辽西浅层地下水污染因子识别及污染源分析

孙 阳

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

辽西地区为辽宁省水资源较为短缺的区域，区域地表水量较少，浅层地下水是其生活和工农业用水的主要来源[1]。但由于长期开采浅层地下水，区域地下水位下降较为明显，导致许多区域出现地下水沉降漏斗，使得浅层地下水污染物逐年增加。孔瑾[2]结合锦州地区地下水水质监测点采样数据对区域地下水现状进行分析，区域地下水长期处于V类水质，超标水质浓度有所下降，由于常年渗漏，形成一定重金属污染带。王巍巍[3]结合水质采样数据对锦州地区地下水演变进行分析，分析表明锦州南部地区地下水水质状况低于北部地区，但均呈现一定程度的恶化趋势，需要加强区域地下水环境治理，从而保障区域的地下水安全。白峰青[4]对锦州地区受检的19项指标进行分析，其中有8项指标存在超标情况，地下水质有所恶化。以上研究均表明锦州地区近些年来地下水水质状况有所恶化，但污染源还未探究，需要对其污染因子及污染源进行识别，从而制定相对应的水环境保护和治理措施。当前，对于水质污染因子及污染源识别的研究发展较快，取得了一定成果[5-9]，这其中梅罗综合指数通过分析不同污染因子的方差贡献率，对其主要污染因子进行识别，在污染因子识别的基础上对其污染源进行定量解析，该综合指数在国内一些地下水开采量较大的区域得到应用[10-15]，通过实地调研验证，分析成果和实际情况吻合度较高。但传统梅罗综合指数偏重于工业区污染，因此对工业重金属指标权重设置较高，而对于非工业区而言，生活污水以及农业面源污染指标较多，因此需要对其指标权重进行改进，从而更符合区域地下水影响的实际情况。为此本文基于锦州地区18个地下水采样点氨氮等18项水质指标数据，结合改进的梅罗综合指数，对锦州地区浅层地下水污染因子以及污染源进行识别，研究成果对于锦州地区地下水环境和生态修复具有重要参考价值。

1 改进的梅罗综合指数方法

梅罗综合指数方法主要对水质污染指标之间的关联度进行动态识别，通过识别主要因子，对其他非主要因子进行筛除，并建立不同水质污染指标和污染程度之间的相关方程：

(1)

式中，aij—不同因子之间的回归系数；εi—变量系数。

在具体计算时，首先需要对各因子进行标准化处理：

(2)

式中，Zi—第i地下水采样点的水污染指标标准化处理值，mg/L；xi—水污染指标浓度，mg/L；xm—不同标准值的平均值，mg/L；σ—不同指标之间的方差标准值。

在各水污染指标标准化处理后对其关联度进行检验：

(3)

式中，rij—不同水污染指标之间的关联度；pij—不同水污染指标的偏相关系数。

在关联度检验基础上对各变量方差贡献率进行计算：

(4)

式中，bij—不同水污染因子之间的线性相关度；fi—不同水污染因子计算的方差贡献率，%。

在各污染因子方差贡献率计算基础上，对其综合累加方差贡献率进行计算：

(5)

式中，F—综合方差贡献率，%；Fi—单一水污染因子的方差贡献率，%；m—计算的指标个数；Wi—不同指标权重，传统梅罗综合指数指标权重存在主观性，为此本文对其进行改进，引入权重计算方程对各污染指标权重进行计算：

(6)

式中，λi—不同污染指标的计算特征值。

2 实例应用

2.1 区域地下水质现状

本文以辽西的锦州地区为具体实例，锦州地区浅层地下水埋深一般在25～75m之间，地下水年开采总量多年均值为4.2×105m3/d。随着区域社会经济快速发展，农业、工业、生活需水量逐年增加，对区域地下水需求量也逐步增多。通过对锦州地区各地下水质监测点的数据分析，区域地下水硬度在105～600mg/L之间，平均硬度值为335mg/L。各监测点pH值在5.4～7.3之间，总体处于偏弱碱性。固体溶解物的浓度在160～1000mg/L之间，地下水固体溶解物的浓度均值为330mg/L。结合区域内18个地下水监测点氨氮等18项水质指标数据，对其各污染指标进行了区间统计分析，结果见表1。

表1 锦州地区各地下水监测点不同污染指标值样本统计区间

2.2 各指标标准化值

考虑到不同水污染指标对地下水环境影响程度不同，需要对各污染指标进行标准化处理，处理结果见表2。

表2 锦州地区不同地下水监测点水质指标标准化处理结果 单位：ug/L

对各水质指标进行标准化处理，是消除各指标之间的影响度的重要方式，从各地下水监测点水质指标的标准化处理结果可看出，硝酸盐、重金属指标的标准化处理值较高，其对区域地下水质影响程度较高，也是近年来锦州地区水质主要超标的指标。

