黃耀裔，黃初龍

(泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000)

水資源既是人類必需的資源，也是重要的生態(tài)環(huán)境要素之一.地下水作為地球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，更是水資源不可或缺的重要組成部分[1].由于人類活動(dòng)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致淺層地下水資源逐漸受到不同程度的超采和污染，2015年我國(guó)對(duì)各地的2 000多口地下水水井的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示淺層地下水受不同程度污染.由于地下水環(huán)境具有隱蔽性、系統(tǒng)復(fù)雜性和各向異性，制約著我國(guó)地下水資源的可持續(xù)利用[2].

據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)[3]，其監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)93項(xiàng)之多，在綜合分析時(shí)采用大量水質(zhì)指標(biāo)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算難度增大，難以揭示指標(biāo)間彼此的關(guān)聯(lián).因而多元統(tǒng)計(jì)法在用于自然環(huán)境的污染源解析研究[4-6]也越來越廣泛，從大氣污染源解析方面拓展至水環(huán)境等其他領(lǐng)域.隨著環(huán)境復(fù)雜度和綜合度增強(qiáng)，多元統(tǒng)計(jì)法應(yīng)用在地下水水質(zhì)特征和水化學(xué)演化、水質(zhì)污染源解析等方面也逐漸增多[7-9].集中在對(duì)地下水質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)以及對(duì)區(qū)域水質(zhì)狀況的分類等方面[10-12]，如杜麥等[10]采用主成分分析法(PCA)和絕對(duì)主成分得分/多元線性回歸分析法(APCS/MLR)對(duì)中國(guó)浐灞河14個(gè)斷面8個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)；富天乙等[11]利用層次聚類分析對(duì)2009—2012年遼陽太子河的3個(gè)斷面144個(gè)樣本點(diǎn)分組并進(jìn)行評(píng)價(jià)；薛偉鋒[12]利用主成分分析和模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)大連市的地下水進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，Meng Li等[13]采用絕對(duì)主成分得分和因子分析法分析濱江地區(qū)淺層地下水污染來源及各因子對(duì)水質(zhì)貢獻(xiàn)程度；Nosrati等[14]利用聚類和因子分析法對(duì)哈什格爾得平原地下水進(jìn)行評(píng)價(jià)和解析污染源等.

晉江市作為我國(guó)東南沿海經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的典型區(qū)，存在地下水過量開采、地下水位下降、海水入侵、淡水返咸，農(nóng)業(yè)源氮磷的分散性污染，生產(chǎn)生活等地表水隨意排放下滲導(dǎo)致水質(zhì)惡化等問題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)生活用水.由于地下水污染具有隱蔽性難治理等特點(diǎn)，因此對(duì)特征污染因子的空間分布及來源分析是有必要性，可避免進(jìn)一步污染.本文主要對(duì)該區(qū)70個(gè)淺層地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣，檢測(cè)每個(gè)樣點(diǎn)16個(gè)指標(biāo)，首先根據(jù)其大組分陰陽離子的含量確定水化學(xué)類型，進(jìn)而采用主成分(PCA)方法確定水質(zhì)影響因子，識(shí)別主要水質(zhì)因子污染源并借助地理信息系統(tǒng)(GIS)和地統(tǒng)計(jì)技術(shù)分析其空間分布規(guī)律；由于多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)中作用、貢獻(xiàn)程度(重要性)也不相同，而因子分析(CA)則可以有效克服評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性問題和多重共線性問題，采用因子分析確定各影響組分對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度和抑制作用，從定量視角分析污染源對(duì)水體重要理化因子的影響程度，并采用改進(jìn)因子分析法對(duì)地下水進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和結(jié)果可視化，為地下水資源開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

