多元統(tǒng)計和GIS制圖在刻畫地下水污染中的綜合運用

多元統(tǒng)計分析（MSA）與地理信息系統(tǒng)（GIS）制圖技術(shù)結(jié)合，已成功地運用于含水層潛在污染區(qū)的刻畫中?？坍嬑廴疚锾卣鲗龅匦迯?fù)而言是非常重要的，但由于缺乏對水文地質(zhì)條件的認(rèn)識以及污染物觀測的不確定性，使得刻畫污染物特征的工作成果大打折扣。MSA利用其它水質(zhì)參數(shù)為監(jiān)測污染物提供了輔助信息，改進了對潛在污染的評價。GIS能夠?qū)崿F(xiàn)海量信息的可視化表達(dá)，在組織和管理水質(zhì)信息方面發(fā)揮著重要作用。為顯示美國加利福尼亞南部薩瓦納河基地（SavannahRiverSite）地下水中的氚、揮發(fā)性有機污染物三氯乙烯（TCE）和四氯乙烯（PCE）的濃度，本文提出的方法首先確定合適的研究范圍、GIS圖層（coverage）和比例尺。利用主成分分析（PCA）將最能夠指示潛在污染的變量進行分組。利用氚、Al、Mg、Na以及TDS可以最好地表征氚的潛在污染，而利用PCE和Cl可以預(yù)測PCE的潛在污染。利用1999年檢測的污染物濃度驗證采用1993～1995年的地球化學(xué)數(shù)據(jù)繪制的潛在污染圖，結(jié)果令人滿意。對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行聚類分析可將地球化學(xué)和污染物濃度分組。一、簡介由于監(jiān)測點數(shù)量少且位置分布不均，樣品分析存在誤差，復(fù)雜的水文地質(zhì)條件使監(jiān)測污染物在很短的距離內(nèi)就發(fā)生很大的空間變化，因而編制地下水污染圖通常是一件非常復(fù)雜困難的工作。目前一般用數(shù)值模型來刻畫地下水污染羽，但由于對局部水文地質(zhì)條件的認(rèn)識不足，因此這一方法也受到一定限制。另外，多點、多次監(jiān)測和多分析指標(biāo)的出現(xiàn)也加大了管理和繪制大容量水質(zhì)數(shù)據(jù)集的難度。除了數(shù)值模型外，另一種可供選擇的方法就是對地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，推斷潛在污染區(qū)。主成分分析（PCA）是一種多元統(tǒng)計方法，它基于變量之間的相關(guān)性，對變量進行分類。PCA和其它因子分析方法的目的是用少數(shù)幾個因子來描述大量觀測變量之間的聯(lián)系，以便于分析。地下水中存在的物理和化學(xué)作用，如電解、離子置換或者碳酸鹽的平衡作用，使不同組分的濃度可能存在相關(guān)性。利用PCA對這些相關(guān)的變量分組，就能更容易地結(jié)合地下水中的物理化學(xué)作用去認(rèn)識這些變量組。一個特定數(shù)據(jù)集的因子個數(shù)基于說明潛在作用的非隨機變量的數(shù)量。提取的因子越多，對原始數(shù)據(jù)的累計方差貢獻率就越大。主成分分析以前常用來根據(jù)監(jiān)測井的水質(zhì)特征，編制準(zhǔn)確的監(jiān)測井分組圖（Suk和Lee，1999；Ceron等，2000；Güler等，2002）。為了識別含水層污染區(qū)，Suk和Lee（1999）利用多元統(tǒng)計分析和GIS建立污染物與地下水水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性。他們用這種方法，從測量的幾個含水層水質(zhì)變量中提取出幾個潛在因子。聚類分析是另一種能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)降維的多元統(tǒng)計方法，可根據(jù)含水層的水質(zhì)狀況對監(jiān)測井進行分組（Suk和Lee，1999）。該方法利用具有不同分枝的樹形圖結(jié)構(gòu)將變量分層次地聯(lián)系起來。分枝之間聯(lián)系越緊密，表明變量之間或者變量群之間的相關(guān)性越強。Suk和Lee根據(jù)水巖相互作用和補給特征，對PCA得出的因子得分進行聚類分析，從而將監(jiān)測井分組，然后利用GIS編制井的分組圖，得到含水層分區(qū)。研究人員確定的這些區(qū)與傳統(tǒng)水文地質(zhì)技術(shù)確定的區(qū)吻合得相當(dāng)好。Suk和Lee（1999）基于每個含水層分區(qū)都有自己特定的地下水水質(zhì)信號（取決于沉積物的化學(xué)組成），對地球化學(xué)數(shù)據(jù)進行多元統(tǒng)計分析（Fetter，1994；Kehew，2001）。用這種方式定義的含水層分區(qū)中的水化學(xué)組成稱為水化學(xué)相（Fetter，1994）。地下水能夠溶解礦物質(zhì)和其它地球化學(xué)組分。每一個含水層賦存的地下水所含的溶解礦物質(zhì)和化學(xué)組分都不盡相同，于是形成了地下水的水質(zhì)信號，有助于識別含水層的演化歷史。