2.3 污染因子识别结果

在对18项主要污染指标进行标准化分析后，采用改进的梅罗综合指数对锦州地区地下水监测点的污染因子的方差贡献率进行定量计算，通过方差贡献率大小对其主要污染因子进行识别，方差贡献率计算结果见表3。

表3 锦州地区地下水各水质指标方差贡献率分析结果

在进行各水质监测指标方差贡献率分析前，对各指标进行数据检验，通过数据检验，各水质指标之间存在一定的相关度，因此可用来作为方差贡献率分析的数据样本。从各指标方差贡献率分析结果可看出，硝酸盐在各指标中方差贡献率最大，为49.30%，是区域浅层地下水主要的污染因子。其次为氨氮，其方差贡献率为43.66%。各项重金属指标的方差贡献率均低于10%，属于非主要因子，这主要是因为锦州地区重工业相对较少，主要以农业为主，因此其工业废水排放中的重金属浓度相对较低。作为各水质指标权重计算的特征值，其大小决定了指标权重的高低，分析时主要采用对数统计方法进行分析，将各水质指标作为横向坐标，其浓度值作为纵向指标，以75%概率作为指标概率区间，概率区间峰值为上端，低谷为下端，当各指标浓度均值接近上端，则认为其浓度分布满足正态分布变化，此时浓度为指标的特征值，指标特征值越大，其影响权重越高，则其方差贡献率也越大。通过此方法可以改进传统梅罗综合指数指标权重设定主观性的问题，提高因子识别的客观度。

2.4 污染源类型空间解析

为了对锦州地区地下水污染的来源及类型进行解析，结合正交旋转方法对各指标进行旋转荷载的计算[16]，结果见表4，并在各因子荷载中选择5个关联度较高的公因子进行空间插值分析，分析结果如图1所示。

表4 锦州地区各水质指标旋转荷载分析结果

图1 锦州地区污染公因子空间插值结果

选择高于0.5的荷载因子作为主要关联指标的公因子，从分析结果可看出公因子F1的贡献比为48.5%，其主要关联指标分别为硝酸盐和氨氮指标，锦州地区地下水富集程度较高的区域硝酸盐岩层的透水能力较高，地下水通过大气降水得到有效补给，地下径流能较大程度的促使岩层硝酸盐等化合物进行交替形成，使得含水层内的氨氮等浓度也相应增加，此外农业面源以及生活污水排放也使得这类污染物的浓度增加明显。公因子F2的贡献比为12.35%，该公因子主要关联的指标为重金属，属于工业废水排放主要来源类型，锦州地区地下水中重金属指标具有一定的同源性，从其公因子空间插值分布结果可看出，因子得分值高于1.0的区域主要分布在锦州的西南部，通过实地调查，该区域主要为锦州地区的矿山及工业园区，由于大气降水以及地下水运移共同作用，使得工业废水和矿山排水中重金属浓度相对较高，砷和镉主要来源于矿山排水污染。公因子F3的贡献比为10.25%，其主要关联指标为COD，浅层地下水COD的主要来源于农业面源、养殖产业以及生活污水排放，从其公因子F3空间插值结果可看出，其因子得分值0.4的区域主要为与锦州地区的中部，这一区域主要集中居民生活区、以及禽畜养殖区，生活污水和农村生活垃圾受雨水冲刷对地下水产生不同程度的污染影响。公因子F4和F5的贡献比分别为9.42%和8.49%，这两个公因子的关联指标具有一定的相似性，主要为氨氮、硝酸盐，其主要来源为生活污水，通过其空间插值分析，其主要集中在居民生活区。通过综合公因子分析可看出，锦州地区浅层地下水污染的类型呈现多源特征，生活污水、农业面源、矿山排水以及工业废水组合而成，其中46.5%的浅层地下水污染主要来源于生活污水的排放，37.5%的来源于农业面源及禽畜养殖，16.0%来自于工业废水及矿山排水。综合公因子分布图中，分值越高的区域，污染程度越大，从其空间解析可看出，污染较大的区域主要位于南部，北部污染度较低。

3 结论

(1)采用改进的梅罗综合指数时，各指标特征值可通过制定指标浓度概率分布曲线获得，以75%作为指标浓度概率上限，其浓度概率接近上限值时，对应浓度为指标的特征值。

(2)建议加大对锦州中南部生活污水及部农业面源污染的控制，将中南部划定为重点治理区，北部划定为保护区，加强污水处理以及生态化肥的推广，强化地下水回灌力度，恢复漏斗区水位，降低渗漏影响。

(3)由于缺少海侵相关数据，未能分析地下水氯离子指标变化，在后续研究中还需重点关注海侵对锦州地下水质的影响。