基于對(duì)應(yīng)分析法的鄂爾多斯盆地東北部地下水污染分析

董海彪，盧文喜*，安永凱，馬洪云（.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 300；.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 70054）

基于對(duì)應(yīng)分析法的鄂爾多斯盆地東北部地下水污染分析

董海彪1，盧文喜1*，安永凱1，馬洪云2（1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054）

運(yùn)用對(duì)應(yīng)分析法，根據(jù)2014年野外調(diào)查資料，對(duì)鄂爾多斯盆地東北部不同含水層系統(tǒng)地下水污染現(xiàn)狀進(jìn)行分析，確定各子區(qū)主要污染物質(zhì)，并探究其污染源與污染途徑.結(jié)果顯示：研究區(qū)西部?jī)?nèi)流區(qū)、無(wú)定河下游等地區(qū)，由于集中的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)藥、化肥大量施用，導(dǎo)致污染物進(jìn)入含水層，并隨地下水流動(dòng)，出現(xiàn)較嚴(yán)重的 NO3-污染；西北部平原區(qū)及大理河、窟野河等河流中下游，Cl-、Na+、TDS、SO42-含量較高，除潛水蒸發(fā)濃縮作用外，上游含較多Cl-的工業(yè)廢水、生活污水及垃圾滲濾液入滲，隨水流流動(dòng)，造成Cl-、TDS升高.高硬度水在區(qū)內(nèi)廣泛分布，生活污水、固體垃圾滲濾液中可降解的有機(jī)物入滲后使得地下水中的CO2平衡壓力升高，或工業(yè)酸性廢水的酸性溶濾作用促進(jìn)含Ca2+、Mg2+礦物的溶解，使地下水總硬度增大.

地下水污染；對(duì)應(yīng)分析法；鄂爾多斯盆地東北部

鄂爾多斯盆地是我國(guó)新興的能源化工基地和 21世紀(jì)重要的能源接續(xù)地.近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)，工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，在開(kāi)發(fā)地下水資源的同時(shí)造成日益嚴(yán)重的地下水污染問(wèn)題［1］.因此，科學(xué)分析研究區(qū)的地下水污染現(xiàn)狀，查明污染源及污染途徑對(duì)于地下水污染治理、資源保護(hù)具有重要意義.

常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有單因子評(píng)價(jià)法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評(píng)判法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［2-4］.蘇耀明等［5］在2008年運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)鄂爾多斯白堊系盆地地下水水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，確定了不同埋藏深度地下水的水質(zhì)類別；董艷慧等［6］在2009年采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)西安地區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，總結(jié)了西安地區(qū)地下水水質(zhì)從1985～2004年的歷史變化趨勢(shì).上述方法均只確定了地下水水質(zhì)類別，未分析不同區(qū)域地下水中主要影響因子及其污染來(lái)源，且均針對(duì)歷史資料進(jìn)行分析，無(wú)法有效揭示鄂爾多斯盆地污染現(xiàn)狀.

多元統(tǒng)計(jì)分析是經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的一個(gè)新興分支，能夠在多個(gè)對(duì)象和多個(gè)指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)的情況下分析它們之間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律［7］.近年來(lái)，多元統(tǒng)計(jì)方法在地學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在水文地球化學(xué)領(lǐng)域成果突出.希臘的Papatheodorou［8］在2005年成功應(yīng)用R型和Q型因子分析以及描述性統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)控制淺水湖的水化學(xué)過(guò)程和水質(zhì)的影響因素進(jìn)行了研究；南非的Love等［9］在2004年采用因子分析研究非洲南部某地區(qū)地下水水質(zhì)，有效地揭示出影響水質(zhì)變化的三個(gè)主因子，分別是未污染的地下水、農(nóng)業(yè)活動(dòng)及礦化作用.孫斌［10］2007年運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法研究了鄂爾多斯白堊系盆地都思兔河地下水系統(tǒng)水化學(xué)空間分布規(guī)律，提取出了各層地下水化學(xué)形成的主影響因子，揭示其形成機(jī)理；閆柏忠等［11］根據(jù)觀測(cè)井資料，運(yùn)用多元回歸分析方法圈定了吉林市城區(qū)地下水最可能受污染的范圍；劉奕伶等［12］利用主成分分析研究長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)古夫河著生藻類的體積變化，探索其水質(zhì)影響因子.