在西班牙西北部，Vidal等人（2000）對14個水質(zhì)指標(biāo)進行了主成分分析，提取出2個與鹽類和有機金屬污染物相關(guān)的因子，然后繪制2個因子得分的散點圖，根據(jù)空間位置（井或者泉取樣點的位置）在圖上標(biāo)出每次觀測。取樣點落在圖中不同的“類”中，說明該取樣點與所落入的“類”具有相同的地下水水質(zhì)信號。根據(jù)含水層對鹽類和/或有機金屬污染的脆弱性，利用取樣點在圖上的位置對它們所在的含水層歸類。Abu-Jaber等人（1997）利用類似的多元統(tǒng)計分析方法研究地球化學(xué)數(shù)據(jù)，以識別已知含水層中存在的主要化學(xué)作用，并確定含水層對生活污水滲漏污染的敏感性。Meng和Maynard（2001）利用聚類分析和因子分析來處理地球化學(xué)數(shù)據(jù)，然后利用得出的地下水分類作為開發(fā)研究區(qū)地球化學(xué)概念模型的基礎(chǔ)。Ochsenkühn等人（1997）對地下水地球化學(xué)數(shù)據(jù)進行聚類分析，以識別主要的地下水流動路徑。其它一些研究也利用了類似的方法，建立了殺蟲劑對地下水的污染與不同作物輪耕方式的相關(guān)關(guān)系，來推斷地下水的流動方向（Grande等，1996；Zanini等，2000）。Güler等人（2002）比較了很多用于水化學(xué)數(shù)據(jù)分類的圖示法和多元統(tǒng)計分析方法。分析數(shù)據(jù)來自美國加利福尼亞南部南拉洪坦湖（Lahontan）水系。他們利用11個水質(zhì)指標(biāo)建立了一個非常完善的水化學(xué)樣品分類方案，同時指出綜合利用圖示法和統(tǒng)計分析方法可以得到更全面、更客觀的分類結(jié)果。本文的研究目的是示范GIS利用水質(zhì)數(shù)據(jù)的多元統(tǒng)計分析結(jié)果編制地下水污染圖的方法。在決策支持系統(tǒng)中，GIS是一種重要的信息組織和管理工具。建立這一方法的目的是為了更有效地利用GIS對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析和解譯。潛在污染圖不是繪制監(jiān)測污染物的分布，而是利用輔助水質(zhì)數(shù)據(jù)編制的。利用主成分分析評價水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，提取出水質(zhì)因子，然后利用GIS繪制包含每種污染物的水質(zhì)因子，來顯示地下水可能污染的位置。增加的輔助水質(zhì)數(shù)據(jù)提供了其它關(guān)于局部地下水條件的信息，降低了對單次污染物觀測的依賴度。結(jié)合污染物和局部水質(zhì)變化的相關(guān)關(guān)系，可以改進潛在污染圖。這樣做的目的并不是為了尋找水質(zhì)變量和污染物之間的關(guān)系，而是為了利用所有觀測數(shù)據(jù)最有效地進行污染預(yù)測。在這種情況下，組合變量產(chǎn)生一個更能表征場地潛在污染的因子。雖然使用了輔助的水質(zhì)數(shù)據(jù)，但是這一方法的使用并不能減少或消除對水質(zhì)監(jiān)測的需求，而只是最大程度上地利用了現(xiàn)有的水質(zhì)信息。利用獲得的含水層水質(zhì)成果圖可以更深入地認(rèn)識地下水污染的范圍和歷史。本文用薩瓦納河基地（SRS）的水質(zhì)數(shù)據(jù)示范這種方法的使用。SRS是美國能源部在加利福尼亞南部Aiken附近設(shè)立的一個基地，靠近喬治亞州和加利福尼亞南部的邊界線。從上世紀(jì)50年代到90年代，生產(chǎn)核武器原料所產(chǎn)生的副產(chǎn)品——工業(yè)和放射性污染物的釋放使該基地多個地方均出現(xiàn)地下水污染。大部分的地下水污染物由其附近的釋放點控制。由于SRS附近的地下水是居民用水的主要來源（Arnett等，1995），因此必須認(rèn)識SRS地下水污染的位置，以保證公共安全和降低風(fēng)險認(rèn)知。鑒于此，SRS調(diào)查人員已經(jīng)安裝了數(shù)千個監(jiān)測井并保證每季度（每隔3個月）取樣一次（Arnett等，1995；Bollinger，1999）。盡管已進行了大量的數(shù)據(jù)收集工作，但是如何處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將其融合到歷史或現(xiàn)狀污染圖中，一直是一個大難題。而且，美國東南沿海平原下伏的含水層系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，地下水流動的數(shù)值模擬模型也只能應(yīng)用在SRS具備詳細(xì)水文地質(zhì)資料的一小部分地區(qū)。二、方法1、研究區(qū) 薩瓦納河基地（SRS）由美國能源部管轄，占地面積790km2，位于南卡羅來納州西南部的大西洋沿海平原上，沿喬治亞州和南加利福尼亞的州界分布。冷戰(zhàn)時期（20世紀(jì)50年代~80年代），美國在SRS生產(chǎn)國防用的核材料，包括氚和钚。在SRS，零星分布著制造業(yè)、垃圾處理廠和核反應(yīng)設(shè)施，但是只占SRS整個面積的一小部分。