地理信息系统在地下水水质评价中的应用

徐铁峰，翟继武，查木哈

（1.内蒙古自治区环境监测总站赤峰分站；2.赤峰学院，内蒙古 赤峰 024000）

地下水是地球上重要的淡水资源之一，对于维持地球生态平衡、支撑人类生活和经济发展至关重要。然而，随着工业化和城市化进程的不断加速，加上农业、工业、生活等活动，地下水受到越来越严重的污染和过度开采。在中国这样的发展中国家，地下水质量问题尤为突出。新安泉作为山西省著名的岩溶泉之一，其地下水质量对于当地居民的饮用水安全和游客的旅游体验至关重要。因此，对新安泉地下水水质进行评价与保护显得尤为迫切[1]。

辛安泉域包括长治市的12 个县区及晋中市的榆社县，泉域总面积为10 950 km2。辛安泉是山西省第二大岩溶泉，该泉水自然纯净，水质优良，在当地有着广泛的用途，包括饮用水和农田灌溉。然而，随着经济的发展和人口的增加，新安泉面临日益严峻的水质问题。工业污染、农药、化肥以及城市污水的排放可能导致新安泉的地下水质量逐渐恶化，因此进行地下水水质评估具有重要的现实意义[2]。地下水水质评价是地下水资源管理和保护的基础工作之一。对新安泉地下水水质进行评价，不仅可以为当地政府部门提供科学依据，以便制定地下水资源管理政策，还可以帮助居民了解当地地下水质量状况，增强公众的地下水保护意识[3]。

1 数据采集

本研究利用地理信息系统（GIS）对新安泉地下水水质进行评价，了解其当前的水质状况，并通过单因子指数法和综合指数法综合分析地下水质量，找出潜在的污染源和影响因素。同时，根据评价结果，提出科学合理的地下水保护对策，以保障新安泉地区地下水资源的合理利用和可持续发展。本研究在辛安泉域内设置24 个采样点，采集的水样全部来自当地已有水井。利用GIS 从时间和空间上对新安泉地下水水质进行评价，通过坐标系统、专题图层数据库、基础数据库等数据，采用GIS 的坐标自动生成功能，对24 个采样点水质数据进行关联[4]。

2 地下水水质评价方法

2.1 技术路线

ArcGIS 软件是一套地理信息系统软件，具有强大的地理空间数据处理、分析和可视化能力，广泛应用于地理科学、资源环境、城市规划、农业等领域。ArcGIS 软件在地下水水质评价中扮演重要角色，其应用主要体现在3 个方面。一是空间数据管理。ArcGIS软件能够对地下水监测数据、地质地形数据等进行有效管理和组织，实现空间数据的集成和共享。ArcGIS软件能够对地下水监测数据进行整合和统一管理，避免数据重复采集和处理。二是空间分析。ArcGIS 软件可以提供丰富的空间分析工具，对地下水监测数据的空间分布进行分析，找出地下水质量的空间变化规律，为地下水质量评价提供支持。三是空间可视化。ArcGIS 软件可以将地下水质量评价结果以直观的地图形式展示，便于用户了解地下水质量的空间分布特征。ArcGIS 软件支持模型建立和参数优化，可以建立地下水水质评价模型，综合考虑多个指标的影响。

利用ArcGIS 软件Geostatistical Analyst 模块中的直方图和正态分位数-分位数（QQ）图采样点数据进行检验，观察采集的数据是否符合正态分布规律，然后利用Geostatistical Analyst 模块中的全局趋势分析，发现地下水水质评价指标中硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、pH 具有较好的代表性。一是将硫酸盐、氯化物、氟化物、硝酸盐、pH 的属性数据与空间数据进行一一对应，同时检验数据的正态分布，探索数据分布及离群值情况；二是反距离加权插值法适用于数据分布均匀的情况，计算速度较快，可采用ArcGIS 软件中的反距离加权插值法得到单项指标评价结果；三是采用内梅罗指数法计算水质综合污染指数，进行图层叠加，得到水质综合预测结果。技术路线如图1所示[5]。

图1 地下水水质评价的技术路线

2.2 单因子指数法

单因子指数法是逐个对地下水监测指标进行评价，得到各个指标的单因子污染指数[6]。这种方法简单直观，易于理解和操作。一般指标的单因子污染指数可按式（1）进行计算，pH 的单因子污染指数可采用式（2）进行计算。