晉江市(24°30′-24°54′N，118°24′-118°43′E)位于福建省泉州市境內(nèi)，總面積721.7 km2，境內(nèi)一面倚山，三面臨海，地理位置優(yōu)越.按行政區(qū)劃分為13個(gè)鄉(xiāng)級(jí)鎮(zhèn)和6個(gè)街道(見圖1所示).地勢(shì)西北部較高，東南部較低，由低山丘陵向臺(tái)地、平原呈階梯狀，地貌類型以臺(tái)地、平原、丘陵為主，臺(tái)地占市域面積67.3%.氣候?qū)倌蟻啛釒駶?rùn)區(qū)，年平均氣溫20.4 ℃，各地年均降水量在1 000～1 400 mm之間，全年基本無霜，但地表蒸發(fā)較強(qiáng).在經(jīng)濟(jì)上連續(xù)18年位于全國(guó)綜合實(shí)力百?gòu)?qiáng)縣市前10.截至2020年底，晉江市常住人口211.9萬人，人口密度約為0.29人/m2，用水需求量較大.據(jù)相關(guān)部門調(diào)查目前地下水資源量約為0.737億m3，按年人均估算水資源占有量約為260 m3，屬于貧水區(qū).目前城市生產(chǎn)和生態(tài)用水主要以淺層地下水作為重要水源.

圖1 研究區(qū)范圍及采樣分布

1.2 水文地質(zhì)概況

晉江市境內(nèi)溪河除晉江流域、九十九溪外，其他溪河均發(fā)源于縣境的丘陵、臺(tái)地，源近流短，自凈能力弱，且自成單元向東、向南獨(dú)流入海.按賦存條件、含水特征及富水程度，可劃分為松散巖類空隙水、風(fēng)化帶碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂縫水，主要以松散巖類孔隙水為主[15].境內(nèi)地下水主要存儲(chǔ)于第四系以及燕山期的侵入花崗巖中，其中淺層地下水系統(tǒng)則受控于低序次支流及季節(jié)性流水沖溝的局部侵蝕基準(zhǔn)面，具有就近補(bǔ)給、就近排泄的溝谷小流域短徑流特征，受降水影響較大，因此地下水受污染呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性、不確定性和復(fù)雜性.

2 數(shù)據(jù)采集與分析方法

2.1 樣品采集與預(yù)處理

根據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166-2004)結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件和地下水采樣點(diǎn)使用功能以及污染源、污染物排放實(shí)際情況，采樣點(diǎn)的布設(shè)根據(jù)污染源的分布和污染物在地下水中擴(kuò)散形式，研究區(qū)地下水流向、污染源分布狀況和擴(kuò)散形式，采取點(diǎn)面結(jié)合的布設(shè)方法，以面上控制和局部加密為原則，采用專用取樣器和瞬時(shí)采樣法，于2017年4-6月在晉江市居民生活飲用水井采集了70組水樣(見圖1).采集過程采用專用取樣器和瞬時(shí)采樣法，分別測(cè)試了總硬度(TH)、溶解性總固體(TDS)、硫酸鹽(SO42-)、氯化物(Cl-)、耗氧量(CODMn)、氨氮(NH4+)、鈉(Na+)、亞硝酸鹽(NO2-)、硝酸鹽(NO3-)、氟化物(F-)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、重碳酸鹽(HCO3-)、鉀離子(K+)、鈣離子(Ca2+)、pH值16個(gè)水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)，其中pH值為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其他指標(biāo)為室內(nèi)測(cè)定，水質(zhì)指標(biāo)測(cè)試方法如見表1所示.

表1 水質(zhì)指標(biāo)及其測(cè)試方法

2.2 分析方法

2.2.1 因子分析法對(duì)污染源解析 因子分析法可以解決三大方面問題，一是通過對(duì)因子載荷矩陣的解釋以發(fā)現(xiàn)地下水化學(xué)指標(biāo)間潛在的結(jié)構(gòu)，二是通過對(duì)地下水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行降維(組合綜合性新變量)及其賦權(quán)來解析組分，三是克服地下水化學(xué)指標(biāo)間難以避免的相關(guān)性甚至多重共線性問題以達(dá)到綜合評(píng)價(jià)的合理性.