本次研究主要集中在2個地區(qū)：管理和制造業(yè)區(qū)（A/M區(qū)）與一般分散區(qū)（GSA）。研究了3種典型污染物：從A/M區(qū)地下水中檢測出的四氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）與在GSA發(fā)現(xiàn)的氚。SRS有生產(chǎn)和儲存大部分放射性廢物和工業(yè)廢物的歷史，也存在著最嚴(yán)重的地下水污染。蠶在逢A/M膏區(qū)的地下水中來檢測出揮發(fā)性潛有機物（黃VOCs擔(dān)）猾——融通常作為金屬堅加工過程中的嗽清洗劑（縮Bollin繁ger揉，序1999消）。其中，縮PCE初和潔TCE央這摩2量種競VOC缸的濃度相當(dāng)高柿，它們都是核襯燃料制造業(yè)和床金屬加工業(yè)使工用的清洗劑（關(guān)Arnett宰等，基1995司；岸Bollin耗ger璃，曲1999辣）。從拼1952洽年開始，但直姜到上世紀(jì)吸80懇年代中期才開煮始利用淺層無影襯砌滲漏池對林這尋2榨種溶劑和其它蹈揮發(fā)性有機化甚合物以及重金蒙屬進行處理。碑GSA辛位于俊SRS來的中部，由垃蹲圾處理場（包示括高放射性的懸廢物儲存場和邀混合垃圾填埋紐場）和分離反疏應(yīng)堆產(chǎn)生的特盜定放射性核物儉質(zhì)的設(shè)施構(gòu)成略。拼GSA難下部的地下水跌已經(jīng)受到了各倦種化學(xué)物質(zhì)和艇放射性核物質(zhì)糕（尤其是氚）催的污染。訓(xùn)如果水文地質(zhì)旨均質(zhì)且得到充狼分認(rèn)識，那么絕就可以模擬地縱下水中非水相練液體（包括趁TCE浙和商PCE夠）的復(fù)雜行為梳（告Kehew刑，爆2001貌）。但不幸的東是，戒SRS卸下伏的含水層巧和隔水單元非灣常復(fù)雜，由此衡限制了含水層蟲水力性質(zhì)的準(zhǔn)娘確計算，使地崖下水水流模型漢和污染物運移歸模型預(yù)測具有芳很大的不確定久性（怠Harris投等，帶1997配；教Miller鳴等，蘿2000挪；宅Kehew衫，恐2001夸）。船SRS新位于大西洋沿艱海平原的上部盯，因而水文地檢質(zhì)條件非常復(fù)親雜。海岸線的召周期性遷移和運河道遷移使得失SRS世的沉積物類型牙相當(dāng)復(fù)雜，包附括層積的松散明砂、粘質(zhì)砂土班、砂質(zhì)粘土和灶鈣質(zhì)淤泥（黎Aadlan拿d情等，際1995沈）。可成為流將動優(yōu)先路徑的月一些古河道的刑存在也增加了綢研究的復(fù)雜性責(zé)。孔過去斧30比年間所安裝的幸?guī)浊€地下水卻監(jiān)測井（茄Arnett布等，怖1995海；跡Bollin虜ger殼，岸1999章）的濾管放置壟深度考慮了特徑定含水層或者仿隔水層的位置潑。在補SRS種的歷史上，監(jiān)男測井組是作為般某些小項目的硬一部分而進行械安裝的。因此城，從撤SAS左監(jiān)測井收集到窄的濃度數(shù)據(jù)是手成鬼“且簇穿”博出現(xiàn)的，主要跌在已知污染區(qū)里的周圍，而其嫁它地區(qū)則沒有咳水質(zhì)數(shù)據(jù)。速一般每隔途6緩個月對絡(luò)SRS安的井進行一次神大規(guī)模的取樣玻。為了管理這胖些水質(zhì)數(shù)據(jù)，給SRS匯開發(fā)了一種地驕球化學(xué)信息管響理系統(tǒng)（頁GIMS慚）。挪GIMS煎是一個招Oracle亭數(shù)據(jù)庫，由美煩國喬治亞州雅托典市的一個私靠人合作組織進旅行維護。這個坦數(shù)據(jù)庫具有安示全性，只有得紀(jì)到授權(quán)的誠SRS藍(lán)人員才能訪問槽。2、數(shù)據(jù)采集陽盡管可以獲得毫SRS藍(lán)運行初期的水僅質(zhì)數(shù)據(jù)，但直威到言20每世紀(jì)召80回年代，許多分苦析指標(biāo)才得以顆測試，因此許搞多地下水組分派的數(shù)據(jù)量較少鄭。此外，監(jiān)測拋井取樣的時間計間隔不同。位械于關(guān)注度很高壩地區(qū)或者地下羞水修復(fù)工程所花在地的井通常紡是每蝕3陡個月（番Q1膊表示趁1漸月陰~3攔月收集的數(shù)據(jù)熟，蛋Q2許表示溉4逝月來~6葬月收集的數(shù)據(jù)匙，依此類推）允取樣一次，甚冬至還要頻繁取巡樣。而次要地蜂區(qū)的監(jiān)測井經(jīng)高常是每年只取詞樣一次。開展蠶新項目時，會泄建造新的監(jiān)測窄井，而有些監(jiān)皮測井在項目結(jié)得束之后就廢棄粘了。暑如果監(jiān)測井的瓦某一個參數(shù)在擴整個季度內(nèi)都迎未進行觀測，愚那么隨后的聚事類分析就會排規(guī)除這個井。這街在整個德A/M簡區(qū)特別明顯，妖因為許多井從皆1993嫩年第一季度之?dāng)_后，就不再對箏氚進行檢測了姐。因此在實際腸研究中，澡A/M片區(qū)就沒有參與割隨后幾個季度怠的主成分分析烤。不幸的是，垂觀測數(shù)量的這稠種改變使我們絕很難去比較季酒度與季度間的拘參數(shù)變化，因棍為這樣引入的己變化易與組分格濃度的天然波痕動混淆。