遼西淺層地下水污染因子識(shí)別及污染源分析

孫 陽(yáng)

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

遼西地區(qū)為遼寧省水資源較為短缺的區(qū)域，區(qū)域地表水量較少，淺層地下水是其生活和工農(nóng)業(yè)用水的主要來(lái)源[1]。但由于長(zhǎng)期開采淺層地下水，區(qū)域地下水位下降較為明顯，導(dǎo)致許多區(qū)域出現(xiàn)地下水沉降漏斗，使得淺層地下水污染物逐年增加。孔瑾[2]結(jié)合錦州地區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域地下水現(xiàn)狀進(jìn)行分析，區(qū)域地下水長(zhǎng)期處于V類水質(zhì)，超標(biāo)水質(zhì)濃度有所下降，由于常年滲漏，形成一定重金屬污染帶。王巍巍[3]結(jié)合水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)對(duì)錦州地區(qū)地下水演變進(jìn)行分析，分析表明錦州南部地區(qū)地下水水質(zhì)狀況低于北部地區(qū)，但均呈現(xiàn)一定程度的惡化趨勢(shì)，需要加強(qiáng)區(qū)域地下水環(huán)境治理，從而保障區(qū)域的地下水安全。白峰青[4]對(duì)錦州地區(qū)受檢的19項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，其中有8項(xiàng)指標(biāo)存在超標(biāo)情況，地下水質(zhì)有所惡化。以上研究均表明錦州地區(qū)近些年來(lái)地下水水質(zhì)狀況有所惡化，但污染源還未探究，需要對(duì)其污染因子及污染源進(jìn)行識(shí)別，從而制定相對(duì)應(yīng)的水環(huán)境保護(hù)和治理措施。當(dāng)前，對(duì)于水質(zhì)污染因子及污染源識(shí)別的研究發(fā)展較快，取得了一定成果[5-9]，這其中梅羅綜合指數(shù)通過(guò)分析不同污染因子的方差貢獻(xiàn)率，對(duì)其主要污染因子進(jìn)行識(shí)別，在污染因子識(shí)別的基礎(chǔ)上對(duì)其污染源進(jìn)行定量解析，該綜合指數(shù)在國(guó)內(nèi)一些地下水開采量較大的區(qū)域得到應(yīng)用[10-15]，通過(guò)實(shí)地調(diào)研驗(yàn)證，分析成果和實(shí)際情況吻合度較高。但傳統(tǒng)梅羅綜合指數(shù)偏重于工業(yè)區(qū)污染，因此對(duì)工業(yè)重金屬指標(biāo)權(quán)重設(shè)置較高，而對(duì)于非工業(yè)區(qū)而言，生活污水以及農(nóng)業(yè)面源污染指標(biāo)較多，因此需要對(duì)其指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行改進(jìn)，從而更符合區(qū)域地下水影響的實(shí)際情況。為此本文基于錦州地區(qū)18個(gè)地下水采樣點(diǎn)氨氮等18項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合改進(jìn)的梅羅綜合指數(shù)，對(duì)錦州地區(qū)淺層地下水污染因子以及污染源進(jìn)行識(shí)別，研究成果對(duì)于錦州地區(qū)地下水環(huán)境和生態(tài)修復(fù)具有重要參考價(jià)值。

1 改進(jìn)的梅羅綜合指數(shù)方法

梅羅綜合指數(shù)方法主要對(duì)水質(zhì)污染指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，通過(guò)識(shí)別主要因子，對(duì)其他非主要因子進(jìn)行篩除，并建立不同水質(zhì)污染指標(biāo)和污染程度之間的相關(guān)方程：

(1)

式中，aij—不同因子之間的回歸系數(shù)；εi—變量系數(shù)。

在具體計(jì)算時(shí)，首先需要對(duì)各因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(2)

式中，Zi—第i地下水采樣點(diǎn)的水污染指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理值，mg/L；xi—水污染指標(biāo)濃度，mg/L；xm—不同標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，mg/L；σ—不同指標(biāo)之間的方差標(biāo)準(zhǔn)值。

在各水污染指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理后對(duì)其關(guān)聯(lián)度進(jìn)行檢驗(yàn)：

(3)

式中，rij—不同水污染指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度；pij—不同水污染指標(biāo)的偏相關(guān)系數(shù)。

在關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)各變量方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中，bij—不同水污染因子之間的線性相關(guān)度；fi—不同水污染因子計(jì)算的方差貢獻(xiàn)率，%。

