林斯杰，齊永強(qiáng)，楊夢曦，楊 慶，楊夢凡, 劉 毅，胡 清*

1.南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 深圳 518055 2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100091 3.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，北京 100195 4.北京環(huán)丁環(huán)保大數(shù)據(jù)研究院，北京 100083

地下水是北京市的重要供水水源，平谷區(qū)又是北京市的重要應(yīng)急水源地. 隨著平谷區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人口增長，區(qū)域地下水水質(zhì)呈惡化趨勢[1]. 地下水具有自凈能力弱、補(bǔ)給交互慢、污染隱蔽性強(qiáng)、難以逆轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，一旦污染將會(huì)給人類帶來巨大危害. 因此，開展平谷區(qū)地下水污染源及污染特征研究，對及時(shí)控制污染源、采取針對性管控措施、保障北京應(yīng)急水源地安全具有重要意義. 然而，目前對平谷區(qū)地下水的研究多集中在水位變化分析[2-4]、水化學(xué)特征分析[5]和水質(zhì)評價(jià)[6]等方面，較少研究對平谷區(qū)地下水污染來源進(jìn)行系統(tǒng)分析.

國內(nèi)外學(xué)者采用多種方式對地下水污染溯源進(jìn)行了研究，總體上可以分為模型法、實(shí)測法和統(tǒng)計(jì)法[7]. 模型法是根據(jù)含水層中實(shí)測污染物濃度，通過數(shù)值-機(jī)理模型反求污染源時(shí)間及空間分布[8]，或是由響應(yīng)結(jié)果推求模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行時(shí)間反演計(jì)算[9-10]. 實(shí)測法多采用氮、氧、碳等同位素作為示蹤劑，基于化學(xué)質(zhì)量平衡和多元統(tǒng)計(jì)分析測算示蹤劑的時(shí)空分布，進(jìn)而推算污染物來源[11-13]. 統(tǒng)計(jì)法建立在水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，依靠圖論[14]、相關(guān)性分析[15]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[16]、模糊數(shù)學(xué)法[17]、PCA (主成分分析法)[18-19]、結(jié)合GIS圖像識別污染源[20-22]、回歸分析方法[1]等對污染物進(jìn)行分析. 這些方法雖然可以表征和識別污染指標(biāo)的污染來源，但分析維度較為單一，未能體現(xiàn)指標(biāo)間關(guān)聯(lián)性，不能很好地反映污染物空間分布和來源特征.

SOM (Self-Organizing Map，自組織映射)是通過神經(jīng)元間的競爭學(xué)習(xí)將相似的數(shù)據(jù)映射到相鄰位置并保持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的一種方法. 由于這種聚類過程是數(shù)據(jù)的全部維度映射，SOM本身具有多維數(shù)據(jù)融合的屬性. 相較PCA (主成分分析法)，SOM通過對輸入模式的反復(fù)學(xué)習(xí)，使權(quán)重向量空間能反映輸入模式的統(tǒng)計(jì)特征. 該方法被應(yīng)用于地下水污染評價(jià)和污染源溯源，其分析效果直觀、結(jié)果較好[23-27]. 然而，SOM在訓(xùn)練前需要預(yù)先定義神經(jīng)元的映射結(jié)構(gòu)和映射大小，同時(shí)對結(jié)果的解讀依賴于神經(jīng)元激活強(qiáng)度特征圖譜的目視比較，相比PCA無法進(jìn)行定量分析[28]. 而PCA無法對主要因子之外的污染指標(biāo)進(jìn)行解釋，因此將PCA和SOM兩種方法相結(jié)合(簡稱“PCA-SOM法”)既能解釋主要因子涉及的污染指標(biāo)關(guān)聯(lián)性，又能對所有污染指標(biāo)來源進(jìn)行解釋.

