焦作地区浅层地下水系统污染源解析.pdf

5 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年4 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 1 6 焦作地区浅层地下水系统污染源解析 雒芸芸1 ，马振民1 ，侯玉松1 ，王希1 ，李玲玲 1 ．济南大学资源与环境学院，济南2 5 0 0 2 2 ；2 ．济南市供排水监测中心，济南2 5 0 0 2 2 摘要通过对焦作地区浅层地下水全面监测与分析，确定8 8 个采样点，选取硝酸盐氮、氯化物、硫酸盐、 硬度等8 个典型污染指标，使用多元统计分析方法对浅层地下水污染源进行定性和定量分析。结果表 明，研究区主要存在3 种污染特征源，分别为化工源、机械加工源和农业源，其对整个区域浅层地下水的 污染贡献率分别为5 3 ．8 1 ％、3 0 ．3 4 ％和1 5 ．8 5 ％，主要污染特征源集中分布于焦作西北工业区。 关键词浅层地下水系统；污染源解析；多元统计分析；焦作 中图分类号X 5 0 2 文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 4 0 0 5 8 0 4 A p p o r t i o n m e n t o fP o l l u t i o nS o u r c eo fS h a l l o wG r o u n d w a t e rS y s t e mi nJ i a o z u o L U OY u n y u n l ，M AZ h e n m i n l ，H O U Y u s o n 9 1 ，W A N Gx i l ，L IL i n g l i n 9 2 1 ．R e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n tI n s t i t u t e ，U n i v e r s i t yo fJ i n a n ，J i n a n2 5 0 0 2 2 ，C h i n a ； 2 ．W a t e rS u p p l ya n dD r a i n a g eM o n i t o r i n gC e n t e ro fJ i n a n ，J i n a n2 5 0 0 2 2 ，C h i n a A b s t r a c t T o g e t h e r8 8s a m p l i n gp o i n t sa n d8m a i nw a t e rp o l l u t i o ni n d e x e si n c l u d i n gn i t r a t en i t r o g e n ，c h l o r i d e ，s u l f a t ea n dh a r d n e s sa n dS Oo nw e r es e l e c t e dt oa n a l y z es h a l l o wg r o u n d w a t e ri nJ i a o z u oa r e ab a s e do n c o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n g ．T h es o u r c ea p p o r t i o n m e n to fs h a l l o wg r o u n d w a t e rp o l l u t i o nw a sq u a l i t a t i v e l y a n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e dw i t hm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r e m a i n l yt h r e ek i n d so fp o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i cs o u r c e si n c l u d i n gc h e m i c a li n d u s t r ys o u r c e s ，m e c h a n i c a lp r o c e s s i n gs o u r c e sa n da g r i c u l t u r a ls o u r c e s ．T h e i rc o n t r i b u t i o nr a t e st os h a l l o wg r o u n d w a t e rp o l l u t i o no ft h e w h o l ea r e aa r e5 3 ．8 1 ％，3 0 ．3 4 ％a n d1 5 ．8 5 ％r e s p e c t i v e l y ．