沈陽市淺層地下水污染驅動因子辨析

崔 健，王曉光，馬宏偉，李 霄，劉 強，代雅建，楊 澤

(中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110032)

?

沈陽市淺層地下水污染驅動因子辨析

崔 健，王曉光，馬宏偉，李 霄，劉 強，代雅建，楊 澤

(中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110032)

以野外調查和樣品測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，應用SPSS軟件,對淺層地下水污染因子進行多元回歸分析，構建了污染指數(shù)的多元回歸模型。該模型顯示，在沈陽市研究區(qū)內，三氯甲烷、NH4+、苯并(a)芘、四氯化碳、Pb、NO2-和苯是淺層地下水污染的驅動因子。

驅動因子；淺層地下水；SPSS；沈陽市

SPSS (Statistical Package for the Social Science) 是由美國SPSS公司自20世紀80年代初開發(fā)的大型統(tǒng)計學軟件包[1]，可以方便地規(guī)范和融合搜集到的原始數(shù)據(jù)，并能實施從簡單的描述性統(tǒng)計分析到復雜的時序分析等多種方法，對數(shù)據(jù)進行建模，返回有意義的分析結果，已成為當今世界上最流行、最具有權威性和最受歡迎的統(tǒng)計軟件之一，在我國社會科學、自然科學、經(jīng)濟學、生物學、心理學、醫(yī)療衛(wèi)生、體育、農業(yè)、林業(yè)、商業(yè)、金融等各個領域得到了廣泛應用。

地下水是沈陽市的主要供水水源，占全市供水量的73%以上，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著十分重要的作用。隨著城市規(guī)模逐年擴大，“三廢”排放量不斷增加，加劇了地下水的污染，致使地下水環(huán)境不斷惡化。因此，為了地下水的污染防治和保護，應用SPSS統(tǒng)計軟件探究造成沈陽市淺層地下水污染的驅動因子，是十分必要的。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然條件與經(jīng)濟概況

研究區(qū)行政區(qū)劃主要包括沈陽中心城區(qū)以及于洪區(qū)、東陵區(qū)、蘇家屯區(qū)的部分地區(qū)。該區(qū)域是東北地區(qū)經(jīng)濟、文化與交通中心，是振興東北老工業(yè)基地的龍頭。區(qū)內年平均降水量587.5 mm，平均蒸發(fā)量826.8 mm；人均水資源占有量僅402 m3，不到全國人均水資源占有量的1/5。2008年地下水開采量約為21億 m3，占水資源總量的73.22%。

1.2 區(qū)域水文地質

研究區(qū)位于下遼河平原東北部的渾河新老沖洪積扇上，總趨勢由東北向西南逐漸降低，坡降0.75%，地面高程平均為海拔45～50 m。區(qū)內第四系分布廣泛，除東部丘陵區(qū)外，均為第四系松散堆積物所覆蓋。自東向西隨地形階梯式降落，堆積厚度逐漸加大，顆粒變細，即由圓礫、砂礫、卵石夾薄層砂，逐漸相變成細砂、中砂、粗砂夾粘性土透鏡體、粘土和亞粘土[2]。

研究區(qū)內第四系松散巖類孔隙潛水廣泛分布，主要包括：(1)全新統(tǒng)沖積、沖洪積砂礫石孔隙潛水含水層，分布于渾河高低漫灘區(qū)，巖性為砂礫石、砂卵石，平均厚度20～50 m，地下水位埋深近河地區(qū)5～7 m，市區(qū)多為12～22 m，單位涌水量10.0～30.0 L·s-1m-1。其補給源以渾河滲透、大氣降水與地下徑流為主，該層位地下水是城市供水的主要開采層位；(2)上更新統(tǒng)沖洪積砂礫石孔隙微承壓水含水層，分布于渾河的南、北一級階地，巖性為砂礫石、砂卵石，厚度10～28 m，其水位埋深渾河北岸的東部一般為12.0～16.0 m，西部為8.0～26.0 m；南岸為5.0～9.0 m。單位涌水量10.0～15.0 L·s-1m-1。其補給源以地下徑流和大氣降水為主，灌溉入滲為輔。

2 地下水污染評價

2.1 樣品采集與檢測

在地下水污染調查的基礎上，綜合分析了研究區(qū)水文地質條件、土地利用類型、污染源類型等因素后，以面上控制和局部加密為原則，以每100 km2取10組樣為技術要求(其中地下水樣應占90%以上)，選擇具有代表性、易于取樣操作的井點進行樣品采集工作。