該研究采用PCA-SOM法，通過PCA對研究區(qū)域地下水主要污染因子進(jìn)行同源性分析，利用監(jiān)測指標(biāo)在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)上映射特征圖像對污染物的相關(guān)性進(jìn)行分析，對平谷區(qū)地下水污染物來源及污染特征進(jìn)行解析，以期為平谷區(qū)開展地下水污染防治工作提供參考依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取北京市平谷區(qū)為研究區(qū)域. 平谷區(qū)位于39°30′N～40°30′N、115°45′E～117°10′E，其北、東、南三面環(huán)山，西南開口與華北平原相連接. 區(qū)內(nèi)海拔由東北部的85 m向西南部逐漸降至20 m，坡降為1.8‰～2.3‰. 平谷區(qū)是北京市暴雨中心地區(qū)之一，據(jù)平谷區(qū)國家氣象觀測中心1959—2018年觀測資料顯示，多年平均降水量約635.5 mm. 降水量具有時(shí)間、空間分布不均勻的特征，其主要集中在5—10月，占全年降水量的80%以上.

平谷區(qū)是典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，近年來形成種植業(yè)穩(wěn)步發(fā)展、林業(yè)小幅下降、牧漁業(yè)主動(dòng)調(diào)減的發(fā)展格局；同時(shí)，平谷區(qū)也零星分布有工業(yè)園、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)、生活垃圾填埋場等潛在風(fēng)險(xiǎn)源. 平谷區(qū)內(nèi)尚存有2個(gè)規(guī)模較大的集中式地下水飲用水水源地，主要地下水資源以第四系松散堆積物中孔隙水為主[29].

1.2 數(shù)據(jù)來源

注：極富水區(qū)，巖性為卵石含漂石； 富水區(qū)，巖性為礫卵石； 中等富水區(qū)，巖性為卵礫石夾粗砂； 弱富水區(qū)，巖性為砂、卵石夾中粗砂； 極弱富水區(qū)，巖性為粗中砂夾卵礫石.圖1 平谷區(qū)淺層地下水污染監(jiān)測井位置和巖層富水性分布[6]Fig.1 Location of shallow groundwater pollution monitoring wells and water abundance of rock stratum in Pinggu District[6]

研究區(qū)內(nèi)共計(jì)33眼淺層地下水污染監(jiān)測專井[6](見圖1)，監(jiān)測年份為2010—2018年，采樣時(shí)間分別為每年的3月、6月、9月和12月. 水質(zhì)采樣方式為人工采集水樣，檢測指標(biāo)為32項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，分別為ρ(Al)、總堿度、ρ(As)、ρ(Ca2+)、ρ(Cd)、ρ(Cl-)、ρ(CN)(CN為氰化物)、ρ(CO2)、ρ(CO32-)、ρ(Cr6+)、EC(電導(dǎo)率)、ρ(Cu)、ρ(F-)、ρ〔Fe(Ⅱ)〕、ρ〔Fe(Ⅲ)〕、總硬度、ρ(HCO3-)、ρ(Hg)、ρ(K+)、ρ(Mg2+)、ρ(Mn)、ρ(Na+)、ρ(NH4+)、ρ(NO2)、ρ(NO3-)、ρ(DO)、pH、ρ(Se)、ρ(SO42-)、ρ(TDS)(TDS為溶解性總固體)、ρ(VP)(VP為揮發(fā)酚)、ρ(Zn). 分析指標(biāo)依照GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[30]要求執(zhí)行.

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

使用基于MATLAB開發(fā)的地下水污染預(yù)警工具包——GasHD 1.0軟件,其內(nèi)置的SOM算法針對全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊. 使用SPSS 22.0軟件自帶的PCA分析工具進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析. 采用Pearson檢驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)性分析，p<0.05作為變量間有顯著相關(guān)性的判據(jù). 采用回歸法作為主因子分析中提取主因子后的旋轉(zhuǎn)方法，并對提取的各主因子意義進(jìn)行分析. 在GasHD 1.0軟件中使用SOM映射全部維度數(shù)據(jù)并進(jìn)行聚類分析，結(jié)合區(qū)域地表人為活動(dòng)情況、區(qū)域水文地質(zhì)情況分析污染物來源和空間分布特征. SOM聚類數(shù)量指標(biāo)通過平谷區(qū)水文地質(zhì)條件劃分和聚類站點(diǎn)映射圖得到.