由于地下水化學(xué)指標(biāo)的量綱及指標(biāo)數(shù)據(jù)差距大，因此通過數(shù)據(jù)的極差標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以保持?jǐn)?shù)據(jù)的同一利于因子分析，再借助IBM SPSS Statistics25軟件的KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)對(duì)上述化學(xué)指標(biāo)彼此之間的相關(guān)程度進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn).選取通過檢驗(yàn)下的地下水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行因子分析(設(shè)選取了m項(xiàng))，準(zhǔn)備因子分析的數(shù)據(jù)集(設(shè)共采集了n項(xiàng)水樣)，通過統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，按“特征值λ≥1”的提取主因子原則，進(jìn)行因子分析(設(shè)共提取K個(gè)主因子)，通過因子組分的貢獻(xiàn)率和載荷矩陣對(duì)污染源定量解析.

2.2.2 改進(jìn)因子分析綜合評(píng)價(jià)法 綜合評(píng)價(jià)是一種既有絕對(duì)性又有相對(duì)性的綜合評(píng)價(jià)，改進(jìn)因子分析綜合評(píng)價(jià)法既可以區(qū)分水質(zhì)綜合質(zhì)量的優(yōu)劣差異度，又要確定綜合評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)，綜合評(píng)價(jià)時(shí)引入了6個(gè)基準(zhǔn)樣品，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)臨界值，以及所有樣品(含4個(gè)等級(jí)臨界值即n+4件)件的最優(yōu)(樣品最小值)與最劣(樣品最大值)作為基準(zhǔn)樣品，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2，并根據(jù)水樣因子分析成果(因子得分系數(shù)矩陣)將6個(gè)基準(zhǔn)樣品值變換為因子得分，見式(1)：

表2 地下水評(píng)價(jià)等級(jí)

F=[Fi,k]6×K=[yi,j]6×m·[cj,k]m×K,

(1)

式(5)中：Li即為i樣品的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，值越大水質(zhì)越優(yōu)，反之亦然，并通過與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)臨界值的Li作比較判別屬于何評(píng)價(jià)等級(jí).

通過因子得分變換的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重的改進(jìn)因子分析法綜合評(píng)價(jià)，分類精度也比較高，評(píng)價(jià)結(jié)果也更為合理.

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水水化學(xué)特征

根據(jù)Dover圖(見圖2)，淺層地下水中的pH值的范圍介于4.57～7.81，呈中性偏弱酸性.在大組分陰、陽離子方面：大組分陽離子含量中，Na+含量值處于8.16～91.25 mg/L，K+含量值處于0.34～44.00 mg/L，Ca2+含量值處于5.33～149.00 mg/L，Mg2+含量值處于2.52～36.23 mg/L.大組分陰離子含量中：Cl-含量值處于17.05～232.00 mg/L，HCO3-含量值處于3.51～351.00 mg/L，SO42-含量值處于0～149.48 mg/L.K++Na+占陽離子總量的20%～70%，Ca2+占陽離子總量的20%～60%；Cl-占陰離子總量的30%～90%，HCO3-占陰離子總量的10%～70%.得出該區(qū)水化學(xué)類型有HCO3--Ca2+、Cl--Na+、HCO3-·Cl--Na+等，其中以Cl-·HCO3--K++Na+·Ca2+為主.

