰化合物与有机质络合形成稳定的胶体体系，溶解度增加，迁移性增强[24]，影响水中铁锰含量.在农业活动减少的枯水期，氮磷污染影响减弱，铁锰成为主要污染指标.

3) 种植业是本区农业中的支柱产业，丰水期正是农事活动最为繁忙的季节.农业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层硝酸盐含量，并在雨季淋滤进入地下水[26]，浅层地下水最先受到污染，深层地下水污染相对滞后[27].如位于农田附近的承压水样点2，主要受农业生产污染影响，但承压水受外界影响较小，在内梅罗指数法分析结果中中水质相对较好.反硝化作用降低了地下水中硝酸盐浓度，而低溶解氧、富含有机质的的含水层适合于反硝化作用的发生[28].所以在水位较高降水较多的丰水期，还原状态使氨氮成分较高，成为主要污染指标.而在水位较低的枯水期，或降水相对较少的平水期，硝态氮较多，硝酸盐氮是这一时段的主要污染物.

4) 本区域缺乏完整的生活污水收集处理系统，生活污水随意排放，生活垃圾的收集处理设施落后，相当一部分生活垃圾随意倾倒堆积，是潜在的主要污染源[29-30].如潜水样点5位于湖岸居民区与道路之间，附近有众多船舶停泊，居民生活生产污水影响地下水水质，且附近水域易发生富营养化，导致潜水污染，该点水质在两种评价结果中均为最差.

4 结论

地下水环境复杂多变，地下水水质受到多方面因素的影响.本文采用内梅罗指数法与主成分分析法相结合的分析方法，首先得出区域各点的污染等级指数，对整体污染情况有了定性的了解，再对各样点相对污染情况和主要污染物进行定量分析，较为合理地反映了区域地下水水质状况.临近湖岸居民区与道路的潜水样点5，受到来自水陆两方面生产生活污染物的影响，水质最差；位于临近长江的农村居民区内的潜水样点7，主要受到来自居民生活污水的影响，但江水切穿含水层顶板，江水与地下水水力联系紧密，水体自净好，水质相对较好；位于农田附近的承压水样点2，主要受农业生产污染影响，但承压水受外界影响较小，在内梅罗指数法中综合得分最低，水质相对较好.在丰水期高锰酸钾与氨氮为主要污染物，在枯水期总铁与总锰为主要污染物，在平水期总锰与硝酸盐氮为主要污染物.

地质条件、农业生产、居民生活等因素综合作用影响着地下水水质，导致了污染物的产生与迁移.本区域应调整农业发展模式，加大科技投入，改变粗放式的经营，使农业经济向可持续方向发展.合理管理农业生产及生活污水的处理，逐步改善地下水水质状况.

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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.

国务院三峡办项目(JJ2011-024).

1000-1190(2016)04-0633-08

X523;P33

A

*E-mail: liumenglmlmlm@126.com.