王亞杰

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

當(dāng)前，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，生活污水排放、工業(yè)廢水排放使得區(qū)域地下水污染面臨較為復(fù)雜的環(huán)境。區(qū)域地下水污染因子的識(shí)別對(duì)于區(qū)域人水和諧發(fā)展，水生態(tài)環(huán)境綜合治理至關(guān)重要。傳統(tǒng)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要采用單因子進(jìn)行評(píng)價(jià)[1- 5]，但這些方法不能實(shí)現(xiàn)地下水污染因子的動(dòng)態(tài)識(shí)別，不能識(shí)別出區(qū)域地下水污染的主要指標(biāo)。近些年來(lái)，多參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法(FA法)不但可以對(duì)區(qū)域水質(zhì)進(jìn)行定量描述，還可以識(shí)別出水質(zhì)污染的主要因子，在國(guó)內(nèi)許多區(qū)域水污染識(shí)別中得到應(yīng)用[6- 9]，應(yīng)用效果較好。為此文章引入多參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法(FA法)，對(duì)遼寧北部區(qū)域地下水污染物因子進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，研究成果對(duì)于區(qū)域地下水環(huán)境的綜合治理提供參考價(jià)值。

1 地下水污染因子動(dòng)態(tài)識(shí)別方法

多參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)區(qū)域水污染因子動(dòng)態(tài)識(shí)別主要通過(guò)分析不同影響要素之間的關(guān)系，尋找主要因素，并對(duì)非次要因素進(jìn)行信息排除。該方法首先建立影響因子fi和變量之間的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型方程為：

(1)

式中，aij—第i變量和第j影響因子之間的線性關(guān)系；εi—特殊因子。在具體計(jì)算時(shí)，需要對(duì)各污染指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化方程為：

(2)

式中，x—水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)值；xi—第i個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算結(jié)果；xm—xi的均值；σ—標(biāo)準(zhǔn)方程值。在標(biāo)準(zhǔn)化后需要對(duì)變量進(jìn)行相關(guān)度的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方程為：

(3)

式中，rij—xi和xj之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)；pij—xi和xj之間的偏相關(guān)系數(shù)。在數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行計(jì)算因子的分析，計(jì)算因子的方程為：

(4)

式中，bij—第i變量和第j影響因子之間的線性關(guān)系；fi—各變量的計(jì)算因子。在各計(jì)算因子確定后，對(duì)各計(jì)算因子進(jìn)行累加綜合，綜合方程為：

(5)

式中，F(xiàn)—綜合計(jì)算因子；Fi—第i個(gè)計(jì)算因子；m—計(jì)算提取的因子個(gè)數(shù)；wi—計(jì)算權(quán)重。因子權(quán)重的計(jì)算方程為：

(6)

式中，λi—第i個(gè)因子的計(jì)算特征根。

2 地下水污染因子動(dòng)態(tài)識(shí)別結(jié)果

2.1 區(qū)域地下水化學(xué)概況

文章以遼寧北部區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，區(qū)域地下水資源量較為豐富，地下水資源量占區(qū)域總水資源量的60%～70%，但近些年來(lái)受到工業(yè)污水以及生活污水排放的影響，區(qū)域地下水環(huán)境遭到一定程度的影響。文章結(jié)合區(qū)域內(nèi)5個(gè)地下水觀測(cè)18種水化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，應(yīng)用多參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)區(qū)域地下水污染因子進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別。

表1 區(qū)域地下水水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 各因子標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算結(jié)果

文章首先對(duì)各指標(biāo)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，各觀測(cè)井指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3 各因子方差貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果

在各因子標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算后，對(duì)各計(jì)算因子進(jìn)行了方差貢獻(xiàn)率的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，并繪制各因子特征值以及方差貢獻(xiàn)率的變化，結(jié)果如圖1所示。

表2 各觀測(cè)井指標(biāo)因子標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

表3 各因子總方差貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果

圖1 各計(jì)算因子特征值及方差貢獻(xiàn)率變化

經(jīng)過(guò)對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行KOM數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，各計(jì)算數(shù)據(jù)的KOM數(shù)據(jù)檢驗(yàn)值為0.59，各計(jì)算因子之間具有一定的關(guān)聯(lián)，可以用來(lái)識(shí)別主要影響因子。從表3中可以看出，各計(jì)算因子的特征值在1.55～11.45之間，可提取特征值大于1的計(jì)算因子為18個(gè)；硝酸鹽、氨氮的方差貢獻(xiàn)率最大，其方差貢獻(xiàn)率達(dá)到48.51%和43.67%，其次為氟化物以及碘化物，其方差貢獻(xiàn)率分別達(dá)到33.78%和31.56%，區(qū)域地下水中重金屬的方差貢獻(xiàn)率較小，對(duì)地下水污染影響較小。從圖1中可以看出，各計(jì)算因子的特征值變化較為散亂，和計(jì)算因子相關(guān)性較弱，而從方差貢獻(xiàn)率的變化可以看出，方差貢獻(xiàn)率較大的主要集中在“三氮”，而重金屬類的方差貢獻(xiàn)率較低。