用平轉(zhuǎn)均值來代替缺磨失值是一種處宮理觀測缺失的你方法，但是這宴種做法可能會白得出不正確的季相關(guān)結(jié)構(gòu)，因果而未加以使用顛。擺數(shù)據(jù)分析的對林象主要是績1993泛年到蔥1995避年每季度一次皆的取樣數(shù)據(jù)，陽在這段時間內(nèi)臭，對監(jiān)測井進緞行了頻繁取樣仇。狡SRS晃地下水監(jiān)測計風(fēng)劃使許多地下隔水組分都得以諸檢測，上世紀(jì)鳥90偵年代初，這項敲計劃使固SRS多得到了最全面壇的場地分析。預(yù)1993挨年第一季度是笨地下水監(jiān)測的錢高峰期，在這輩期間，選擇了知能夠代表地下武水水質(zhì)的分析板指標(biāo)，對托1000江多個觀測井進屆行了取樣分析球。爭選擇地下水監(jiān)侮測數(shù)據(jù)中的一泥部分指標(biāo)進行墨統(tǒng)計分析，選閱擇標(biāo)準(zhǔn)是：（宿1違）具備可用性猜；（密2杯）測量的空間隸和時間頻率很挪高；（召3端）能代表天然幕的化學(xué)條件，攜即提供清楚的定含水層水質(zhì)信罪號。尸為了獲得水質(zhì)緣信號，選擇了姻滿足上述標(biāo)準(zhǔn)趟的敲13知種水質(zhì)分析指項標(biāo)，包括總?cè)鼙憬夤腆w（郵TDS迅）、瘡pH責(zé)值、鋁（誘Al豆）、鈣（兔Ca艷）、氯（隔Cl席）、鐵（曾Fe舌）、鉀（筒K發(fā)）、鎂（雄Mg嘉）、鈉（久Na擦）、硅（莖Si弓）和硫酸根（轉(zhuǎn)SO夜4雷）。此外，還摧選擇了氚和四拌氯乙烯（胞PCE秘），因為這退2耀個變量能夠分拋別代表放射性格污染和地下水崖的工業(yè)污染。待13喂個分析指標(biāo)中司有吊11層種是地下水的遼天然組分，其這中有捆6狹種（娃Na輸，疲Ca環(huán)，隆K近，脂Mg凈，費SO向4將和北Cl凳）是主要離子識，易3雨種是次要離子儲或微量組分（姑Fe童，短Al滔和糾Si籠），剩下島2早種（摘TDS帥和渠pH池值）是常規(guī)檢咸測項目。具表招1處囊括了夕A/M錄區(qū)和遇GSA座從菊1993托年到捉1995壁年收集到的上鐘述代13勉種地下水分析別指標(biāo)的所有濃慌度數(shù)據(jù)。該表過列出了各項指扯標(biāo)共吹3914躁次觀測的最小塑濃度、最大濃固度、按百分位供數(shù)排列的濃度酬以及平均濃度姑。這個表是非船常有用的，因認(rèn)為從表中可以包看出已觀測的寨水質(zhì)條件發(fā)生昌了重大變未化文—遵—熱某些變量至少摸發(fā)生了因4陶個數(shù)量級的變備化。主成分分凡析根據(jù)水質(zhì)參箱數(shù)的這種變化往來幫助編制污伍染圖。從最大織觀測值、按百偵分位數(shù)排列的蔬濃度以及平均錯值與中位數(shù)（到第穗50爆個百分點對應(yīng)典的濃度值）的周比值可以看出立整個數(shù)據(jù)集呈診強烈的右偏分殲布。取水質(zhì)變重量（除馳pH映值外，已經(jīng)作援過對數(shù)處理）炕的對數(shù)值，可織以消除這種偏隨態(tài)分布。爹表裹1199數(shù)3~1995誕年共瓦3914見次觀測收集到呆的地下水分析猶指標(biāo)的濃度數(shù)酸據(jù)藝分析芹指標(biāo)暗單位犧平均值氣最小值者百分位數(shù)黑最大值薦第神10息個驚第羞25濃個舅第生50狠個立第禍75字個躬第希100躺個退pH晴值摔

態(tài)4.6獵3共4.4需4.9某5.5破6.5鄉(xiāng)8冒12.8稈TDS殿mg/L笛126.6悲23民23凈33未60溪128循265宴1785往Al紙mg/L來2.6舟0.004墨0.02種0.03軍0.09替0.38堤2.1恥155孔Ca暖mg/L炒13紹0.01拌0.62票1.32械3.83套13.6絹34睜482犯Cl幕mg/L亮3.3創(chuàng)0.25金1.62鉆2.03例2.55用3.47且5.5昌44.6午Fe書mg/L挖0.5僵0.004寶0.005辰0.01陷0.04劉0.17援0.7戀48.1猜K教mg/L脾2.1擋0.049學(xué)0.5倆0.5追0.83棄1.55牽3.3怕145眼Mg哄mg/L扭1.4矛0.002耕0.26姿0.4量0.66甘1.22逼2.7些40吉Na句mg/L培14.4治0.495室1.82躁2.57降4.66撓12.8習(xí)34.2禾360扎Si將mg/L舒13.3僅0.152鏡6.06憐7.37貝9.38平13.6彈26.2簽158們SO寧4臟mg/L袖5.6涉0.094珠1寒1若1.67放5.47糧10.6括440峰PCE該2飽g/L急26.9留0.03灌1波1粱1視2.5本5勸19700位氚質(zhì)pCi/mL周1800宅0.002涉0.7衣1.63貞11.4嶼263峽3600售286000艙數(shù)據(jù)的空間范叫圍隨著每個季告度取樣井的變艱化而變化。本倉次研究包含了起1993煌年第一季度中744砍個取樣井所有恭13暢個水質(zhì)指標(biāo)的衫檢測數(shù)據(jù)。這句些井位于冰GSA上（欲400磨次觀測）和大A/M父區(qū)（塔275宗次觀測）。在改剩下幾個季度伶中，主要在面GSA男進行了氚的檢楊測，在種A/M術(shù)區(qū)沒有檢測氚品；本次研究選骨擇的所有觀測礦，大約慈90%溉都位于住GSA景附近。