遼西淺層地下水污染因子識別及污染源分析

孫 陽

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

遼西地區為遼寧省水資源較為短缺的區域，區域地表水量較少，淺層地下水是其生活和工農業用水的主要來源[1]。但由于長期開采淺層地下水，區域地下水位下降較為明顯，導致許多區域出現地下水沉降漏斗，使得淺層地下水污染物逐年增加。孔瑾[2]結合錦州地區地下水水質監測點采樣數據對區域地下水現狀進行分析，區域地下水長期處于V類水質，超標水質濃度有所下降，由于常年滲漏，形成一定重金屬污染帶。王巍巍[3]結合水質采樣數據對錦州地區地下水演變進行分析，分析表明錦州南部地區地下水水質狀況低于北部地區，但均呈現一定程度的惡化趨勢，需要加強區域地下水環境治理，從而保障區域的地下水安全。白峰青[4]對錦州地區受檢的19項指標進行分析，其中有8項指標存在超標情況，地下水質有所惡化。以上研究均表明錦州地區近些年來地下水水質狀況有所惡化，但污染源還未探究，需要對其污染因子及污染源進行識別，從而制定相對應的水環境保護和治理措施。當前，對于水質污染因子及污染源識別的研究發展較快，取得了一定成果[5-9]，這其中梅羅綜合指數通過分析不同污染因子的方差貢獻率，對其主要污染因子進行識別，在污染因子識別的基礎上對其污染源進行定量解析，該綜合指數在國內一些地下水開采量較大的區域得到應用[10-15]，通過實地調研驗證，分析成果和實際情況吻合度較高。但傳統梅羅綜合指數偏重于工業區污染，因此對工業重金屬指標權重設置較高，而對于非工業區而言，生活污水以及農業面源污染指標較多，因此需要對其指標權重進行改進，從而更符合區域地下水影響的實際情況。為此本文基于錦州地區18個地下水采樣點氨氮等18項水質指標數據，結合改進的梅羅綜合指數，對錦州地區淺層地下水污染因子以及污染源進行識別，研究成果對于錦州地區地下水環境和生態修復具有重要參考價值。

1 改進的梅羅綜合指數方法

梅羅綜合指數方法主要對水質污染指標之間的關聯度進行動態識別，通過識別主要因子，對其他非主要因子進行篩除，并建立不同水質污染指標和污染程度之間的相關方程：

(1)

式中，aij—不同因子之間的回歸系數；εi—變量系數。

在具體計算時，首先需要對各因子進行標準化處理：

(2)

式中，Zi—第i地下水采樣點的水污染指標標準化處理值，mg/L；xi—水污染指標濃度，mg/L；xm—不同標準值的平均值，mg/L；σ—不同指標之間的方差標準值。

在各水污染指標標準化處理后對其關聯度進行檢驗：

(3)

式中，rij—不同水污染指標之間的關聯度；pij—不同水污染指標的偏相關系數。

在關聯度檢驗基礎上對各變量方差貢獻率進行計算：

(4)

式中，bij—不同水污染因子之間的線性相關度；fi—不同水污染因子計算的方差貢獻率，%。

在各污染因子方差貢獻率計算基礎上，對其綜合累加方差貢獻率進行計算：

(5)

式中，F—綜合方差貢獻率，%；Fi—單一水污染因子的方差貢獻率，%；m—計算的指標個數；Wi—不同指標權重，傳統梅羅綜合指數指標權重存在主觀性，為此本文對其進行改進，引入權重計算方程對各污染指標權重進行計算：

(6)

式中，λi—不同污染指標的計算特征值。

2 實例應用

2.1 區域地下水質現狀

本文以遼西的錦州地區為具體實例，錦州地區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。隨著區域社會經濟快速發展，農業、工業、生活需水量逐年增加，對區域地下水需求量也逐步增多。通過對錦州地區各地下水質監測點的數據分析，區域地下水硬度在105～600mg/L之間，平均硬度值為335mg/L。各監測點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。結合區域內18個地下水監測點氨氮等18項水質指標數據，對其各污染指標進行了區間統計分析，結果見表1。

表1 錦州地區各地下水監測點不同污染指標值樣本統計區間

2.2 各指標標準化值

考慮到不同水污染指標對地下水環境影響程度不同，需要對各污染指標進行標準化處理，處理結果見表2。

表2 錦州地區不同地下水監測點水質指標標準化處理結果 單位：ug/L

對各水質指標進行標準化處理，是消除各指標之間的影響度的重要方式，從各地下水監測點水質指標的標準化處理結果可看出，硝酸鹽、重金屬指標的標準化處理值較高，其對區域地下水質影響程度較高，也是近年來錦州地區水質主要超標的指標。