2009年8～10月采集地下水樣品112組，樣點分布見圖1。針對不同的測試指標，樣品采集后立刻加入相關的保護劑，以防止測試元素發(fā)生揮發(fā)、氧化、還原等物理或化學反應。采集水樣密封后按規(guī)范要求及時送到沈陽地質調查中心測試中心分析檢測。檢測項目按照中國地質調查局《地下水污染調查評價規(guī)范》[3]要求，有機項目37項，無機項目33項。

2.2 地下水污染評價

采用搜集的以往資料或數(shù)學公式計算值作為評價指標的背景值，參照《地下水質量標準》(2007年報批稿)[4]，利用地下水污染指數(shù)評價法，對92組樣品(剔除質量控制樣品)的29項有機指標和30項無機指標進行污染評價，得到沈陽市淺層地下水污染評價結果統(tǒng)計表，見表1。

表1 淺層地下水污染評價結果統(tǒng)計表

分析地下水污染評價結果，無一類未污染和二類輕污染水點，大部分是六類極重污染點。除了研究區(qū)地形地貌、水文地質條件等自然因素外，地下水的污染與人類活動密切相關。

3 地下水污染驅動因子分析

對于地下水污染顯著影響因子的確定，經(jīng)常采用檢出率和超標率這兩個統(tǒng)計結果，但檢出率和超標率的多少不能科學、客觀地代表其就是地下水污染的驅動因子。因此，本研究利用SPSS軟件的多元回歸分析功能，通過對樣品測試結果的數(shù)理統(tǒng)計分析，從59種污染因子中篩選出對研究區(qū)淺層地下水污染起決定作用的驅動因子，確定地下水污染回歸分析模型。

3.1 多元回歸分析理論

多元回歸分析(Regression Analysis)是研究單個因變量(y)和多個自變量(x)之間數(shù)量變化規(guī)律，并通過一定的數(shù)學表達式來描述這種關系，進而確定一個或幾個自變量的變化對因變量的影響程度。簡約地講，可以理解為用一種確定的函數(shù)關系去近似代替比較復雜的相關關系。

3.1.1 多元線性回歸數(shù)學模型

假定因變量y與自變量x1，x2，…xm之間存在線性關系，其理論數(shù)學模型如下：

y=β0+β1x1+β2x2+…+βixi+…+βmxm+εj

根據(jù)理論模型，可以建立y對x1，x2，…xmm元線性回歸方程如下：

3.1.2 多元線性回歸基本步驟

多元線性回歸分析基本步驟包括：(1)利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立多元線性回歸預測模型；(2)進行擬合優(yōu)度檢驗和回歸系數(shù)顯著性檢驗；(3)對各個自變量進行t檢驗和F檢驗，剔除不相關變量，建立多元回歸方程；(4)重新建立多元線性回歸模型，再進行檢驗，重復直至回歸模型中沒有不符合邏輯的變量，且所有保留的自變量都對因變量有顯著影響為止。

3.2 多元回歸分析過程及結果分析

根據(jù)多元回歸理論，選擇地下水污染指數(shù)作為因變量，59種無機和有機污染因子作為自變量，92個樣點的測試結果作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，設定SPSS多元回歸分析模塊參數(shù)，得出回歸模型。將不顯著的自變量剔除，最終達到模型中只包含顯著變量且變量間構成最優(yōu)組合。其中，采用Forward(即向前選擇法)變量選擇方法，其基本思路是模型從沒有自變量開始，根據(jù)所設定的參數(shù)，每次將一個最符合條件的變量引入模型，直至所有符合條件的變量都進入模型為止。(基本過程見表2)

表2 自變量進入過程a

a.因變量： 污染指數(shù)

從表2看，按照Forward法，依據(jù)設置的判據(jù)，每次選中一個Sig F值≤0.050的自變量(置信區(qū)間為0.95)，最終的回歸模型中只包含三氯甲烷、NH4+、苯并(a)芘、四氯化碳、Pb、NO2-和苯7個對于地下水污染最為重要的污染因子。

篩選出與因變量污染指數(shù)顯著相關的七個污染因子，還要確定所構建的回歸模型的整體擬合優(yōu)度檢驗。如表3所示，模型摘要表給出逐步回歸的各模型擬合情況，最終模型(模型7)的R方和調整R方統(tǒng)計量都達到0.99以上，說明模型的整體擬合效果很好。Durbin-Watson 統(tǒng)計量距離2(與0、4相比)很近，故可認為殘差序列不存在一階的自相關性。

