(江蘇省水文水資源勘測(cè)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(duì)維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(duì)地下水需求量不斷加大，多年來(lái)地下水過(guò)度開(kāi)采造成地下水位持續(xù)下降[1]。為了保護(hù)和改善地下水水質(zhì)，了解和掌握水體污染影響程度和空間分布趨勢(shì)，對(duì)鹽城市地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

本研究采集了鹽城市59眼地下水監(jiān)測(cè)井水樣，采用主成分分析法和水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)相結(jié)合的方法分析了鹽城市地下水水質(zhì)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(píng)價(jià)指標(biāo)是水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中的第一步。當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)多且彼此相關(guān)性較大時(shí)，各指標(biāo)反映出的信息會(huì)出現(xiàn)一部分重疊，增加評(píng)價(jià)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(duì)59個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果提取主成分，重新構(gòu)建指標(biāo)體系，計(jì)算水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)和空間分析。

主成分分析的主要步驟為[3-4]：?數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：排除數(shù)量級(jí)和量綱不同帶來(lái)的影響，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；?計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、特征向量和累計(jì)貢獻(xiàn)率，原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣，選取特征值大于1的成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率不小于70%的主成分進(jìn)行水質(zhì)分析。

1.2 水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法可分為單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[5-6]。

1.2.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是從某一水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，首先將其與對(duì)應(yīng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確定其水質(zhì)類別，再計(jì)算其水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)，即使同一水質(zhì)類別也可以比較其優(yōu)劣。

(1)

(2)

式中：ki為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別，取值為1，2，…,6；Sik上為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)第ki類水區(qū)間質(zhì)量濃度的上限值；Sik下為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)第ki類水區(qū)間質(zhì)量濃度的下限值；Ci為第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度。

式(1)和式(2)分別適用于正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)。正向指標(biāo)其值越小，水質(zhì)越好；逆向指標(biāo)其值越小，水質(zhì)越差。

1.2.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法以單項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)處理，本文采用單項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的平均值和最大值加權(quán)求得，計(jì)算公式為

P=βP平均+(1-β)Pmax

(3)

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)見(jiàn)表1。

表1 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)級(jí)別分類

2 實(shí)例研究

2.1 研究對(duì)象和數(shù)據(jù)來(lái)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(yáng)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(jīng)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(cè)井站點(diǎn)分布

2020年10月16—28日在鹽城市開(kāi)展了地下水現(xiàn)場(chǎng)采樣調(diào)查工作，共采集59眼地下水水樣作為研究對(duì)象，見(jiàn)圖1。按照《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL 219—2013)時(shí)效要求及時(shí)開(kāi)展指標(biāo)檢測(cè)，在室內(nèi)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定指標(biāo)有20余項(xiàng)，根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)選擇的針對(duì)性原則、適度原則、監(jiān)測(cè)技術(shù)可行原則，結(jié)合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中部分項(xiàng)目沒(méi)有具體的水質(zhì)類別評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定中某些項(xiàng)目未檢出，經(jīng)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(biāo)共計(jì)12項(xiàng)。

2.2 地下水污染特征分析

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的59眼地下水監(jiān)測(cè)井主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，了解各指標(biāo)濃度狀況，監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

表2 地下水各水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)成果描述統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(xì)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(cè)井中，就總硬度指標(biāo)而言，Ⅳ類水6個(gè)，Ⅴ類水37個(gè)；溶解性總固體Ⅳ類水12個(gè)，Ⅴ類水39個(gè)；氯化物Ⅳ類水4個(gè)，Ⅴ類水43個(gè)；氨氮Ⅳ類水11個(gè)，Ⅴ類水23個(gè)；鐵Ⅳ類水22個(gè)，Ⅴ類水35個(gè)；錳Ⅳ類水43個(gè)，Ⅴ類水12個(gè)；總大腸菌群Ⅳ類水6個(gè)，Ⅴ類水46個(gè)；耗氧量Ⅳ類水29個(gè)，Ⅴ類水3個(gè)；細(xì)菌總數(shù)Ⅳ類水44個(gè)，Ⅴ類水13個(gè)；硝酸鹽氮Ⅰ類水53個(gè)；氟化物Ⅰ類水51個(gè)；硫酸鹽Ⅰ類水11個(gè)，Ⅱ類水23個(gè)。59眼地下水監(jiān)測(cè)井中的12個(gè)指標(biāo)中，僅硝酸鹽氮、氟化物、硫酸鹽指標(biāo)狀況較好。

2.3 主成分分析結(jié)果

目前，主成分分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選擇及環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，確定各指標(biāo)對(duì)入選主成分的作用大小，根據(jù)不同主成分上各指標(biāo)的荷載大小不同，選取主導(dǎo)指標(biāo)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)而用水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

主成分的方差及方差累計(jì)貢獻(xiàn)見(jiàn)表3。由表3可知，特征值大于1的只有4個(gè)成分，累計(jì)的方差占比為72.064%，基本滿足主成分個(gè)數(shù)確定要求，4個(gè)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(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