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水監(jiān)測指標(biāo)類型及統(tǒng)計(jì)特征

平谷區(qū)地下水化學(xué)成分如表1所示. 平谷區(qū)淺層地下水水質(zhì)狀況較好，pH范圍為7.0～8.3，整體呈弱堿性，部分區(qū)域地下水水質(zhì)超過GBT 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[30]Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，僅適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，不可直接作為生活飲用水. 與2018年相比，2011年枯、豐水期陽離子濃度平均值變化較小，呈小幅波狀起伏；豐水期ρ(Na+)、ρ(K+)最高值均有上升，ρ(Ca2+)、ρ(Mg2+)均呈下降趨勢. 由表1可見，ρ(NH4+)、ρ(SO42-)、ρ(Cd)、ρ〔Fe(Ⅱ)〕、ρ(NO2)變異系數(shù)較大，分別為3.402、2.967、5.021、2.700和5.836，5個(gè)指標(biāo)空間分布離散性和差異性較大，存在局部富集現(xiàn)象.

對監(jiān)測指標(biāo)間進(jìn)行Pearson檢驗(yàn)表明，地下水所有化學(xué)元素中EC與ρ(Ca2+)(p=0.936)、總堿度與ρ(HCO32-)(p=0.981)、ρ(Mg2+)與總硬度(p=0.944)指標(biāo)之間呈顯著相關(guān)，表明平谷區(qū)地下水水化學(xué)類型主要以HCO3-Ca型為主，其次為HCO3-Mg型. 姜體勝等[5]通過Piper三線圖、Schoeller圖、Gibbs圖、離子比率圖等方法得出了相同結(jié)論. 由表1可見，ρ(Ca2+)、ρ(Mg2+)、ρ(HCO3-)的變異系數(shù)較小. 由于平谷區(qū)地下水系統(tǒng)圍巖巖性以奧陶系白云巖為主，白云巖主要以Ca、Mg元素為主，因此平谷地區(qū)地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-為自然起源.

2.2 污染源解析

剔除數(shù)據(jù)分布不呈正態(tài)分布的指標(biāo)后還剩29個(gè)指標(biāo). 采用KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)對研究區(qū)域地下水剩余的29個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)矩陣檢驗(yàn)(見表2)，其中KMO值為0.685，接近0.7，適合進(jìn)行因子分析；Bartlett球形檢驗(yàn)P值接近于0，滿足P<0.05的置信度，表明各變量之間具有較高的相關(guān)性. 該研究共提取8個(gè)公因子，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率約71.550%，能反映29項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)的信息.

表1 平谷區(qū)地下水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)表

注：加粗體為變異系數(shù)大于2的指標(biāo).

為了對公因子典型指標(biāo)進(jìn)行更好的解釋，使用凱撒正態(tài)化最大方差法將荷載因子矩陣進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)(見表3). 針對公因子中高得分和包含污染物指標(biāo)的公因子進(jìn)行分析. 公因子F1主要包括ρ(Ca2+)、ρ(Mg2+)、ρ(SO42-)、ρ(TDS)、總硬度和EC六項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo). 從地質(zhì)構(gòu)造角度考慮，平谷區(qū)第四系松散層孔隙水主要儲(chǔ)存在沖洪積作用形成的含水層中，這些分布區(qū)域的地下水徑流條件相對較好，含鈣、鎂化合物的巖層與地下水交互作用明顯；同時(shí)，地下水在流經(jīng)硫酸鹽沉積物時(shí)發(fā)生溶濾過程，使得SO42-普遍存在，因此公因子F1代表了溶濾-富集作用.