因此，崇A/M爸區(qū)的分析和繪你圖主要依賴于布1993士年第一季度的兄?jǐn)?shù)據(jù)和總數(shù)據(jù)茫集。爭利用運SRS儲每季度取樣的汗地下水監(jiān)測計蜘劃所收集的大各量數(shù)據(jù)，建立掙了分析指標(biāo)濃天度的繪圖方法替。在覺ArcVie視wGIS后中建立腳本（俯script懸s悟）和灶shape世文件，編制蝶SRS199押9午年的氚和攔TCE剝的濃度圖。這細(xì)些圖顯示朵SRS蛙大部分的污染語物都位于生產(chǎn)旨設(shè)施附近，而敞在遠(yuǎn)離污染源織的那些地方，夕地下水中幾乎線不含氚和住TCE懼。耽這些基礎(chǔ)圖件嚷顯示了軌SRS璃不同地區(qū)的污算染物水平、規(guī)足模和空間范圍詞，很好地傳達(dá)餓出有關(guān)污染物濕的信息。這些腐圖件將作為顯祝示其它時期分鷹析指標(biāo)濃度的笑底圖，隨后還盾將用來顯示含袍水層水質(zhì)分析絹的結(jié)果。大3金、主成分分析慮（嚇PC辯A稱）籌六個季度的觀搖測產(chǎn)生了大量筆數(shù)據(jù)，足以用雜來建立水質(zhì)指霧標(biāo)之間的相關(guān)繁矩陣以進行主鄙成分分析。數(shù)欲據(jù)采集時間從著1993北年初到棗1995牌年初，每種分侍析指標(biāo)的觀測燒次數(shù)在復(fù)343~74坊4尚次之間。將觀稱測的水質(zhì)參數(shù)臭（霸pH妻值除外）進行泳對數(shù)變換，獲男得相關(guān)矩陣。腹不使用有任何屢數(shù)據(jù)缺失的紀(jì)橋錄。鄙作為時間平均淚化的含水層水慎質(zhì)條件的一個猶概括，對所有綿監(jiān)測井觀測數(shù)爹據(jù)的總集合（怎包含所關(guān)注的學(xué)13瞇種分析指標(biāo)的廉測量值）也進教行了一次主成夕分分析。從渴1992根年第四季度到灰1999液年第四季度的彩總數(shù)據(jù)集中確害定出號3914陵次可用的觀測量，來進行主成秩分分析。所有陶水質(zhì)數(shù)據(jù)均經(jīng)弄過了對數(shù)變換納（柴pH挪值除外）。賢利用革SPSS螺因子分析模塊知（潤SPSS汪公司，剪2005返）處理每個季阻度的數(shù)據(jù)，選午擇方差最大法滑進行因子旋轉(zhuǎn)釋。方差最大法變旋轉(zhuǎn)是因子識撓別常用的方法截。經(jīng)過幾次試庫驗后發(fā)現(xiàn)，在關(guān)所分析的贊7毛個數(shù)據(jù)集中有軌6哭個數(shù)據(jù)集，提苗取值4乓個因子就足以沉說明原數(shù)據(jù)至籃少雪2/3缺的變化。因此域最終從所有每沾個季度的數(shù)據(jù)紐集中提取出炎4源個因子，利用類合適的因子得飽分系數(shù)乘以原系始的觀測值，陶得到笛4也個對應(yīng)的因子脈得分組。雷將每個季度的學(xué)4閃個因子得分作飲為趕4占個變量，用于厭隨后的聚類分醉析和販ArcVie京w灑的插值。做出化顯示每個變量省和因子之間相痕關(guān)強度的因子銷載荷表。檢驗?zāi)罅藥讉€季度的浪PCA圓結(jié)果，發(fā)現(xiàn)具構(gòu)有較高因子載餅荷的是相同的笨一些變量。但甩是，由于旋轉(zhuǎn)找和方差貢獻率況的不同，這些襲變量組的主成線分的位置在每職個季度中是不乘同的。紹為了更清楚地定刻畫不同季度尋的類型，基于尾3蒼個季度有相似跑的色PCA屈結(jié)果，將每個蒸編碼的主成分乘（思1-4鄭）分別用字母央A-D逐來表示。在這溉三個季度中，秩將第一主成分傅中因子載荷絕山對值大于威0.4痕的變量歸到斧A蘆組，將第二主炭成分中因子載罩荷絕對值大于脖0.4傅的變量歸到巧B嫁組，依此類推凍。使用這種命缺名法確定出分草析指標(biāo)的子集覆。保存包含污凝染物分析指標(biāo)會（即氚和肌PCE蠟）的子集，進拍行隨后的編圖怪。4、聚類分析屢為了根據(jù)地球鍋化學(xué)分區(qū)（即剃在一個季度中疤分析指標(biāo)有相女似的變化）將劫監(jiān)測井分組，爭對前面保存的濟主成分做聚類佛分析。選擇技SPSS緞中題的彩“烘hierar畢chical意clust晶erana去lysis培（層次聚類分限析逗）谷”湊選項，處理已鼓保存的每個數(shù)慚據(jù)集的窩4急個因子得分變恥量。由PCA恭識別出的每個叨主成分都對應(yīng)略有一個因子得眠分變量。利用蒙井名標(biāo)注因子題得分，選擇計稈算歐氏距離平新方事的殊“財War卻d屋’擇smeth般od搭（離差平方和想法閑）筒”烈進行聚類分析鑰。拳在多數(shù)情況下匠，先用歐氏距努離（定義為方蘆差總和的平方霸根）確定觀測祖間的距離，然叛后再用撈Ward蛛方法進行聚類箭。以Ward新方法是一種回境歸方法，它使加每個層次中任挺意遲2弓個類的離差平沫方和最?。〒uStatso取ft骨公司，虛2002物）。恰3挨個聚類構(gòu)成了潔一個樹形圖，默這是一種非常種有用的圖示工悅具，可用于確貨定足夠用來描哲述潛在作用的纖類數(shù)量，識別拔性質(zhì)相同的組漆。保存每次觀窗測閑的轟“地cluste看rmemb蜜ership蓋（類成員如）彩”墳，然后繪圖來屈顯示這些同性穩(wěn)質(zhì)的組的空間勢變化。