2.3 污染因子識別結果

在對18項主要污染指標進行標準化分析后，采用改進的梅羅綜合指數對錦州地區地下水監測點的污染因子的方差貢獻率進行定量計算，通過方差貢獻率大小對其主要污染因子進行識別，方差貢獻率計算結果見表3。

表3 錦州地區地下水各水質指標方差貢獻率分析結果

在進行各水質監測指標方差貢獻率分析前，對各指標進行數據檢驗，通過數據檢驗，各水質指標之間存在一定的相關度，因此可用來作為方差貢獻率分析的數據樣本。從各指標方差貢獻率分析結果可看出，硝酸鹽在各指標中方差貢獻率最大，為49.30%，是區域淺層地下水主要的污染因子。其次為氨氮，其方差貢獻率為43.66%。各項重金屬指標的方差貢獻率均低于10%，屬于非主要因子，這主要是因為錦州地區重工業相對較少，主要以農業為主，因此其工業廢水排放中的重金屬濃度相對較低。作為各水質指標權重計算的特征值，其大小決定了指標權重的高低，分析時主要采用對數統計方法進行分析，將各水質指標作為橫向坐標，其濃度值作為縱向指標，以75%概率作為指標概率區間，概率區間峰值為上端，低谷為下端，當各指標濃度均值接近上端，則認為其濃度分布滿足正態分布變化，此時濃度為指標的特征值，指標特征值越大，其影響權重越高，則其方差貢獻率也越大。通過此方法可以改進傳統梅羅綜合指數指標權重設定主觀性的問題，提高因子識別的客觀度。

2.4 污染源類型空間解析

為了對錦州地區地下水污染的來源及類型進行解析，結合正交旋轉方法對各指標進行旋轉荷載的計算[16]，結果見表4，并在各因子荷載中選擇5個關聯度較高的公因子進行空間插值分析，分析結果如圖1所示。

表4 錦州地區各水質指標旋轉荷載分析結果

圖1 錦州地區污染公因子空間插值結果

選擇高于0.5的荷載因子作為主要關聯指標的公因子，從分析結果可看出公因子F1的貢獻比為48.5%，其主要關聯指標分別為硝酸鹽和氨氮指標，錦州地區地下水富集程度較高的區域硝酸鹽巖層的透水能力較高，地下水通過大氣降水得到有效補給，地下徑流能較大程度的促使巖層硝酸鹽等化合物進行交替形成，使得含水層內的氨氮等濃度也相應增加，此外農業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的貢獻比為12.35%，該公因子主要關聯的指標為重金屬，屬于工業廢水排放主要來源類型，錦州地區地下水中重金屬指標具有一定的同源性，從其公因子空間插值分布結果可看出，因子得分值高于1.0的區域主要分布在錦州的西南部，通過實地調查，該區域主要為錦州地區的礦山及工業園區，由于大氣降水以及地下水運移共同作用，使得工業廢水和礦山排水中重金屬濃度相對較高，砷和鎘主要來源于礦山排水污染。公因子F3的貢獻比為10.25%，其主要關聯指標為COD，淺層地下水COD的主要來源于農業面源、養殖產業以及生活污水排放，從其公因子F3空間插值結果可看出，其因子得分值0.4的區域主要為與錦州地區的中部，這一區域主要集中居民生活區、以及禽畜養殖區，生活污水和農村生活垃圾受雨水沖刷對地下水產生不同程度的污染影響。公因子F4和F5的貢獻比分別為9.42%和8.49%，這兩個公因子的關聯指標具有一定的相似性，主要為氨氮、硝酸鹽，其主要來源為生活污水，通過其空間插值分析，其主要集中在居民生活區。通過綜合公因子分析可看出，錦州地區淺層地下水污染的類型呈現多源特征，生活污水、農業面源、礦山排水以及工業廢水組合而成，其中46.5%的淺層地下水污染主要來源于生活污水的排放，37.5%的來源于農業面源及禽畜養殖，16.0%來自于工業廢水及礦山排水。綜合公因子分布圖中，分值越高的區域，污染程度越大，從其空間解析可看出，污染較大的區域主要位于南部，北部污染度較低。

3 結論

(1)采用改進的梅羅綜合指數時，各指標特征值可通過制定指標濃度概率分布曲線獲得，以75%作為指標濃度概率上限，其濃度概率接近上限值時，對應濃度為指標的特征值。

(2)建議加大對錦州中南部生活污水及部農業面源污染的控制，將中南部劃定為重點治理區，北部劃定為保護區，加強污水處理以及生態化肥的推廣，強化地下水回灌力度，恢復漏斗區水位，降低滲漏影響。

(3)由于缺少海侵相關數據，未能分析地下水氯離子指標變化，在后續研究中還需重點關注海侵對錦州地下水質的影響。