公因子F2主要包括ρ(Na+)、ρ(NH4+)、ρ(Cl-)、ρ(Mn)和ρ(NO2)五項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo). 由于平谷區(qū)農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)密集程度較高，生產(chǎn)活動(dòng)過程中含氮化肥、含氯農(nóng)藥和養(yǎng)殖廢水下滲造成污染，因此Na+、Cl-、NH4+和NO2反映了地表農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)對地下水的影響. Mn指標(biāo)受區(qū)域成土母質(zhì)、土壤類型和人為活動(dòng)影響較大[5]，但研究區(qū)內(nèi)Mn主要分布在平谷區(qū)平原區(qū)西南部的前芮營垃圾填埋場以及平谷區(qū)東鹿角，并且向四周擴(kuò)散，呈現(xiàn)出人為活動(dòng)的表征. 因此，公因子F2代表了人為活動(dòng)影響中的農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和填埋場等人為活動(dòng)產(chǎn)生的污染作用.

公因子F3主要包括的指標(biāo)為ρ(CO2). 從水文地質(zhì)化學(xué)上來看，淺層地下水中CO2可能來自大氣降水滲透、地下微生物呼吸作用，以及含水層碳酸鹽巖水文化學(xué)作用，但該研究中CO2的來源還需要結(jié)合SOM結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析.

表2 主要因子的特征值和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率

表3 旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣

注：加粗體為荷載因子矩陣進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)后得分較高的指標(biāo).

圖2 主要監(jiān)測指標(biāo)映射到SOM上的特征圖譜Fig.2 Result of main components in SOM picture

圖3 監(jiān)測井映射到SOM上的特征圖譜Fig.3 SOM pictures of all wells

公因子F4主要包括的指標(biāo)為ρ(HCO3-)、ρ(F-)和ρ(As)，As主要集中分布在研究區(qū)西部的馬昌營薄各莊村和柏店村，ρ(As)最高值為0.183 mg/L；F-的分布地點(diǎn)主要有研究區(qū)南西方向的馬坊鎮(zhèn)、馬昌營薄各莊村以及前芮營村泃河附近，ρ(F-)整體上呈西部平原區(qū)大于東部近山區(qū)的特征，其最高值達(dá)4.60 mg/L，表明泃河可能已經(jīng)遭受F-污染. 因此，公因子F4代表了人為活動(dòng)影響中的工業(yè)污染作用.

公因子F5主要包括的指標(biāo)為ρ〔Fe(Ⅱ)〕和濁度，表明濁度與Fe(Ⅱ)密切相關(guān)，反映了濁度主要來自Fe(Ⅱ). 公因子F6主要包括的指標(biāo)為ρ〔Fe(Ⅲ)〕，反映了鐵元素在水文地質(zhì)化學(xué)中的變化情況. 公因子F7主要包括的指標(biāo)為ρ(VP)，其主要存在于平谷區(qū)中心城區(qū)，表明人為活動(dòng)中的工業(yè)源或生活源污染作用. 公因子F8主要包括的指標(biāo)為ρ(Hg)，反映垃圾填埋場影響地下水質(zhì)量.

2.3 污染物空間分布

圖4 研究區(qū)域NH4+、NO3-和NO2污染物空間分布Fig.4 Spatial distribution of NH4+, NO3- and NO2 pollutants in the study area