式中：Pi为单因子污染指数；Ci为水质污染物实测值，mg/L；Cs为水质污染物评价标准值，mg/L；pi为水质pH 的单因子污染指数；ci为多次实测的pH平均值；cm为pH 的评价标准值。当ci不小于7.0 时，cm取8.5；当ci小于7.0 时，cm取5.5。

2.3 综合指数法

综合指数法是综合考虑多个地下水监测指标，通过建立数学模型或专家经验判断，对地下水质量进行综合评价。综合指数法能够较全面地反映地下水的综合质量。本文采用内梅罗指数法进行评价，计算公式如式（3）所示。水质污染物评价标准值采用《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017），以内梅罗综合污染指数的大小来评定污染等级。

式中：F为内梅罗综合污染指数；Fmax为单项组分评价分值的最大值；为各单项组分评价分值的平均值。

2.4 新安泉域地下水质量评价

2.4.1 数据收集与预处理

在进行地下水质量评价之前，首先需要收集新安泉地下水的监测数据，包括pH、硝酸盐、氨氮等指标。然后，对收集的数据进行预处理，包括数据清洗、异常值剔除和缺失值填补等，确保数据的可靠性和完整性。

2.4.2 地下水监测指标选择

根据新安泉地下水的特点和当地的水质标准，合理选择地下水监测指标，用于地下水质量评价。针对每个指标，采用合适的评价方法，计算其水质污染指数。

2.4.3 地下水质量评价结果分析

通过ArcGIS 软件进行地下水质量评价，得到各个监测点的地下水质量评价结果。根据单因子指数法和综合指数法，可以得出每个监测点的水质等级，分析地下水质量的空间分布特征。同时，结合地质地形数据和人类活动分布等空间信息，探讨地下水质量变异的可能原因，找出潜在的污染源和影响因素。

3 研究区水质评价结果

辛安泉域设置24 个地下水水质采样点。利用ArcGIS 软件Geostatistical Analyst 模块，得到研究区硝酸盐、硫酸盐、氯化物、氟化物、pH 的直方图和正态概率分布图，分别对其进行正态分布性检验。其中，研究区硝酸盐监测结果的直方图如图2所示，满足正态分布，其正态概率分布如图3所示。

图2 硝酸盐监测结果的直方图

图3 硝酸盐监测结果的正态概率分布

利用ArcGIS 软件Geostatistical Analyst 模块进行统计分析，利用趋势分析工具将采集的数据转化为三维透视图，采样点的位置绘制在x轴、z轴构成的平面上，z值表示感兴趣的属性值。趋势分析工具将散点图投影到x轴、z轴构成的平面上和y轴、z轴构成的平面上。经全局趋势分析，东西和南北方向投影的趋势线呈倒U 形。经评价，新安泉域地下水水质在时间上表现为优良→较差→优良的变化过程，在空间上，污染区域整体呈现向东扩散趋势。

3.1 水质单项指标评价结果

利用ArcGIS 软件的Geostatistical Analyst 模块、Geostatistical Wizard 模块完成数据的空间插值，得到其空间插值结果。从2006—2019年的监测结果可知，硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮是当前水质污染管控的重点。2006年，2 个监测点位硝酸盐浓度高，从东向西呈倒U 形分布。硝酸盐的分布呈向东北方向扩散趋势。

3.2 水质综合指标评价结果

采用ArcGIS 软件对辛安泉域地下水水质的综合指标进行评价。结果显示，2006年，3 个监测点位的水质比其他地区差一些，但是辛安泉域水质仍全部达到优良标准。从2010年开始，整个辛安泉域地下水水质开始恶化。2015年，整个辛安泉域水质达到优良标准，地下水水质得到一定改善。2019年，辛安泉域地下水水质得到进一步改善，水质最好，全部达到优良标准。

4 结语

在地下水水质评价中，地理信息系统可以发挥重要作用。本研究利用地理信息系统，从时间、空间上对新安泉域地下水水质进行评价。结果表明，新安泉域地下水水质在时间上表现为优良→较差→优良的变化过程，在空间上，污染区域整体呈现向东扩散趋势。本研究主要依赖现有的地下水监测数据，数据的完整性和时效性可能会受到影响。未来，要加强地下水监测网络建设，提高数据的精度和时空分辨率。同时，要深入研究地下水质量评价方法，探索更加准确和可靠的地下水水质评价模型。此外，还可以结合其他地质、水文、环境因素，深入分析地下水质量形成机制和演变规律，为地下水保护提供更加全面的科学依据。