成分矩陣見(jiàn)表4。由表4可知，第一主成分包含的信息最多，對(duì)水質(zhì)變化影響最大。根據(jù)主成分荷載值，與第一主成分關(guān)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(zhì)和鈣鎂等陽(yáng)離子的影響；與第二主成分關(guān)系最密切的是氟化物和氨氮，主要表征地表水中氮類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響；與第三主成分最密切相關(guān)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(guān)的是硝酸鹽氮，主要表征地下水中氮類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污染。為了避免信息重疊，盡可能選用相對(duì)較少的地下水水質(zhì)指標(biāo)，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(píng)價(jià)指標(biāo)體系用于水質(zhì)綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)分析，可以反映地下水中鹽類、氮類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、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(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果

2.4.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

采用主成分分析方法構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行計(jì)算，首先計(jì)算59個(gè)站點(diǎn)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)，見(jiàn)圖2。由圖2可知，就各單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指標(biāo)而言，單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)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(shuō)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(diǎn)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(guò)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(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

2.4.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，59眼地下水監(jiān)測(cè)井水質(zhì)類別為Ⅲ～Ⅴ類，其中Ⅲ類水4個(gè)，占總數(shù)的6.8%；Ⅳ類水41個(gè)，占總數(shù)的69.5%；Ⅴ類水14個(gè)，占總數(shù)的23.7%。59個(gè)站點(diǎn)中，28個(gè)站點(diǎn)最大污染因子為氯化物，15個(gè)站點(diǎn)最大污染因子為菌落總數(shù)，8個(gè)站點(diǎn)最大污染因子為總硬度，4個(gè)站點(diǎn)最大污染因子為氨氮，2個(gè)站點(diǎn)最大污染因子為錳，2個(gè)站點(diǎn)最大污染因子為溶解性總固體，1個(gè)站點(diǎn)最大污染因子為氟化物。

表5 各站點(diǎn)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)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(jìn)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(xué)函數(shù)作為估計(jì)值，以生成恰好經(jīng)過(guò)輸入點(diǎn)的平滑表面。針對(duì)采樣點(diǎn)主要指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)制作空間分布圖，見(jiàn)圖3。

圖3 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)及各單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)空間分布

由圖3(a)可以看出，整體來(lái)說(shuō)，西部?jī)?nèi)陸水質(zhì)優(yōu)于東部沿海，如阜寧、建湖、鹽都、濱海的水質(zhì)要優(yōu)于響水、射陽(yáng)、大豐、東臺(tái)，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(biāo)的水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)相關(guān)性較高；菌落總數(shù)明顯呈現(xiàn)中間低周邊高的分布趨勢(shì)；總硬度指數(shù)僅有鹽都西部區(qū)域和東臺(tái)中北部分區(qū)域較低，其他區(qū)域總硬度均較高；氨氮水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)基本呈現(xiàn)西部低于東部、南部?jī)?yōu)于北部的趨勢(shì)。阜寧、建湖、鹽都菌落總數(shù)相對(duì)較高，響水、濱海、射陽(yáng)溶解性總固體、氯化物、總硬度、氨氮相對(duì)較高，東臺(tái)、大豐溶解性總固體、氯化物相對(duì)較高。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以鹽城市59眼地下水監(jiān)測(cè)井水樣為研究對(duì)象，運(yùn)用主成分分析方法進(jìn)行指標(biāo)篩選重構(gòu)指標(biāo)體系構(gòu)建，利用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用ArcGIS插值法了解其空間分布特征。結(jié)果表明鹽城市地下水多為微咸水，且取樣點(diǎn)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(qiáng)對(duì)農(nóng)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(duì)地下水的保護(hù)。結(jié)果證明，該方法能很好地應(yīng)用到鹽城市地下水評(píng)價(jià)中，并且能識(shí)別不同區(qū)域的主要污染物和污染程度。

水質(zhì)評(píng)價(jià)方法與ArcGIS處理軟件的結(jié)合可以得出地下水質(zhì)空間分布特征，今后可人工或者自動(dòng)采集不同時(shí)間段的地下水樣品，進(jìn)行人工或者在線儀表檢測(cè)，對(duì)時(shí)間軸數(shù)據(jù)進(jìn)行算法趨勢(shì)擬合，將此時(shí)間檢測(cè)分析方法和本文采用的空間分析方法進(jìn)行擬合，即可科學(xué)預(yù)測(cè)今后時(shí)空下鹽城市地下水質(zhì)狀態(tài)發(fā)展情況。地下水采樣點(diǎn)位合理布設(shè)，設(shè)定自動(dòng)取樣和在線儀表檢測(cè)，利用我國(guó)北斗衛(wèi)星遙感GIS信息采集技術(shù)，采用本文描述的時(shí)間和空間評(píng)價(jià)方法，可為我國(guó)地下水資源水質(zhì)時(shí)空評(píng)估實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。