保存每蘆個井的類成員臘構(gòu)成。不可能泛對所有季度中炒這么多數(shù)量的墾觀測進行聚類武分析，因為每跳個井都包含多蓄次觀測。壘確定一系列類賺（鏈3~10填）的類成員。稻為了確定區(qū)別漢不同含水層分獅區(qū)所必需的類峰數(shù)量，將每個逼數(shù)據(jù)集導(dǎo)入乖SAS平統(tǒng)計包（美國剪SAS癥軟件研究所，慰2005栗）中得到樹形籌圖。保存的一俯系列類的類成門員為分辨秩GIS蒜圖中監(jiān)測井之室間含水層水質(zhì)南行為的差別，愛在隨后識別應(yīng)計用限制中給予杏了靈活性。苦5胸、廳GI贈S司插值和制圖息表述2彩說明了此GIS客制圖的步驟。違反距離權(quán)重（逝IDW緞）是一種空間宅插值方法。在拿ArcVie烈w3.2跟中進行反距離約權(quán)重插值。反鬼距離權(quán)重法中喇的每一個估值法都是其周圍取謊樣點的加權(quán)平寄均值。利用觀健測點與被估點噴的距離的倒數(shù)臟來計算權(quán)重（完Burrou膚gh索和矮McDonn練ell慈，瞇1998吼）?？梢詫⒎唇鹁嚯x加冪（如蓮線性、平方和顯立方）以模擬豐不同的幾何形季狀（如線、面距積和體積）（完Guan改等，溫1999匪）。輪Burrou輪gh蝶和請McDonn莖ell狠（戀1998閘）比較了幾種燦不同的確定性捆插值方法，發(fā)談現(xiàn)使用距離平繁方的簡IDW轉(zhuǎn)方法能夠產(chǎn)生晴與原始值最一我致的結(jié)果。妨表跨2摟含水層水質(zhì)信簽號繪圖的步驟紐步驟匹活足濱動輕1樂SRS乓監(jiān)測井計劃提邀供地下水樣品續(xù)和隨后的實驗馬室分析化2鄭檢測值保存在老地球化學(xué)管理詳系統(tǒng)（拳GIMS擴）數(shù)據(jù)庫中潔3崗利用善ArcVie僅w筋界面查詢杰GIMS旬，創(chuàng)建單個分般析指標(biāo)的寶dBase礦文件凍4負(fù)基于可用性和選表達(dá)天然含水究層水質(zhì)的可能盒性來選擇分析泥指標(biāo)文件（吩11守個）。選擇污寬染物（聚2厘個）咳5嗚編寫撲ArcVie慰w麻腳本，計算每軌季度（馬3默個月）檢測值傭的平均值，分籮別創(chuàng)建浙13辯種分析指標(biāo)的似新文件遞6羽將文件導(dǎo)入買Micros四oftAc默cess說表中，根據(jù)共蒙同的井位置和庸分析指標(biāo)將檢遺測值鏈接起來走7蠟將鏈接好的檢移測值導(dǎo)入敞Micros疊oftEx保cel玉中，對其進行君分類，剔除單渠變量離群數(shù)據(jù)朽8珍選出具有足夠慶觀測次數(shù)（乏n>100芬）的季度中的狼數(shù)據(jù)贈9雞將每個文件導(dǎo)姿入黃SPSS元中，計算歐氏竄距離得分，剔占除多變量離群男數(shù)據(jù)廟10將執(zhí)行最大方差兔法旋轉(zhuǎn)主成分勺分析，保存因宰子得分陡11薪對因子得分進爐行聚類分析，攏確定水質(zhì)行為沖相似的井棄12窗在程ArcVie孟w蒼中，對包含污功染物變量的琴2槐個腎PCA豆的因子得分進飄行插值和繪圖春13毀將聚類分析得靈出的不同顏色健標(biāo)注的井疊加哭到因子得分的元污染圖上獸利用反距離權(quán)傻重插值法對與掘污染物變量、權(quán)氚和炎PCE論相關(guān)的因子得瞞分進行插值。錫根據(jù)每個井周當(dāng)圍最近的向12紀(jì)個井的因子得復(fù)分，利用徑向塑插值方法在該且井周圍傲500m象的范圍內(nèi)創(chuàng)建姨一個連續(xù)面。坡井周圍例500m蕉之外的地方不算進行插值。插慘值面反映了井劈的影響范圍；服圖中污染可能雹性很大的地區(qū)衫經(jīng)常會突然終鉗止。腎在柵格圖層中顫，將插值過的胸因子得分用漸售變色劃分為襯9屬級。用漸變的糞橘色代表雙PCE夠的污染，漸變響的紅色代表氚王的污染。顏色音越淺，污染可集能性就越低，繡反之亦然，顏誰色居中表示污耳染的可能性為束50%召。從魄50%辮的污染可能性吃到最高的污染拼可能性，因子婆得分跨入正值夫的范圍。正的淘因子得分表明誰它們各自的污兇染組成呈正相楚關(guān)。優(yōu)氚的網(wǎng)格用淺馳粉到深紅議9辭種顏色填充。僑網(wǎng)格中的因子言得分低，就表找示被氚污染的飛可能性小，用疑粉紅色填充，仔而因子得分高撈則表示被污染碧的可能性大，膏用深紅色來填稈充。澡PCE澆的表示方法類桂似，用橘色系懸來填充。將聚慎類分析結(jié)果和示1999個年原始的污染田物濃度疊加，輛就得到上述粘2義種污染物的潛學(xué)在污染圖。西在前文討論的仁shape北文件中，根據(jù)植監(jiān)測井所屬的乘類，也用顏色雅來標(biāo)注。根據(jù)拌聚類圖的結(jié)果言，選擇了顆5再個層次來描繪忠地球化學(xué)分區(qū)泉，并相應(yīng)地對拜井進行標(biāo)注。漏該圖層放在每遼個季度氚和欺PCE啊潛在污染圖的矛上部。為了便年于比較，將怖1999忙年的總污染物蹄濃度疊加到其癢它潛在污染圖乎的上面。宿GIS變插值方法可詳木見吩Mathes觀（比2002捧）。