對(duì)應(yīng)分析法是近年發(fā)展起來(lái)的一種視覺(jué)化多元統(tǒng)計(jì)分析方法.通過(guò)一定的數(shù)學(xué)原理和方法，將樣品和變量以點(diǎn)集的形式投影到同一因子平面上，將數(shù)字轉(zhuǎn)化為幾何圖像，各點(diǎn)間的距離即表征相應(yīng)的樣品、變量間的相關(guān)關(guān)系.相比于傳統(tǒng)方法，對(duì)應(yīng)分析可將樣本和變量結(jié)合起來(lái)，確定各子區(qū)主要影響因子，更全面、深入挖掘數(shù)據(jù)信息，是一種直觀、簡(jiǎn)捷高效的方法［13-16］.姜雪等［17］運(yùn)用對(duì)應(yīng)分析法確定了長(zhǎng)春市羊草溝煤礦重金屬污染特征；王皓冉等［18］運(yùn)用典范對(duì)應(yīng)分析法探究了牡丹江中游底棲動(dòng)物分布及其與棲境因子相關(guān)性.在分析地下水水質(zhì)及污染狀況方面，龔磊等［19］在2011年選取13個(gè)水樣點(diǎn)，9個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，采用對(duì)應(yīng)分析法分析了洮北區(qū)不同子區(qū)的主要污染物；王宇等［20］在2013年選取42個(gè)水樣點(diǎn)，17個(gè)指標(biāo)，采用對(duì)應(yīng)分析法確定了吉林西部不同子區(qū)的水質(zhì)特征.

本文挑選 2014年采集的 166個(gè)潛水樣，16個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，運(yùn)用對(duì)應(yīng)分析法，對(duì)鄂爾多斯盆地東北部不同含水層系統(tǒng)地下水污染現(xiàn)狀展開(kāi)分析.首先進(jìn)行分區(qū)，確定各子區(qū)的主要污染物質(zhì).最后用 ArcGIS作出樣點(diǎn)分布圖，結(jié)合水文地質(zhì)條件及人類活動(dòng)情況分析污染的來(lái)源及成因.

鄂爾多斯盆地與吉林地區(qū)自然條件與人類活動(dòng)情況差異很大.鄂爾多斯盆地地域遼闊，自然條件復(fù)雜，分布有不同的含水層系統(tǒng)，發(fā)育眾多各級(jí)次地下水流系統(tǒng)，包括3個(gè)不同的含水層系統(tǒng)，兼有孔隙水、裂隙水、巖溶水，且局部為內(nèi)流區(qū)，因此本文的分析需考慮的因素更多，分析結(jié)果更具參考價(jià)值.

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°36＇～112°12＇，北緯37°01＇～40°30＇.該區(qū)地域遼闊，面積約7萬(wàn)km2，包括榆林和鄂爾多斯兩個(gè)地級(jí)市，是重要的能源基地（圖1）.

研究區(qū)地形閉塞，遠(yuǎn)離海洋，盛行西北風(fēng)，降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈.黃河“幾”字形流經(jīng)本區(qū)，區(qū)內(nèi)西北及東部地勢(shì)較高，沿黃河方向逐漸降低，局部起伏較大.大致以中部的白于山地表分水嶺為界，明顯分成南北兩個(gè)區(qū)域，即北部的沙漠高原和南部的黃土高原.沙漠高原地形較平緩，起伏較小.河流不發(fā)育，分布較多湖淖，發(fā)育內(nèi)流區(qū)，地表水地下水向湖淖匯集；黃土高原溝壑縱橫、切割強(qiáng)烈、黃河各級(jí)支流密布.黃河是本區(qū)地表水地下水的最終排泄基準(zhǔn)面.區(qū)內(nèi)由東到西，分布有白堊系含水層系統(tǒng)、侏羅-石炭系含水層系統(tǒng)、寒武-奧陶系含水層系統(tǒng).

研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，長(zhǎng)期以來(lái)，由于自然和人類活動(dòng)影響，水資源短缺問(wèn)題已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)改善的主要因素［1］.

2　對(duì)應(yīng)分析法

2.1基本思想

對(duì)應(yīng)分析就是在保證數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，利用降維的思想，將一個(gè)列聯(lián)表的行和列中各元素的比例結(jié)構(gòu)以點(diǎn)的形式在較低維的空間中表示出來(lái)，使得數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)以及行、列之間的關(guān)系變得一目了然.它的最大特點(diǎn)是把R型（研究變量間關(guān)系）和Q型（研究樣品間關(guān)系）因子分析結(jié)合起來(lái)，在一張因子平面圖上同時(shí)表示出變量和樣品，以直觀、明了的方式揭示變量之間，樣品之間及變量與樣品之間的關(guān)系.另外，對(duì)應(yīng)分析可以從因子載荷圖上對(duì)樣品進(jìn)行分類，而且能夠揭示每個(gè)分區(qū)的主要影響變量及依據(jù)；也可以對(duì)變量進(jìn)行分類，提取出潛在的公因子，并揭示每個(gè)因子的含義.隨著技術(shù)方法的商用軟件的出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)分析的方法在各個(gè)領(lǐng)域都得到越來(lái)越廣泛的重視和應(yīng)用［21-26］.