圖2 地下水Dover圖

對(duì)2.1中檢測(cè)的地下水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，TDS、SO42-、Cl-等指標(biāo)的最大值含量低于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ級(jí)水質(zhì)限值(其Ⅲ級(jí)水質(zhì)適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水)，只有TH、NO2-、NO3-、F-、Pb、HCO3-6個(gè)指標(biāo)超過此級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率占所有檢測(cè)指標(biāo)的37.5%.從單一指標(biāo)的超標(biāo)率方面：NO3-(73%)>Pb(42%)>NO2-(20%)>F-(12%)>HCO3-(8%)>TH(2%)，說明硝酸鹽(NO3-)是研究區(qū)淺層地下水目前首要的污染因子，采樣樣品檢測(cè)值中最大值超標(biāo)了7.8倍之多；其次為重金屬Pb離子.相關(guān)研究表明長(zhǎng)期飲用硝酸鹽含量過高的地下水，會(huì)引起高鐵血紅蛋白癥、糖尿病、高血壓等[13]，而鉛(Pb)對(duì)人體骨髓造血系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)及其他系統(tǒng)都有毒害作用[14].從變量的變異系數(shù)角度來看：以NH4+、NO2-和F-的變異系數(shù)較大(大于1)，其中以NO2-的變異值最大為3.074，表明NO2-離子濃度在空間分布具有明顯的異向性，容易在局部富集程度高；NH4+的值其次，為1.931，F(xiàn)-的值為1.052，說明這些離子的濃度空間分布具呈現(xiàn)一定的離散型，其余指標(biāo)變異系數(shù)值均小于1，說明分布呈現(xiàn)隨機(jī)狀態(tài).

3.2 地下水污染源解析

所有指標(biāo)間的Bartlett球度檢驗(yàn)結(jié)果值為78，顯著性水平sig.為0，說明指標(biāo)彼此之間具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系.Kaiser-Meyer-Olkin測(cè)度值為0.749，表明樣品數(shù)據(jù)適合進(jìn)行因子分析；計(jì)算各水質(zhì)指標(biāo)變量的特征值及方差貢獻(xiàn)率，解釋的總方差(見表3)，以“特征值λ大于1”為判別準(zhǔn)則，分析提取4個(gè)公因子組分，總累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)75.643%，反映了水質(zhì)的大部分信息量，各個(gè)指標(biāo)因子的方差提取率如表4所示，各因子的提取率(公因子方差)均在65%以上，除了NO2-因子提取率較低于該水平，為24.5%.說明各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率均較大.

表3 解釋的總方差

表4 因子載荷矩陣

指標(biāo)因子載荷矩陣變換的目的是為了突出各指標(biāo)間的相關(guān)性，以更有力洞察指標(biāo)間關(guān)聯(lián)程度.指標(biāo)因子經(jīng)過最大方差法變換，從指標(biāo)未旋轉(zhuǎn)(見表4)和經(jīng)過最大方差法變換旋轉(zhuǎn)載荷矩陣(見表5)(Fn→fn)來看，經(jīng)過最大方差法變換在中點(diǎn)處更能突顯，如F4組分中的NO3-因子由原始的0.48變換為-0.545.每個(gè)指標(biāo)在組分的提取及對(duì)組分貢獻(xiàn)度大小在因子載荷旋轉(zhuǎn)后，按照因子分析結(jié)果和指標(biāo)來源歸納出為4大組分，利用GIS結(jié)合地統(tǒng)計(jì)插值出各個(gè)組分的空間分布規(guī)律(見圖3～圖6).根據(jù)相關(guān)研究，影響地下水成分形成的因素包含有自然地理因素(地形、水系、氣候、土壤、植被等)、地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素、物理化學(xué)生物因素、人為因素(工農(nóng)業(yè)排放、地下水過度開采等)[15].