表3 模型摘要

模型擬合優(yōu)度檢驗之后，分析每個變量系數(shù)的顯著性檢驗和共線性檢驗(見表4)，結果模型中所有變量系數(shù)的t檢驗Sig值都接近或小于0.01，說明這些系數(shù)都顯著不為0，即這些變量對最終模型的貢獻是顯著的。共線性統(tǒng)計量中，7個自變量的膨脹因子(VIF)都小于5，因此模型7中的自變量之間沒有共線性。

表4 模型回歸系數(shù)

經(jīng)過各種檢驗分析，確定最終多元回歸模型為y=-1.159+16.642×三氯甲烷+1.520×氨根+90.619×苯并(a)芘+416.350×四氯化碳+78.122×鉛+10.564×亞硝酸根+0.081×苯。

通過SPSS統(tǒng)計分析方法，從59種污染因子中，篩選得到7個造成沈陽市淺層地下水污染的驅動因子。其中有機污染因子4種，主要屬于鹵代烴類、單環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴；無機污染因子3種，主要屬于三氮類和重金屬類，符合研究區(qū)地下水污染歷史情況和現(xiàn)狀。

4 地下水污染因子來源

從自然條件和歷史資料判斷，人類活動是造成研究區(qū)地下水污染的主要原因。各種廢水的排放、農藥的使用、固體廢物的淋濾等導致地下水遭受嚴重污染。

(1)廢水：沈陽市是東北重工業(yè)龍頭，大量排放的工業(yè)廢水中，含有濃度較高的亞硝酸根離子、銨根離子、鉛離子、COD、揮發(fā)酚及氯代溶劑等，加之，城市冬季雪后在路面拋撒融雪劑(如NaCl和尿素)，使得地表雨水徑流中鈉離子、氯離子和銨根離子的含量升高，勢必造成淺層地下水的污染。

(2)城市固體廢物：包括生活垃圾、工業(yè)垃圾及污水河渠和污水處理廠的污泥等。污水河渠和處理廠的污泥，將產(chǎn)生大量有機質、氨氮等；而工業(yè)垃圾的堆置主要產(chǎn)生重金屬離子，隨著淋濾作用，這些污染因子極易污染淺層地下水。

(3)農藥化肥：此次調查顯示，三氮污染物污染普遍且較嚴重，有機農藥污染程度較輕。

(4)空氣中污染質的沉降：大氣中污染物質的干濕沉降也是地下水污染質的來源之一，如揮發(fā)酚、Pb和苯并(a)芘。研究表明，汽車尾氣仍是大氣中苯并(a)芘的最主要來源。

5 結語

(1)沈陽市淺層地下水污染嚴重，無一類未污染和二類輕污染水點，大部分是六類極重污染點。

(2)應用SPSS軟件的多元回歸分析功能，建立地下水污染回歸分析模型，從59種污染因子中篩選出7個地下水污染驅動因子，包括：三氯甲烷、NH4+、苯并(a)芘、四氯化碳、Pb、NO2-和苯。

(3)分析了地下水污染驅動因子的主要來源，可以為沈陽市地下水保護與污染防治提供科學依據(jù)。

[1]何興江，張信貴，易念平. 基于SPSS的城市區(qū)域地下水變異Factor Analysis過程[J].地質與勘探.2006，42(1)：93-96.

[2]崔健，都基眾，王曉光. 渾河河水及其沿岸地下水污染特征[J].生態(tài)學報.2014，34(7)：1860-1869.

[3]中國地質調查局.地下水污染調查評價規(guī)范[S].2006.

[4]地下水質量標準[S].GB14848-2007.

[5]杜強，賈麗艷. SPSS統(tǒng)計分析從入門到精通[M].人民郵電出版社.2009：150-161.

Distinguish of Driving Factors for Shallow Groundwater Contaminate in Shenyang

CUI Jian，WANG Xiao-guang，MA Hong-wei，LI Xiao，LIU Qiang，DAI Ya-jian，YANG Ze

(Shenyang Geological Survey Center, China Geological Survey, Shenyang 110032, Liaoning)

Supported by field survey and sample test data, the SPSS is applied for multivariate regression analysis and building contaminate index of multiple regression model. The model shows that chloroform, ammonia, benzopyrene, carbon tetrachloride, lead, nitrite and benzene are driving factors that result in shallow groundwater contamination in Shenyang City.

Driving factor；shallow groundwater；SPSS and Shenyang

2016-10-17

中國地質調查局地質大調查項目《東北平原地下水污染調查評價》(1212010913004)資助

崔健(1980-)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，主要從事水文地質、環(huán)境地質和生態(tài)地質方面工作。

X523

B

1004-1184(2016)06-0022-03