2.2主要計(jì)算過(guò)程

（1）設(shè)有n個(gè)樣品，每個(gè)樣品觀測(cè)m個(gè)變量值，則原始數(shù)據(jù)為

式中：xij表示第i個(gè)樣本的第j個(gè)變量.

（2）按行、列分別求和，得行和Xi、列和Xj及總和T.

（3）計(jì)算原始數(shù)據(jù)的概率矩陣P，

（4）計(jì)算數(shù)據(jù)變換矩陣Z，

（5）計(jì)算變量的協(xié)方差矩陣

計(jì)算樣品的協(xié)方差矩陣

（6）R型因子分析：計(jì)算變量協(xié)方差矩陣的特征值，λ1＞λ2＞...λm，通常取累積貢獻(xiàn)值大于70%～90%的前k個(gè)特征值，計(jì)算相應(yīng)的特征向量 u1， u2，...，uk，得R型因子載荷矩陣

Q型因子分析：對(duì)R型因子分析取得的前k個(gè)特征值，計(jì)算其相應(yīng)于矩陣B的特征值，v1=Zu1， v2=Zu2，...，vk=Zuk，再將其單位化，得R型因子的載荷矩陣，其中，Gk=vkλk（7）

（7）在二維因子軸上作圖.用同一因子軸同時(shí)樣品和變量，即R型分析、Q型分析同時(shí)反映在一張圖上［27］.

3　鄂爾多斯東北部地下水污染現(xiàn)狀分析

3.1數(shù)據(jù)選取

在全面調(diào)查、分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件及可能的污染源基礎(chǔ)上，選用2014年采集的鄂爾多斯東北部166個(gè)潛水樣品，其中36個(gè)取自白堊系含水層系統(tǒng)，91個(gè)取自侏羅—石炭系含水層系統(tǒng)，39個(gè)取自寒武—奧陶系含水層系統(tǒng).選取 16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，分別為高錳酸鹽指數(shù)、F-、Cl-、Zn2+、總As、NO3-、Mg2+、Ca2+、Na+、K+、總硬度、Al、Mn、Fe、TDS、SO42-，指標(biāo)數(shù)量超過(guò)前人相關(guān)工作，這些指標(biāo)可囊括研究區(qū)地下水中所有可能的污染物質(zhì)，分析范圍更廣.

分別對(duì)上述3個(gè)含水層系統(tǒng)進(jìn)行分析.

3.2主要計(jì)算過(guò)程

依據(jù)對(duì)應(yīng)分析原理，計(jì)算得變量協(xié)方差系數(shù)矩陣A的特征值及方差貢獻(xiàn)率.選擇方差最大的前兩項(xiàng)因子作為主因子軸，該主因子軸具有最高分辨率［28］，計(jì)算得R型和Q型主因子載荷，并作出地下水樣品與變量的因子載荷平面投影圖.

4　結(jié)果與討論

4.1水質(zhì)分區(qū)

根據(jù)表1所示載荷坐標(biāo)，分別作出白堊系含水層系統(tǒng)、侏羅-石炭系含水層系統(tǒng)、寒武-奧陶系含水層系統(tǒng)地下水樣品與變量的因子載荷平面投影圖（圖2、圖3、圖4）.

圖2　白堊系含水層系統(tǒng)對(duì)應(yīng)分析因子載荷平面投影Fig.2 Factor loading projection plane graph of correspondence analysis of the cretaceous aquifer system

圖3　侏羅-石炭系含水層系統(tǒng)對(duì)應(yīng)分析因子載荷平面投影Fig.3 Factor loading projection plane graph of correspondence analysis of the cretaceous aquifer system the Jurassiccarboniferous aquifer system

圖4　寒武-奧陶系含水層系統(tǒng)對(duì)應(yīng)分析因子載荷平面投影Fig.4 Factor loading projection plane graph of correspondence analysis the Cambrian - ordovician aquifer system

由圖2～圖4可知，研究區(qū)內(nèi)3個(gè)含水層系統(tǒng)地下水污染因子平面圖中樣品點(diǎn)和指標(biāo)點(diǎn)的分布具有一定的相似性.