表5 最大方差法的變換載荷矩陣

在公因子F1的貢獻(xiàn)率為46.444%，主要的貢獻(xiàn)指標(biāo)有TH、TDS、SO42-、Cl-、Na+、HCO3-、Cd、Pb等因子，該公因子組分占了絕大多數(shù)的因子貢獻(xiàn)率，包含了主要水化學(xué)指標(biāo)和部分重金屬離子，因此F1可以認(rèn)為是受水文地質(zhì)條件影響地下水的溶濾——遷移富集、蒸發(fā)——濃縮作用.結(jié)合F1組分的空間分布圖(見圖3所示)，由于該組分的區(qū)域主要分布于海陸交接處，污染源的空間分布主要分布在晉江市的西濱鎮(zhèn)、靈源街道、東石鎮(zhèn)、英林鎮(zhèn)、龍湖鎮(zhèn)、金井鎮(zhèn)、深滬鎮(zhèn)這幾個(gè)鎮(zhèn)、街道地區(qū)，這些地區(qū)的地質(zhì)類型以第四系的海相砂層、沖洪積相砂層為主，海積層由黏土、淤泥、粉砂、細(xì)砂、淤泥質(zhì)砂、夾泥炭等成分組成，地層巖性為火成巖——侵入巖，成分為二長(zhǎng)花崗巖(主要由斜長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)(NaAlSi3O8)、鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)，由于該區(qū)地下水中的pH值呈弱酸性，易導(dǎo)致溶解物質(zhì)NaCl等和CaSO4等較難溶解物質(zhì)及部分重金屬離子溶濾出來.此外該地區(qū)介于海陸交界，Cl-主要來源于海水入侵后賦存于第四系松散類空隙中的海鹽水；SO42-來源為硫酸鹽礦物的沉積巖溶解和大氣降水滲入，總體呈現(xiàn)出該組分的主要貢獻(xiàn)率.

圖3 F1組分空間分布圖圖4 F2組分空間分布圖

公因子F2的貢獻(xiàn)率為10.625%，組分的指標(biāo)由NO2-、NO3-、CODMn構(gòu)成，綜合推斷F2組分是為自然和人為共同作用.水中NO3-主要是人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)輸入的結(jié)果.由于淺層地下水的補(bǔ)給部分受地表活動(dòng)產(chǎn)生的水源下滲，地下水中NO2-、NO3-在土壤中硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等的硝化作用與反硝化作用，在轉(zhuǎn)化過程中會(huì)受水中氧溶度多寡的影響.當(dāng)農(nóng)業(yè)使用化肥后隨灌溉水滲入地下，硝酸鹽在還原作用下可轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，見式(6)，而土壤中的硝化菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，硝化反應(yīng)式見式(7).

由于NH4+-N與NO2--N不穩(wěn)定容易轉(zhuǎn)化為NO3--N，NH4+-N與NO2--N同時(shí)存在在一定程度也說明地下水是最近被污染，而NO3--N存在則說明很早之前就受污染.NO3--N是氧化環(huán)境里溶解氮的最穩(wěn)定狀態(tài)，說明受溶解氧濃度的影響，硝酸鹽在水中易于進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，且很少或不會(huì)受到阻滯[16].

此外在CODMn方面，CODMn含量則與水中微生物和有機(jī)物含量相關(guān)，一般情況下地下水中CODMn含量反映地下水中有機(jī)質(zhì)濃度，其數(shù)值越大，代表水中有機(jī)質(zhì)濃度越高.結(jié)合圖4所示，污染源的空間分布主要分布在陳埭鎮(zhèn)、西濱鎮(zhèn)、新塘街道、磁灶鎮(zhèn)、龍湖鎮(zhèn).這些地區(qū)是晉江市主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，受人為影響占主要部分.

公因子F3的貢獻(xiàn)率為9.533%，主要的貢獻(xiàn)指標(biāo)為F-，推斷為含氟礦物的溶解造成F-濃度升高.結(jié)合圖5所示，污染源的空間分布主要分布在磁灶鎮(zhèn)、紫帽鎮(zhèn)、池店鎮(zhèn)與磁灶鎮(zhèn)交界處，這些地區(qū)主要產(chǎn)業(yè)為生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)業(yè).而氟化物來源主要包括自然過程和人為作用兩方面影響.① 在自然過程中，風(fēng)化使得巖石中大量的氟溶解溶濾，在HCO3--K++Na+水化學(xué)類型有利于地下水中氟離子的富集和遷移；② 人為作用：通過空間分布圖(見圖5)主要F-含量高的地區(qū)，地區(qū)產(chǎn)業(yè)主要為磚瓦、陶瓷、玻璃、耐火材料的生產(chǎn)過程中都排放或逸散出含氟廢氣和粉塵，主要以HF、SiF4、H2SiF、F2以及含氟粉塵形式隨著降水到地表再下滲至淺層地下水中[17].