三、結(jié)果段1貍、主成分分析統(tǒng)從每個季度相賄關(guān)矩陣中提取降的毛4孕個因子的累計誦方差貢獻率至維少是脾2/3斥。以食1993何年第四季度為體例，從觀測數(shù)昆據(jù)中提取出的頂前洪4握個因子的累計顆方差貢獻率在植70%圾以上，因子載悲荷圖顯示：丸Al池，董Mg換，雜Na患，亡pH兼值，慈TDS蹈和氚與第一個膏因子強烈相關(guān)由，角Ca些，斧K悟，軋pH捏值，廚Si蘆，酷SO怠4裙和菠TDS衛(wèi)與第二個因子薪強烈相關(guān)，椒Al束，舞Fe僚和民SO既4喝與第三個因子眼強烈相關(guān)，與倡第撕4位個因子相關(guān)最泉好的是犧Cl粱和葬PCE捧。值得注意的徑是精pH奸值的因子載荷系是負(fù)值，在更嚴(yán)堿性的條件下夾，才會出現(xiàn)正怠值；藥SO雪4比與第二個因子若和第三個因子鍬都相關(guān)。榴表趙3遺總結(jié)了每個季布度中每個因子抖的相對方差貢畝獻率。表中的匹主成分用字母揚來表示，對應(yīng)倚于根據(jù)每個季做度和總數(shù)據(jù)集織的因子載荷得谷到的變量組。與表它3芒六個季度和總祖數(shù)據(jù)集的主成浪分組的排名尿主成分漠分析指標(biāo)男總數(shù)據(jù)次1993怨Q1梢1993珍Q2慎1993券Q3鉤1993亮Q4狀1994伙Q1淡1995Q1稅A好Al,Mg花,Na,越氚私,TDS,芹pH射1膚2玩1摟1喇1佛1唯1鴉B折Ca,K,揭pH,S泊i,SO疲4稿,TDS襪2跟1詢2乒2悲2揭2私2蜓C飯Al,Fe歪,SO帶4陡4橡3傭3未4匹3戒3趁3憤D外Cl,PC店E身3模4桃4星3念4吵4霜4俊這種變量分組雖的類型在對其擴它季度和總數(shù)肥據(jù)集（即表司3趙中的所有季度高）進行主成分況分析時反復(fù)出掛現(xiàn)。通過對所礎(chǔ)有主成分分析焦中因子得分的樹絕對值大于冶0.4包的主成分組成針的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)漸反復(fù)出現(xiàn)的主喇成分變量組呈自現(xiàn)出明顯的季沾度性。這些主忠成分分析表明混對來自于不同艙水文地質(zhì)的監(jiān)朵測井樣品而言帆，氚的濃度與存陽離子轎Al殘、毀Mg布和廉Na陜的濃度以及猴TDS之的變化相似。壤PCE辦的濃度與陰離共子張Cl浙的變化相似。木利用每個井淡13炭個原始指標(biāo)的云檢測值計算因吹子得分。每個喇主成分分析會枯產(chǎn)生渡4山組因子得分，嬌與移PCA稿的暖4壘個主成分相對搖應(yīng)。保存這些遍因子得分用于盛隨后的聚類分提析。將喘A巨和混D究這襪2品個包含氚和屠PCE飾的主成分變量踩組的因子得分材保存在論GIS痰中，用于隨后襯的插值和制圖狂。2、聚類分析壤利用初步的聚毫類分析產(chǎn)生的師樹形圖可以非任常好地將監(jiān)測葬井分成明5毀大類。聚類分榆析基于含水層柔水質(zhì)檢測，將竊監(jiān)測井劃分為鉗這些不同的類蠶別。區(qū)分這洗5鄰類的歐氏距離添大于碌100貴。此外，對確淚定出的隙SRS叛含水層分區(qū)與噴聚類結(jié)構(gòu)中的幅不同層次（奔3~10楚）試探性地進確行了相關(guān)分析耗。觀測發(fā)現(xiàn)含醒水層分區(qū)和包餃含翠5眨個類的聚類系托統(tǒng)之間有最佳萍的相關(guān)性。3、GIS圖仆對吸1999促年與最可靠的量檢測指標(biāo)、氚何和跪TCE鍋相關(guān)的積2您個因子的地下頌水濃度水平進硬行繪圖，所繪笑圖件顯示了脂SRS且污染在平面上蔑的近似范圍。蓮這些圖的繪制叫使用的不是原樹始的污染物數(shù)拒據(jù)，而是因子抄得分的插值，冶因此實際上，受它們是將污染押物濃度與相關(guān)月的水質(zhì)變量所糟提供的輔助信哈息結(jié)合了起來緒。為了粗略估摘計利用債1993~夕1995搜年的數(shù)據(jù)得出宏的污染可能性輸?shù)臏?zhǔn)確程度，汗將蠻1999抬年所有四個季璃度的原始濃度鳳數(shù)據(jù)疊加到繪余制出的潛在污愿染圖上。薄SAS傲的領(lǐng)TCE雨和肌PCE陡經(jīng)常在同一地尋點和時間排放扭，二者具有許簽多相同的化學(xué)討特性，都屬于下重質(zhì)非水相液究體（劣DNAPLs律）。盡管有釘5怠年到梁6憐年的滯留時間苦，但是受氚和糊PCE鋒污染可能性很啄高的地區(qū)與隨棒后觀測到的氚巷和嬸TCE遍濃度相對較高夠的地區(qū)非常吻刮合。與任意污炊染物均不相關(guān)蘭的主成分的因粉子得分的插值鼻與斃1999喇年氚和呈TCE閘濃度增高的位勇置不能吻合。吐潛在污染區(qū)的繼結(jié)構(gòu)和范圍隨趴季節(jié)發(fā)生輕微劣的變化。除了章分析指標(biāo)的天顏然變化外，監(jiān)悉測井的數(shù)量也誠隨時間而變化懇。從莊1993爭年第一季度之交后，監(jiān)測井活搶動減少；恨A/M賺區(qū)和陸GSA浩外圍地區(qū)的井望在每個取樣季曲度中沒有進行霸監(jiān)測，因此改啟變了插值的范庸圍。整體而言合，從善1993荒年第一季度之企后，監(jiān)測井的木數(shù)量減少了。