在各污染因子方差貢獻(xiàn)率計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)其綜合累加方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中，F(xiàn)—綜合方差貢獻(xiàn)率，%；Fi—單一水污染因子的方差貢獻(xiàn)率，%；m—計(jì)算的指標(biāo)個(gè)數(shù)；Wi—不同指標(biāo)權(quán)重，傳統(tǒng)梅羅綜合指數(shù)指標(biāo)權(quán)重存在主觀性，為此本文對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，引入權(quán)重計(jì)算方程對(duì)各污染指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中，λi—不同污染指標(biāo)的計(jì)算特征值。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 區(qū)域地下水質(zhì)現(xiàn)狀

本文以遼西的錦州地區(qū)為具體實(shí)例，錦州地區(qū)淺層地下水埋深一般在25～75m之間，地下水年開采總量多年均值為4.2×105m3/d。隨著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活需水量逐年增加，對(duì)區(qū)域地下水需求量也逐步增多。通過(guò)對(duì)錦州地區(qū)各地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，區(qū)域地下水硬度在105～600mg/L之間，平均硬度值為335mg/L。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值在5.4～7.3之間，總體處于偏弱堿性。固體溶解物的濃度在160～1000mg/L之間，地下水固體溶解物的濃度均值為330mg/L。結(jié)合區(qū)域內(nèi)18個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)氨氮等18項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)其各污染指標(biāo)進(jìn)行了區(qū)間統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。

表1 錦州地區(qū)各地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同污染指標(biāo)值樣本統(tǒng)計(jì)區(qū)間

2.2 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

考慮到不同水污染指標(biāo)對(duì)地下水環(huán)境影響程度不同，需要對(duì)各污染指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理結(jié)果見表2。

表2 錦州地區(qū)不同地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果 單位：ug/L

對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，是消除各指標(biāo)之間的影響度的重要方式，從各地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果可看出，硝酸鹽、重金屬指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理值較高，其對(duì)區(qū)域地下水質(zhì)影響程度較高，也是近年來(lái)錦州地區(qū)水質(zhì)主要超標(biāo)的指標(biāo)。

2.3 污染因子識(shí)別結(jié)果

在對(duì)18項(xiàng)主要污染指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析后，采用改進(jìn)的梅羅綜合指數(shù)對(duì)錦州地區(qū)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染因子的方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量計(jì)算，通過(guò)方差貢獻(xiàn)率大小對(duì)其主要污染因子進(jìn)行識(shí)別，方差貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 錦州地區(qū)地下水各水質(zhì)指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率分析結(jié)果

在進(jìn)行各水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率分析前，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，各水質(zhì)指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)度，因此可用來(lái)作為方差貢獻(xiàn)率分析的數(shù)據(jù)樣本。從各指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率分析結(jié)果可看出，硝酸鹽在各指標(biāo)中方差貢獻(xiàn)率最大，為49.30%，是區(qū)域淺層地下水主要的污染因子。其次為氨氮，其方差貢獻(xiàn)率為43.66%。各項(xiàng)重金屬指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率均低于10%，屬于非主要因子，這主要是因?yàn)殄\州地區(qū)重工業(yè)相對(duì)較少，主要以農(nóng)業(yè)為主，因此其工業(yè)廢水排放中的重金屬濃度相對(duì)較低。作為各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的特征值，其大小決定了指標(biāo)權(quán)重的高低，分析時(shí)主要采用對(duì)數(shù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析，將各水質(zhì)指標(biāo)作為橫向坐標(biāo)，其濃度值作為縱向指標(biāo)，以75%概率作為指標(biāo)概率區(qū)間，概率區(qū)間峰值為上端，低谷為下端，當(dāng)各指標(biāo)濃度均值接近上端，則認(rèn)為其濃度分布滿足正態(tài)分布變化，此時(shí)濃度為指標(biāo)的特征值，指標(biāo)特征值越大，其影響權(quán)重越高，則其方差貢獻(xiàn)率也越大。通過(guò)此方法可以改進(jìn)傳統(tǒng)梅羅綜合指數(shù)指標(biāo)權(quán)重設(shè)定主觀性的問(wèn)題，提高因子識(shí)別的客觀度。

2.4 污染源類型空間解析

為了對(duì)錦州地區(qū)地下水污染的來(lái)源及類型進(jìn)行解析，結(jié)合正交旋轉(zhuǎn)方法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)荷載的計(jì)算[16]，結(jié)果見表4，并在各因子荷載中選擇5個(gè)關(guān)聯(lián)度較高的公因子進(jìn)行空間插值分析，分析結(jié)果如圖1所示。