第一主因子軸F1是研究區(qū)地下水污染分析中占主導(dǎo)地位的因子軸.由圖2～圖4可見(jiàn)，其正方向上絕對(duì)值最大.因此，F(xiàn)1軸可作為地下水污染的分異軸，樣品越靠近 F1軸正向，其含量越高；反之，樣品越靠近F1軸負(fù)向污染越輕微.

第二主因子軸F2對(duì)地下水污染的評(píng)估作用弱于 F1軸.其負(fù)方向上總硬度絕對(duì)值最大.因此，F(xiàn)2軸可作為地下水總硬度的分異軸，樣品越靠近F2軸負(fù)向，其總硬度越高，Ca2+、Mg2+含量越高；反之，樣品越靠近F2軸正向，其總硬度越低［29］.

根據(jù)對(duì)應(yīng)分析的特點(diǎn)，按樣品與變量的自然聚合趨勢(shì)及樣品的分布密切程度，對(duì)樣品之間，變量之間及樣品與變量之間的關(guān)系進(jìn)行分析.

變量分布分析，高錳酸鹽指數(shù)、F-、Zn2+、總As、K+、Al、Mn、Fe這8個(gè)指標(biāo)集中在F1軸和 F2軸的中心位置，因子載荷較低，對(duì)主因子軸的影響不大.因此以上9個(gè)指標(biāo)非主要污染指標(biāo).

從樣品的分布看，樣品點(diǎn)被明顯地分為3個(gè)區(qū).每個(gè)區(qū)內(nèi)的水質(zhì)特征具有相似性.

與Ⅰ區(qū)樣品關(guān)系密切的指標(biāo)為 Cl-、Na+、TDS、.該區(qū)地下礦化度較高，存在一定的Cl-超標(biāo).

與Ⅱ區(qū)樣品關(guān)系密切的水質(zhì)指標(biāo)有 Ca2+、Mg2+、總硬度.

與Ⅲ區(qū)樣品關(guān)系密切的水質(zhì)指標(biāo)為NO3-，存在較嚴(yán)重的硝酸鹽污染.

4.2地下水污染來(lái)源及成因分析

將因子載荷平面投影圖與水質(zhì)樣本分布圖（圖5、圖6、圖7）結(jié)合起來(lái).根據(jù)樣品點(diǎn)的位置分布，分析各區(qū)主要指標(biāo)的成因及來(lái)源.

圖5?、駞^(qū)地下水樣品分布Fig.5 Sample distribution of I area groundwater

Ⅰ區(qū)地下水中 Cl-、Na+、TDS、含量較高.主要分布于研究區(qū)西北部平原區(qū)、帶狀分布于大理河、槐理河、窟野河、牛川、孤山川、三川河等河流中下游.

在研究區(qū)西北部?jī)?nèi)流區(qū)地下水流系統(tǒng)中下游，地勢(shì)平坦，徑流作用弱，潛水蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，形成高礦化度水、Cl-、Na+含量較高.

大理河、槐理河、窟野河、牛川、孤山川、三川河等河流中下游，除了地下水自然循環(huán)作用外，上游含較多Cl-的工業(yè)廢水、生活污水及垃圾滲濾液入滲，隨河水及地下水向下游流動(dòng)，造成Cl-升高.

Ⅱ區(qū)地下水中 Ca2+、Mg2+含量較高、總硬度較大.在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布.

圖6?、騾^(qū)地下水樣品分布Fig.6 Sample distribution of Ⅱarea groundwater

由圖6，Ⅱ區(qū)地下水絕大多數(shù)位于工礦企業(yè)及固體廢物所在地.在人口密集、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城區(qū)及村鎮(zhèn)，產(chǎn)生大量生活污水、固體垃圾滲濾液，這些廢水中可降解的有機(jī)物入滲后使得地下水中的CO2平衡壓力升高［30］，陽(yáng)離子交換、鹽效應(yīng)增強(qiáng)，促進(jìn)含 Ca、Mg礦物的溶解，Ca2+、Mg2+含量升高、總硬度增大；含Ca2+、Mg2+工業(yè)廢水直接入滲，或者工業(yè)酸性廢水的酸性溶濾作用［31］使得地下水Ca2+、Mg2+含量升高、總硬度增大.

圖7?、髤^(qū)地下水樣品分布Fig.7 Sample distribution of Ⅲ area groundwater

Ⅲ區(qū)地下水中NO3-含量較高，存在較嚴(yán)重的三氮污染.主要分布于研究區(qū)西部的內(nèi)流區(qū)、西南部的無(wú)定河下游地區(qū)，在窟野河、黃甫川、三川河下游地區(qū)也有分布.