2.4 區(qū)域地下水污染源解析

在各計(jì)算因子方差貢獻(xiàn)率和特征值確定的基礎(chǔ)上，對(duì)各化學(xué)指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)荷載矩陣進(jìn)行計(jì)算，確定了不同公因子的綜合計(jì)算值，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各因子旋轉(zhuǎn)荷載矩陣計(jì)算結(jié)果

從表4中可以看出F1主要以地下水位運(yùn)移為載體，因此其水質(zhì)指標(biāo)主要受地下水遷移而富集，主要為可溶解性的硝酸鹽類，這一部分主要是受到工業(yè)污水以及農(nóng)業(yè)用水排放造成的污染物富集。F2主要表示為地下水中的有機(jī)質(zhì)，該部分污染物主要受人類活動(dòng)影響，受城市化生活污水排放影響。F3主要表征為硝酸鹽和亞硝酸鹽，該部分含量較高的主要原因是受到農(nóng)業(yè)耕種方式的影響所致。區(qū)域農(nóng)業(yè)化肥的使用造成較多地下水中硝酸鹽和亞硝酸鹽的增多。F4和F5主要表征為重金屬影響，該部分地下水污染影響較小，這主要是因?yàn)檫|寧北部區(qū)域重工業(yè)較少，因此工業(yè)排放污水中重金屬含量也較少，從其方差貢獻(xiàn)率也可看出，各重金屬類方差貢獻(xiàn)率在1.85%～3.33%之間?？梢?jiàn)工業(yè)排放污水中重金屬污染源對(duì)遼寧北部區(qū)域水污染影響較小。從共同度可以看出，遼寧北部區(qū)域污水中總硬度和氯化物的共同度最大，分別為0.95和0.97，而生活污水排放是區(qū)域淺層地下水污染主要來(lái)源，而工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)滲透污水則是區(qū)域深層地下水污染的主要來(lái)源。

3 結(jié)論

結(jié)合多參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法(FA法)對(duì)遼寧北部區(qū)域地下水污染因子進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，并對(duì)主要污染源進(jìn)行了解析，研究取得以下結(jié)論：

(1)遼寧北部區(qū)域地下水污染主要因子為氨氮和硝酸鹽，重金屬對(duì)地下水污染影響較低，區(qū)域地下水總體硬度較低。

(2)生活污水排放是遼寧北部區(qū)域地下水淺層地下水污染主要來(lái)源，而工業(yè)污水和農(nóng)業(yè)污水則是區(qū)域深層地下水污染主要來(lái)源，應(yīng)進(jìn)行較大區(qū)域污水處理，從而對(duì)區(qū)域地下水進(jìn)行有效的水環(huán)境保護(hù)。

[1] 富天乙, 鄒志紅, 王曉靜. 基于多元統(tǒng)計(jì)和水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的遼陽(yáng)太子河水質(zhì)評(píng)價(jià)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(02): 473- 480.

[2] 盧莉莉. 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在涑水河水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017, 25(01): 142- 145.

[3] 李祚泳, 張正健. 基于回歸支持向量機(jī)的指標(biāo)規(guī)范值的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013, 33(08): 1502- 1508.

[4] 王巍巍. 錦州市地下水水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)研究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2016, 24(05): 59- 62.

[5] 余勛, 梁婕, 曾光明, 等. 基于三角模糊數(shù)的貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)模型[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(03): 904- 909.

[6] 楊帆, 鄭國(guó)臣, 稅勇, 等. 嫩江重要省界緩沖區(qū)水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)法研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2017(11): 75- 77, 131.

[7] 霍鳳嵐, 阿茹娜, 張茜, 等. 河北省某礦區(qū)地下水污染因子識(shí)別及成因分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2015, 10(01): 1- 6.

[8] 朱琳, 王雅南, 宋永會(huì), 等. 武水河水質(zhì)時(shí)空分布特征及污染成因的解析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 32(01): 1- 10.

[9] 郭濤, 陳海洋, 滕彥國(guó), 等. 東北典型農(nóng)產(chǎn)區(qū)流域地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)與污染源識(shí)別[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 53(03): 316- 322.

[10] 張艷艷. 浙滬三湖富營(yíng)養(yǎng)化特征分析及其影響因子識(shí)別研究[D]. 華東師范大學(xué), 2016.