表4 錦州地區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)旋轉(zhuǎn)荷載分析結(jié)果

圖1 錦州地區(qū)污染公因子空間插值結(jié)果

選擇高于0.5的荷載因子作為主要關(guān)聯(lián)指標(biāo)的公因子，從分析結(jié)果可看出公因子F1的貢獻(xiàn)比為48.5%，其主要關(guān)聯(lián)指標(biāo)分別為硝酸鹽和氨氮指標(biāo)，錦州地區(qū)地下水富集程度較高的區(qū)域硝酸鹽巖層的透水能力較高，地下水通過(guò)大氣降水得到有效補(bǔ)給，地下徑流能較大程度的促使巖層硝酸鹽等化合物進(jìn)行交替形成，使得含水層內(nèi)的氨氮等濃度也相應(yīng)增加，此外農(nóng)業(yè)面源以及生活污水排放也使得這類污染物的濃度增加明顯。公因子F2的貢獻(xiàn)比為12.35%，該公因子主要關(guān)聯(lián)的指標(biāo)為重金屬，屬于工業(yè)廢水排放主要來(lái)源類型，錦州地區(qū)地下水中重金屬指標(biāo)具有一定的同源性，從其公因子空間插值分布結(jié)果可看出，因子得分值高于1.0的區(qū)域主要分布在錦州的西南部，通過(guò)實(shí)地調(diào)查，該區(qū)域主要為錦州地區(qū)的礦山及工業(yè)園區(qū)，由于大氣降水以及地下水運(yùn)移共同作用，使得工業(yè)廢水和礦山排水中重金屬濃度相對(duì)較高，砷和鎘主要來(lái)源于礦山排水污染。公因子F3的貢獻(xiàn)比為10.25%，其主要關(guān)聯(lián)指標(biāo)為COD，淺層地下水COD的主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)面源、養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)以及生活污水排放，從其公因子F3空間插值結(jié)果可看出，其因子得分值0.4的區(qū)域主要為與錦州地區(qū)的中部，這一區(qū)域主要集中居民生活區(qū)、以及禽畜養(yǎng)殖區(qū)，生活污水和農(nóng)村生活垃圾受雨水沖刷對(duì)地下水產(chǎn)生不同程度的污染影響。公因子F4和F5的貢獻(xiàn)比分別為9.42%和8.49%，這兩個(gè)公因子的關(guān)聯(lián)指標(biāo)具有一定的相似性，主要為氨氮、硝酸鹽，其主要來(lái)源為生活污水，通過(guò)其空間插值分析，其主要集中在居民生活區(qū)。通過(guò)綜合公因子分析可看出，錦州地區(qū)淺層地下水污染的類型呈現(xiàn)多源特征，生活污水、農(nóng)業(yè)面源、礦山排水以及工業(yè)廢水組合而成，其中46.5%的淺層地下水污染主要來(lái)源于生活污水的排放，37.5%的來(lái)源于農(nóng)業(yè)面源及禽畜養(yǎng)殖，16.0%來(lái)自于工業(yè)廢水及礦山排水。綜合公因子分布圖中，分值越高的區(qū)域，污染程度越大，從其空間解析可看出，污染較大的區(qū)域主要位于南部，北部污染度較低。

3 結(jié)論

(1)采用改進(jìn)的梅羅綜合指數(shù)時(shí)，各指標(biāo)特征值可通過(guò)制定指標(biāo)濃度概率分布曲線獲得，以75%作為指標(biāo)濃度概率上限，其濃度概率接近上限值時(shí)，對(duì)應(yīng)濃度為指標(biāo)的特征值。

(2)建議加大對(duì)錦州中南部生活污水及部農(nóng)業(yè)面源污染的控制，將中南部劃定為重點(diǎn)治理區(qū)，北部劃定為保護(hù)區(qū)，加強(qiáng)污水處理以及生態(tài)化肥的推廣，強(qiáng)化地下水回灌力度，恢復(fù)漏斗區(qū)水位，降低滲漏影響。

(3)由于缺少海侵相關(guān)數(shù)據(jù)，未能分析地下水氯離子指標(biāo)變化，在后續(xù)研究中還需重點(diǎn)關(guān)注海侵對(duì)錦州地下水質(zhì)的影響。