在大面積的內(nèi)流區(qū)，地下水流系統(tǒng)的范圍大致與湖淖的匯水面積一致.地下水向湖淖方向流動(dòng)，最終向湖淖排泄.而該處農(nóng)田面積較大、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，不適當(dāng)?shù)氖┓剩?］等造成土壤污染的同時(shí)，也對(duì)內(nèi)流區(qū)中下游地下水造成較嚴(yán)重的氮污染.

無(wú)定河在榆林地區(qū)流經(jīng)農(nóng)田區(qū)，大量的農(nóng)藥、化肥施放.加之榆林地區(qū)及周圍村鎮(zhèn)，密度相對(duì)較大，人類活動(dòng)密集，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，生產(chǎn)生活垃圾及污水集中處理能力不足，隨意堆排現(xiàn)象明顯，造成較為嚴(yán)重的污染.與河流有密切水力聯(lián)系的地下水受到河流污染.

5　結(jié)論

5.1運(yùn)用對(duì)應(yīng)分析法分析鄂爾多斯盆地東北部污染現(xiàn)狀，其結(jié)果符合研究區(qū)實(shí)際情況，方法可行，結(jié)果可靠.

5.2由對(duì)應(yīng)分析因子載荷投影平面圖可知：第一主因子軸F1軸可作為鄂爾多斯盆地東北部地下水污染的分異軸，樣品越靠近F1軸正向，其含量越高污染越嚴(yán)重；反之，樣品越靠近 F1軸負(fù)向污染越輕微.第二主因子軸F2可作為鄂爾多斯盆地東北部地下水總硬度的分異軸，樣品越靠近 F2軸負(fù)向，其總硬度越高，Ca2+、Mg2+含量越高；反之，樣品越靠近F2軸正向，其總硬度越低.

5.3鄂爾多斯盆地東北部地下水污染問(wèn)題較嚴(yán)重.在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中的西部?jī)?nèi)流區(qū)、無(wú)定河下游等地區(qū)，農(nóng)藥化肥大量施放等因素導(dǎo)致較嚴(yán)重的污染；西北部平原區(qū)及大理河、窟野河等河流中下游Cl-、Na+、TDS、含量較高，主要由上游含較多Cl-的工業(yè)廢水、生活污水及垃圾滲濾液入滲所致.高硬度水在區(qū)內(nèi)廣泛分布，大量生活污水、固體垃圾滲濾液中可降解的有機(jī)物入滲后使得地下水中的CO2平衡壓力升高，或工業(yè)酸性廢水的酸性溶濾作用促進(jìn)含Ca、Mg礦物的溶解，使地下水總硬度增大.急需采取相關(guān)措施，全面兼顧，重點(diǎn)突出地對(duì)研究區(qū)地下水污染進(jìn)行治理.

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Groundwater pollution assessment in northeastern Ordos Basin based on correspondence analysis method.

DONG Hai-biao1， LU Wen-xi1*， AN Yong-kai1， MA Hong-yun2（1.College of Environment and Resource， Jilin University，Changchun 130021， China；2.Xi'an Center of Geological Survey， China Geological Survey， Xi'an 710054， China）.

China Environment Science， 2015，35（11）：3371～3378

The current groundwater pollution conditions of different aquifer systems of Northeastern Ordos Basin were analyzed using correspondence analysis method using the monitored data in 2014. And the major pollutants， its pollution sources and pollution pathways were explored. The results indicate that pollution of NO3-was serious due to agricultural production， pesticides and fertilizers casting in the inner flow area of western study area and Wuding river downstream areas. In the inner flow area of western to the diving evaporation concentration effect， industrial wastewater， domestic sewage and garbage leachate with high Cl-content from the upstream infiltrates into the groundwater， leading to an increase of Cl-and TDS. High hardness water is widely distributed in study area， the leachate of biodegradable organic matter contained in domestic sewage and solid waste raises CO2equilibrium pressure， or acidic leaching of industrial acidic waste water promote the dissolution of mineral containing Ca2+， Mg2+， leading to an increase of hardness.

groundwater pollution；correspondence analysis；Northeastern Ordos Basin

X523

A

1000-6923（2015）11-3371-08

2015-04-23

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（12120114056201）

* 責(zé)任作者， 教授， luwx999@163.com

董海彪（1991-），男，山西陽(yáng)泉人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈叵滤|(zhì)模擬與污染治理.