通過SOM將全部指標(biāo)以及監(jiān)測井聚類結(jié)果映射到神經(jīng)元上，根據(jù)神經(jīng)元形成的特征圖像比對指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性(見圖2、3). 根據(jù)平谷區(qū)的水文地質(zhì)情況映射到3個(gè)維度，分別代表了平谷區(qū)山前地帶、過渡地帶和平原地帶[6]. 將特征圖像以圖片正中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系分析，神經(jīng)元激活位置一致則說明指標(biāo)正相關(guān)，反之則說明指標(biāo)負(fù)相關(guān). 由圖2、3可見：①Na+響應(yīng)區(qū)域位于第四象限，并且與平原地帶特征圖像吻合，表明了平原地帶人為活動(dòng)的影響；NH4+響應(yīng)區(qū)域位于第三、四象限交界處，反映了NH4+兼受山前地帶林業(yè)、種植業(yè)以及平原地帶農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)的雙重影響；CO2分布與山前地帶監(jiān)測井特征圖譜相似，均位于第二、第三象限，說明由于山前地帶多為極弱富水區(qū)或弱富水區(qū)，降水過程中下滲極快，CO2組分不易逸失，據(jù)此判斷PCA中的公因子F3代表了雨水下滲作用. ②NH4+、NO2、NO3-的響應(yīng)區(qū)域分別位于不同象限，反映了3種污染物的空間分布特征不同，來源不一致. 平谷盆地山前地帶含水層結(jié)構(gòu)較為單一，以粗中砂夾卵礫石，砂、卵石夾中粗砂為主，而第四系沉積物主要分布在沖洪積平原，沉積厚度從數(shù)米至數(shù)百米不等，巖性為卵礫石夾粗砂. 在此條件下，NH4+作為陽離子較容易與土壤中陽離子發(fā)生交換，從而導(dǎo)致山前地帶NH4+濃度低于平原地帶；同時(shí)，山前地帶水文地質(zhì)條件也提供了良好的氧化氛圍，影響了NO3-的分布(見圖4). 從NH4+、NO2、NO3-三者的特征圖譜響應(yīng)強(qiáng)度來看，NO3-遠(yuǎn)超出NH4+和NO2，揭示NO3-污染可能是歷史累積因素所致. Fe(Ⅱ)與Fe(Ⅲ)的響應(yīng)區(qū)域也位于不同象限，F(xiàn)e(Ⅱ) 更接近分布在山前地帶，而Fe(Ⅲ)更接近分布在山前地帶、平原地帶，其原因也與山前地帶比平原地帶氧化氛圍更好有關(guān). ③從重金屬分布上看，Cr6+、Cd、Al、Hg、Zn分布在山前地帶，Cu、Mn、As分布在平原地帶，Se在山前地帶、平原地帶和過渡地帶均有分布，整體上保持自然背景水平[31]. 從有機(jī)物分布上，VP、CN分別分布在山前地帶、過渡地帶，由于此區(qū)域存在一定的村落和工業(yè)園區(qū)，因此有機(jī)物來源于人類活動(dòng)；同時(shí)，Cd、Al、CN均在相同或相鄰位置激活神經(jīng)元，反映二者在一定程度上具有同源性.

3 結(jié)論

a) 平谷區(qū)地下水電導(dǎo)率與ρ(Ca2+)(p=0.936)、總堿度與ρ(HCO32-)(p=0.981)、ρ(Mg2+)與總硬度(p=0.944)指標(biāo)之間呈顯著相關(guān)，地下水化學(xué)類型主要以HCO3-Ca型為主，其次為HCO3-Mg型. 地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-均為自然起源. 平谷區(qū)地下水中NH4+、SO42-、Cd、Fe(Ⅱ)、NO2指標(biāo)的空間分布離散性和差異性較大，說明上述指標(biāo)存在局部富集現(xiàn)象.

b) PCA結(jié)果表明，影響平谷區(qū)地下水水質(zhì)的8個(gè)公因子中，首要影響因子為溶濾-富集作用(貢獻(xiàn)率為22.398%)、次要影響因子為農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和填埋場等人為活動(dòng)作用(貢獻(xiàn)率為16.533%)，雨水下滲作用(貢獻(xiàn)率為8.035%)、工業(yè)源人為活動(dòng)(貢獻(xiàn)率為7.466%)對地下水也有一定影響. As分布于平原地帶，來源于地質(zhì)環(huán)境背景因子. 西部平原區(qū)ρ(F-)大于東部近山區(qū)部分，反映該區(qū)域存在潛在F-污染.

c) SOM補(bǔ)充解釋了PCA方法中非公因子的污染指標(biāo)關(guān)聯(lián)性和來源，反映了NH4+兼受山前地帶林業(yè)、種植業(yè)和平原地帶農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè)的雙重影響；同時(shí)，NH4+、NO3-、NO2三者之間及Fe(Ⅱ)與Fe(Ⅲ)之間來源不同，Cd、Al、CN三者具有同一來源.