圖5 F3組分空間分布圖圖6 F4組分空間分布圖

公因子F4的貢獻(xiàn)率為9.041%，主要的貢獻(xiàn)指標(biāo)為NH4+和NO3--N，推斷為人類與農(nóng)業(yè)共同影響的結(jié)果.該組分主要受人類活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)的影響，埋藏較淺，接受大氣降水和地表水補(bǔ)給程度較高的淺層地下水.結(jié)合晉江市土地利用分布來看，氨氮來源特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)占主要部分，全年溫度適宜，適合蔬菜、水果的種植.施用于農(nóng)田的化肥，含水層巖性分布對(duì)氮素轉(zhuǎn)化具有控制作用.結(jié)合圖6所示，污染源的空間分布主要分布在除了金井鎮(zhèn)、池店鎮(zhèn)、紫帽鎮(zhèn)的晉江市境內(nèi)大部分地區(qū).推斷為人類活動(dòng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)共同的影響.生活污水、生活排泄物、生活垃圾以及動(dòng)植物殘?jiān)?雖然這些地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，工業(yè)區(qū)較多，作物種植面積不大，但是復(fù)種指數(shù)很高，所以化肥施用量也很高.NH4+和NO3--N在厭氧環(huán)境下會(huì)轉(zhuǎn)化.

3.3 地下水污染源貢獻(xiàn)率解析

在利用PCA確定晉江市淺層地下水各主要污染源的組分和空間分布后，在MLR基礎(chǔ)上，根據(jù)因子載荷矩陣(表4)及主因子得分(圖3～圖6)通過反演/逆計(jì)算計(jì)算各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)在因子得分中的值即預(yù)測(cè)濃度(貢獻(xiàn))(見式8)，預(yù)測(cè)指標(biāo)濃度并與實(shí)測(cè)濃度擬合程度來解析各指標(biāo)污染源.

Xn×m=Fn×K·(Am×K)T，(Am×K)T=(akj)K×m,

(8)

其中，Xn×m代表70件地下水的各個(gè)水質(zhì)因子的預(yù)測(cè)深度(標(biāo)準(zhǔn)化的)，F(xiàn)n×K為70水樣的因子得分?jǐn)?shù)據(jù)集/矩陣(如圖3～圖6所示)，(Am×K)T為因子載荷矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣(見表2)，aik代表地下水水質(zhì)指標(biāo)i在第k主因子上的載荷.

經(jīng)過因子載荷得分平方后得到各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)貢獻(xiàn)率計(jì)算得出的預(yù)測(cè)濃度與實(shí)測(cè)濃度加以線性回歸擬合(見表6所示)，其兩者的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.65以上，只有NO2--N離子的R2值為0.245，而NO2--N離子在因子分析中的提取率也只有24.5%，說明經(jīng)組分的預(yù)測(cè)濃度與實(shí)測(cè)濃度具有很好的一致性.以TDS的預(yù)測(cè)濃度與實(shí)測(cè)濃度擬合圖(見圖7)驗(yàn)證分析結(jié)果，結(jié)合表6公因子對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率來看：溶解性總固體(TDS)，擬合公式為y=0.963 4x+11.391.4個(gè)組分的貢獻(xiàn)率分別為94.7%、1.0%、0%、0.6%，說明F1組分的溶濾——遷移富集、蒸發(fā)——濃縮作用是的大部分礦物鹽分溶出，F(xiàn)2組分自然和人為作用來源的NO2-、NO3-、CODMn和F4的自然、人為和農(nóng)業(yè)中銨鹽的溶解的貢獻(xiàn)度則很小，通過對(duì)上文中2.2.1計(jì)算得出的4個(gè)組分中TDS的載荷值分別為0.97、-0.09、0.01、0.07，說明F2中對(duì)TDS濃度呈現(xiàn)抑制作用，由于溶解氧濃度大小會(huì)改變鹽分的形態(tài)，從而影響TDS的濃度.限于篇幅，其他指標(biāo)因子貢獻(xiàn)度不一一闡述.

