基于水质标识指数和ArcGIS的盐城市地下水评价

(江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏 盐城 224051)

地下水是水资源的重要组成部分，对维持经济社会的平稳发展和维系良好的生态环境具有不可或缺的重要作用。随着城镇工业快速发展和人民生活水平的提高，盐城市对地下水需求量不断加大，多年来地下水过度开采造成地下水位持续下降[1]。为了保护和改善地下水水质，了解和掌握水体污染影响程度和空间分布趋势，对盐城市地下水环境质量评价至关重要。

本研究采集了盐城市59眼地下水监测井水样，采用主成分分析法和水质标识指数相结合的方法分析了盐城市地下水水质现状，并利用ArcGIS样条函数插值分析功能初步探究了盐城市地下水空间分布特征。

1 分析方法

1.1 主成分分析法

筛选评价指标是水质评价工作中的第一步。当评价指标过多且彼此相关性较大时，各指标反映出的信息会出现一部分重叠，增加评价工作量，掩盖水体的一些重要特征[2]。本文采用主成分分析法，对59个地下水监测井水质检测结果提取主成分，重新构建指标体系，计算水质标识指数进行水质评价和空间分析。

主成分分析的主要步骤为[3-4]：ⓐ数据标准化：排除数量级和量纲不同带来的影响，对原始数据进行标准化处理；ⓑ计算相关系数矩阵的特征值、特征向量和累计贡献率，原始数据经处理后得到标准化数据矩阵，选取特征值大于1的成分，累计方差贡献率不小于70%的主成分进行水质分析。

1.2 水质标识指数法

水质标识指数法可分为单因子水质标识指数法和综合水质标识指数法[5-6]。

1.2.1 单因子水质标识指数法

单因子水质标识指数法是从某一水质指标的实测数据出发，首先将其与对应指标的评价标准进行比较，确定其水质类别，再计算其水质标识指数，即使同一水质类别也可以比较其优劣。

(1)

(2)

式中：ki为第i项水质指标的水质类别，取值为1，2，…,6；Sik上为第i项水质指标第ki类水区间质量浓度的上限值；Sik下为第i项水质指标第ki类水区间质量浓度的下限值；Ci为第i项指标的实测浓度。

式(1)和式(2)分别适用于正向指标和逆向指标。正向指标其值越小，水质越好；逆向指标其值越小，水质越差。

1.2.2 综合水质标识指数法

综合水质标识指数法以单项水质标识指数为基础，对多个水质指标进行加权处理，本文采用单项水质标识指数的平均值和最大值加权求得，计算公式为

P=βP平均+(1-β)Pmax

(3)

综合水质标识指数见表1。

表1 综合水质标识指数级别分类

2 实例研究

2.1 研究对象和数据来源

盐城市地处江苏沿海中部，东临黄海，南与南通市接壤，西、西南与扬州市、泰州市相连，北、西北隔灌河与淮安市、连云港市相望。位于东经119°27′～120°54′、北纬32°34′～34°28′之间，市域总面积16972km2。

图1 盐城市59眼地下水监测井站点分布

2020年10月16—28日在盐城市开展了地下水现场采样调查工作，共采集59眼地下水水样作为研究对象，见图1。按照《水环境监测规范》(SL 219—2013)时效要求及时开展指标检测，在室内通过实验室测定指标有20余项，根据水质评价参数选择的针对性原则、适度原则、监测技术可行原则，结合《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中部分项目没有具体的水质类别评价标准，测定中某些项目未检出，经甄别筛选，选取总硬度(ZX1)、溶解性总固体(ZX2)、硫酸盐(ZX3)、氯化物(ZX4)、氟化物(ZX5)、耗氧量(ZX6)、氨氮(ZX7)、硝酸盐氮(ZX8)、总大肠菌群(ZX9)、菌落总数(ZX10)、铁(ZX11)、锰(ZX12)主要指标共计12项。

2.2 地下水污染特征分析

对研究区域内的59眼地下水监测井主要水质指标进行分析，了解各指标浓度状况，监测成果统计情况见表2。

表2 地下水各水质指标监测成果描述统计

根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)进行评价，其中总硬度、溶解性总固体、氯化物、氨氮、铁、锰、总大肠菌群均值为Ⅴ类水，耗氧量、细菌总数均值为Ⅳ类水，硫酸盐均值为Ⅱ类水，硝酸盐氮、氟化物均值为Ⅰ类水。59眼地下水监测井中，就总硬度指标而言，Ⅳ类水6个，Ⅴ类水37个；溶解性总固体Ⅳ类水12个，Ⅴ类水39个；氯化物Ⅳ类水4个，Ⅴ类水43个；氨氮Ⅳ类水11个，Ⅴ类水23个；铁Ⅳ类水22个，Ⅴ类水35个；锰Ⅳ类水43个，Ⅴ类水12个；总大肠菌群Ⅳ类水6个，Ⅴ类水46个；耗氧量Ⅳ类水29个，Ⅴ类水3个；细菌总数Ⅳ类水44个，Ⅴ类水13个；硝酸盐氮Ⅰ类水53个；氟化物Ⅰ类水51个；硫酸盐Ⅰ类水11个，Ⅱ类水23个。59眼地下水监测井中的12个指标中，仅硝酸盐氮、氟化物、硫酸盐指标状况较好。

2.3 主成分分析结果

目前，主成分分析已经广泛应用于评价指标体系的选择及环境质量评价。运用SPSS统计软件，对上述指标进行主成分分析，确定各指标对入选主成分的作用大小，根据不同主成分上各指标的荷载大小不同，选取主导指标作为水质评价指标体系，进而用水质标识指数进行水质评价。