仰在本次研究中箱，季節(jié)的變化逼對隊PCA噸的主成分結(jié)構(gòu)卻沒有強烈的影邀響，數(shù)據(jù)點的岔減少反映在圖消中潛在污染區(qū)怎的位置和范圍諸的變化上?？杀狙芯恳怖L制兇了監(jiān)測井所在隱位置的地下水餡水質(zhì)分區(qū)圖。獵這些分區(qū)是通忙過對每個及PCA極產(chǎn)生的因子得談分進行聚類分腳析而得到的。公初步工作已經(jīng)毒證實，對因子采得分進行聚類圖分析可以幫助裁描繪具有不同笛含水層水質(zhì)信申號的地球化學(xué)遍相（苗Suk明和指Lee山，苗1999煮）。俊GSA柱和電A/M顛區(qū)的聚類分析社繪圖共產(chǎn)生了良5軌個類別。這些冤類別表明這差2辱個地區(qū)有怎5腎個不同的地下紗水水質(zhì)區(qū)。在駝GSA隊的部分地區(qū)，封井組在隨后幾冠個季度中反復(fù)圣具有相同的類矮成員。脹從譽1993遇年第一季度的撕GSA坑氚的潛在污染毒圖和理A/M并區(qū)火PCE湊的潛在污染圖羽中，可以觀察受到不同的空間狡類型。爭GSA憲的監(jiān)測井歸到末了冰5敲個類別中的琴4挎?zhèn)€，稱為井的名地下水水質(zhì)分鋸區(qū)。在生GSA你沒有出現(xiàn)的那疲類井在利A/M猶區(qū)相當(dāng)普遍，烤而屬于攻GSA符的一類井沒有賽出現(xiàn)在洪A/M引區(qū)。這些差別美說明嫂A/M醬區(qū)和亡GSM砌的含水層具有冶不同的地球化井學(xué)類型。在隨炕后的季度中，雁僅使用了呈GSA絞的數(shù)據(jù)進行繪漆圖。在弟GSA廣出現(xiàn)的所有學(xué)5蔬個類別中，有沈3壓個主要類別?？≡诟〉某叨仍V上，灌2和個地區(qū)中，濾李管處在不同深噴度上的相鄰的剩井往往屬于不泊同的類別。蔬總之，插值圖汽表明些A/M體區(qū)的部分地區(qū)艘最可能受到秘PCE咐的污染，而星GSA娘的部分地區(qū)被益氚污染的可能隆性最大。在更塵小的尺度上，張PCE左和氚的插值圖宜表明滲漏池和耕其它垃圾處理越場附近的地區(qū)蜜更可能受到污粥染。四、討論嚷本文主成分分儉析的結(jié)果表明其，測量優(yōu)選出段的較少數(shù)量的燈地下水水質(zhì)變殘量，也能深入梢認(rèn)識含水層的日水質(zhì)特性。毫游無疑問，壓縮懂地球化學(xué)變量切的數(shù)量，可以容應(yīng)用更多井的戒資料，產(chǎn)生范抬圍更大、分辨通率更高的含水門層信號和潛在弱污染的空間圖肯。雞盡管監(jiān)測活動莖存在季節(jié)上的升空間差異，但禍?zhǔn)遣煌径裙鸓CA型的變量組成結(jié)役構(gòu)非常相似。湖這種可比較的笨變量的時間特險性證實了這樣嫂的假設(shè)，即含悔水層水質(zhì)信號督受某些基本過劉程控制，如水笛巖相互作用，趕補給和排泄的梅關(guān)系等。私1999總年測量的污染商物濃度與繪制謀的很有可能受切到污染的區(qū)域連呈現(xiàn)出很好的翻對應(yīng)關(guān)系，進騎一步證實了上牧述假設(shè)。瞞對因子得分進口行插值時考慮亡了含水層作用驕，這種做法優(yōu)極于對污染物濃順度原始資料的棒簡單解譯。利餓用因子得分消倘除了濃度的尖水銳變化，確定向了未來可能受燙到污染的地區(qū)財。這種插值實厚現(xiàn)了潛在污染潛區(qū)的可視化，醉但是沒有進行喘更遠(yuǎn)距離的插演值，因為在遠(yuǎn)伯離效SRS民的地方，監(jiān)測蝶井的分布更加類稀疏。離大的擦監(jiān)測井群越遠(yuǎn)傭，所預(yù)測的潛耐在污染的可信弟度就越低，因酬為對這些井所憂在的地區(qū)進行遠(yuǎn)插值所利用到醉的因子得分非斜常少。投確定了乘4鍛個水質(zhì)因子，障包括（算1野）農(nóng)TDS夠、福Al療、粘Na工、亦Mg列和氚；（霜2哈）先TDS克、慕Ca約、寸K瘋、薪Si虛、杠SO雁4史和堿性條件；燙（夏3榜）壘Al澇、甲Fe熱和廈SO炊4座；（撥4埋）軋Cl政和四氯乙烯。騰TDS在是對水中可溶舅性的離子或者酷化學(xué)物質(zhì)的量嗚度，只要主要燦陽離子或者陰道離子出現(xiàn)，都潛會增大坦TDS棕，因此同屬于車前領(lǐng)2嫌個因子。寒在彼SRS爹，氚似乎與層Na呼、董Mg攔、榆Al征的存在相關(guān)。耐這可能是由于榆這些化學(xué)物的丸共同釋放或者庫它們存在于氚誓釋放地附近的帥淺層含水層中凈。第三個因子遞包含了微量陽視離子和丟SO各4雨，而沒有份TDS兩，這說明這些傻成分在整個水稱化學(xué)組成中不榴占支配地位。攻第馬4順個因子與四氯梁乙烯和紛Cl猜有關(guān)，這可能雹是降解、共同哄釋放或者釋放滅點附近的地下裝水類型導(dǎo)致的質(zhì)。起用統(tǒng)計方法確諷定出獨特的水插質(zhì)信號有助于毫追蹤污染羽的株遷移，因為當(dāng)冠野外和實驗室踩誤差造成污染遍物自身缺乏的完時候，一組相凱關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)閣的出現(xiàn)可以幫繳助描繪潛在污捷染區(qū)。這種擴兔充后的水質(zhì)變娛量集合的使用謊可以幫助提高弟污染羽預(yù)測的隆準(zhǔn)確度。遙GIS格制圖利用所有抵的水質(zhì)數(shù)據(jù)，勤實現(xiàn)了對觀測