圖7 TDS預(yù)測(cè)濃度與實(shí)測(cè)濃度對(duì)比

表6 公因子對(duì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率

3.4 晉江市地下水綜合評(píng)價(jià)

在改進(jìn)因子分析法綜合評(píng)價(jià)后，通過與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)臨界值做比較來判斷評(píng)價(jià)等級(jí)，限于篇幅，文章只給出評(píng)價(jià)等級(jí)基準(zhǔn)和NO2-和NO3-變量指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果(見表7).進(jìn)一步借助地理信息系統(tǒng)技術(shù)的地統(tǒng)計(jì)模型構(gòu)建淺層地下水環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)空間分布模型，采用ArcGIS軟件中的普通Kriging插值方法，依據(jù)地統(tǒng)計(jì)的判別準(zhǔn)則[18]，將離散的評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果連續(xù)化和可視化表達(dá)(見圖8).據(jù)圖8所示：評(píng)價(jià)結(jié)果處于地下水Ⅱ級(jí)水平(地下水化學(xué)組分含量較低)主要分布于境內(nèi)的金井鎮(zhèn)、龍湖鎮(zhèn)臨近臺(tái)灣海峽，陳埭鎮(zhèn)臨近泉州灣，東石鎮(zhèn)、英林鎮(zhèn)臨近圍頭灣；境內(nèi)其余地區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果處于地下水Ⅰ級(jí)水平(地下水化學(xué)組分含量低)，通過基于改進(jìn)因子分析法對(duì)晉江市地下水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果整體處于良好水平.對(duì)比筆者于2012年對(duì)該區(qū)進(jìn)行采樣后的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，同樣采用因子分析綜合評(píng)價(jià)法的結(jié)果[19]，境內(nèi)處于Ⅲ級(jí)水平(以人體健康基礎(chǔ)值為依據(jù)，使用于集中式生活飲用水源及工、農(nóng)業(yè)用水)的區(qū)域已轉(zhuǎn)為Ⅱ級(jí)水平甚至是Ⅰ級(jí)水平，同時(shí)境內(nèi)地下水綜合評(píng)價(jià)結(jié)果處于Ⅱ級(jí)水平的范圍也已逐漸縮小，逐漸轉(zhuǎn)為Ⅰ級(jí)水平，表明晉江市的淺層地下水水質(zhì)有改善的趨勢(shì).

圖8 地下水綜合評(píng)價(jià)結(jié)果圖

表7 地下水評(píng)價(jià)基準(zhǔn)與評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語

通過因子組分的貢獻(xiàn)率和載荷矩陣對(duì)污染源定量解析，對(duì)于地下水污染源計(jì)算具有很好適用性，各公因子的污染貢獻(xiàn)率計(jì)算較為準(zhǔn)確，說明基于因子分析方法可以應(yīng)用于地下水水源地的污染源初步識(shí)別具有一定現(xiàn)實(shí)意義.

基于改進(jìn)因子分析法，除了引入地下水標(biāo)準(zhǔn)中的等級(jí)外，還引入最優(yōu)值和最劣值一起作為綜合評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，通過因子得分變換的加權(quán)的絕對(duì)距離分析，以因子得分變換的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重對(duì)晉江市地下水的綜合評(píng)價(jià)，分類精度也比較高，評(píng)價(jià)結(jié)果也更為合理.結(jié)合GIS技術(shù)從地下水污染來源、空間分布規(guī)律整體綜合評(píng)價(jià)，對(duì)照地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果整體處于良好水平，同時(shí)對(duì)比筆者以往研究的歷史綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，表明晉江市的淺層地下水水質(zhì)有改善的趨勢(shì).本文所運(yùn)用的方法可為地下水水源地的污染源初步識(shí)別、地下水環(huán)境污染治理與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，為水資源合理開發(fā)與利用提供參考.