主成分的方差及方差累计贡献见表3。由表3可知，特征值大于1的只有4个成分，累计的方差占比为72.064%，基本满足主成分个数确定要求，4个主成分能够反映全部数据的大部分信息。

表3 特征值和主成分贡献率及累计贡献率

成分矩阵见表4。由表4可知，第一主成分包含的信息最多，对水质变化影响最大。根据主成分荷载值，与第一主成分关系最密切的是氯化物、溶解性总固体、总硬度，主要表征地下水盐类物质和钙镁等阳离子的影响；与第二主成分关系最密切的是氟化物和氨氮，主要表征地表水中氮类营养物质的影响；与第三主成分最密切相关的是菌落总数、锰，主要表征地下水中微生物和重金属的影响；与第四主成分最密切相关的是硝酸盐氮，主要表征地下水中氮类营养物质的污染。为了避免信息重叠，尽可能选用相对较少的地下水水质指标，最大程度地反映全部信息，选取各主成分中荷载值较高的氯化物、溶解性总固体、总硬度、氟化物、氨氮、菌落总数、锰、硝酸盐氮为新的评价指标体系用于水质综合标识指数分析，可以反映地下水中盐类、氮类营养物质、重金属、微生物等污染物的影响程度。

表4 成 分 矩 阵

2.4 综合水质标识指数结果

2.4.1 单因子水质标识指数

采用主成分分析方法构建的评价指标体系进行计算，首先计算59个站点的单因子水质标识指数，见图2。由图2可知，就各单因子水质标识指标而言，单因子水质标识指数均值为溶解性总固体(4.86)>氯化物(4.79)>菌落总数(4.70)>总硬度(4.62)>锰(4.46)>氨氮(4.27)>氟化物(1.89)>硝酸盐氮(1.55)，主要污染因子为溶解性总固体、氯化物、菌落总数、总硬度、锰、氨氮。氯化物、溶解性总固体较高，说明盐城地下水以微咸水为主[7]，主要是由古海相地层盐分淋滤或者部分地区现代海水入侵所致；菌落总数、总硬度较高可能是采样点周边存在畜禽养殖或者是人类生活污水的排放所致[8-9]；氨氮较高可能是氮肥的过量使用、生活污水的排放和畜禽养殖废弃物的排放所致。

图2 各单因子水质标识指数

2.4.2 综合水质标识指数

综合水质标识指数评价结果见表5。由表5可知，59眼地下水监测井水质类别为Ⅲ～Ⅴ类，其中Ⅲ类水4个，占总数的6.8%；Ⅳ类水41个，占总数的69.5%；Ⅴ类水14个，占总数的23.7%。59个站点中，28个站点最大污染因子为氯化物，15个站点最大污染因子为菌落总数，8个站点最大污染因子为总硬度，4个站点最大污染因子为氨氮，2个站点最大污染因子为锰，2个站点最大污染因子为溶解性总固体，1个站点最大污染因子为氟化物。

表5 各站点综合水质标识指数评价结果

2.5 ArcGIS空间插值分析

利用ArcGIS10.2软件空间分析工具插值分析模块中的样条函数插值法进行空间分析，样条函数法工具所使用的插值方法使用可最小化整体表面曲率的数学函数作为估计值，以生成恰好经过输入点的平滑表面。针对采样点主要指标的单因子水质标识指数、综合水质标识指数制作空间分布图，见图3。

图3 综合水质标识指数及各单因子水质标识指数空间分布

由图3(a)可以看出，整体来说，西部内陆水质优于东部沿海，如阜宁、建湖、盐都、滨海的水质要优于响水、射阳、大丰、东台，主要是由于东部受到海水入侵影响所致。由图3(b)～图3(f)可知，溶解性总固体和氯化物在空间上的分布高度相似，两指标的水质标识指数相关性较高；菌落总数明显呈现中间低周边高的分布趋势；总硬度指数仅有盐都西部区域和东台中北部分区域较低，其他区域总硬度均较高；氨氮水质标识指数基本呈现西部低于东部、南部优于北部的趋势。阜宁、建湖、盐都菌落总数相对较高，响水、滨海、射阳溶解性总固体、氯化物、总硬度、氨氮相对较高，东台、大丰溶解性总固体、氯化物相对较高。

3 结 语

本文以盐城市59眼地下水监测井水样为研究对象，运用主成分分析方法进行指标筛选重构指标体系构建，利用综合水质标识指数对水质进行评价，采用ArcGIS插值法了解其空间分布特征。结果表明盐城市地下水多为微咸水，且取样点已受到周边畜禽养殖或生活污水排放影响，盐城市需要加强对农村地区生活污水的治理力度和畜禽养殖的管理，东部沿海地区尤其要加大对地下水的保护。结果证明，该方法能很好地应用到盐城市地下水评价中，并且能识别不同区域的主要污染物和污染程度。

水质评价方法与ArcGIS处理软件的结合可以得出地下水质空间分布特征，今后可人工或者自动采集不同时间段的地下水样品，进行人工或者在线仪表检测，对时间轴数据进行算法趋势拟合，将此时间检测分析方法和本文采用的空间分析方法进行拟合，即可科学预测今后时空下盐城市地下水质状态发展情况。地下水采样点位合理布设，设定自动取样和在线仪表检测，利用我国北斗卫星遥感GIS信息采集技术，采用本文描述的时间和空间评价方法，可为我国地下水资源水质时空评估实现数字化转型奠定扎实基础。