T h em a i nc h a r a c t e r i s t i cp o l l u t i o ns o u r c e sa r e c l u s t e r e di nn o r t h w e s ti n d u s t r i a lz o n eo fJi a o z u o ． K e yw o r d s s h a l l o wg r o u n d w a t e rs y s t e m ；p o l l u t i o ns o u r c ea p p o r t i o n m e n t ；m u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a la n a l y s i s ；J i a o z u o 近年来，焦作地区由于工农业的发展、人口密度 的增加和矿产的开发，导致地下水位的不断下降和污 染物的不断进入，使得浅层地下水污染水平高达 8 1 ．8 2 ％，对工农业生产和生活用水产生了重要影响。 因而，进行水环境分析、探索造成地下水主要污染物 的来源、估算其污染贡献量以及污染源大体位置，对 控制和削减焦作地区浅层地下水污染具有重要意义。 污染源解析的方法有很多种，最常用的是化学质 量平衡法和多元统计分析法，由于后者对排放源的判 定相对客观，对排放源的组成要求低而得到广泛应 用‘“。多元统计法是通过数学方法对污染数据进行降 维，提取数据中基本结构的代表性因子，用以解释所有 污染物的污染源情况‘2 。4 ] 。多元统计结果主要取决于 分析因子的特征值、方差累计解释率和线性回归方程， 提取的因子一般要求方差累计解释率大于8 5 坶5 | 。 1数据来源 数据来源于焦作典型地区地下水污染调查专项 收稿日期2 0 1 2 - 1 0 1 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 1 1 0 1 5 3 0 ，3 1 2 7 0 5 8 6 ；国家高技术研究发展计划项目 2 0 1 2 A A 0 6 1 7 0 5 作者简介雒芸芸 1 9 8 9 一 ．女，山东即墨人。硕士研究生；通信作者马振民 1 9 6 2 一 ，男，山东平邑人，博士，教授 万方数据 2 0 1 3 年4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 9 研究，根据浅层地下水系统污染特征，共选择民用井 和钻探井8 8 处作为采样点，并于2 0 1 1 年5 7 月、 1 0 一1 1 月和2 0 1 2 年1 2 月取水样8 8 个。在每个 采样点处选取硝酸盐氮、氯化物、硫酸盐、溶解性总 固体、硬度、六价铬、氟化物、镍8 个主要污染指标进 行多元统计分析，确定其污染源。其采样点分布如 图1 所示。 图1 污染监测点分布图 F i 昏1 D i s t r i b u t i o no fp o l l u t i o nm o n i t o r i n gp o i n t 2 焦作地区浅层地下水污染因子定性 分析 2 ．1 因子分析的适应性检验 为了检验因子分析法对数据的适合度，首先采 用K a i s e r M e y e r O l k i n K M O 标准和B a r t l e t t 球度 检验对监测数据进行检测。其检测结果见表1 。 表1因子分析的适用性检验 T a b l e1T e s to fs u i t a b i l i t yo ff a c t o ra n a l y s i s K M 值 B a r t l e t t 的球形度检验 近似卡方 7 5 7 ．9 2 6 d f S i g 2 80 经验值表明，K M O 值大于0 ．7 ，表示适合因子 分析，大于0 ．5 小于0 ．7 为较适合因子分析，小于 0 ．5 为不适合因子分析[ 6 ] 。由表1 可以看到，K M O 值远远大于0 ．7 ，为适合因子分析，B a r t l e t t 检验结 果属于单位矩阵，数据符合正态分布的特征，所以 8 8 个采样点的污染数据适合进行污染因子分析。 2 ．2 因子分析对各污染指标的有效性检验 通过检测标准化后的各个污染指标的相关性， 确定其共同度，检测各指标信息能否被因子大部分 提取，从而证明其有效性。各指标的相关矩阵如表 2 所示。 表2 各指标相关矩阵 P 0 ．0 5 T a b l e2C o r r e l a t i o nm a t r i xo fe a c hi n d e x P 0 ．0 5 指标硝酸盐总固体硫酸盐硬度氯化物氟化物镍六价铬 硝酸盐氮 1 溶解性总固体 硫酸盐 硬度 氯化物 氟化物 镍 六价铬 通过相关系数矩阵可以看出，指标之间相关系 数全部大于0 ．1 ，表明各个污染指标与其他指标之 间均存在一定的相关关系，能够进行降维，提取主因 子。因此，因子分析对各污染指标是有效的。 2 ．3 确定主因子和主因子类型分析 通过主成分分析降维，计算污染主因子的特征 值见图2 。 前3 个主成分方差解释率分别是6 3 ．9 0 1 ％， 1 2 ．0 9 0 ％和1 1 ．6 3 0 ％，总方差解释率是8 7 ．6 2 1 ％。 所以提取前3 个因子作为主因子，得到前3 个因子 的指标负载，经K a r r s e r 标准化正交旋转后，得到解 析源的3 个主因子旋转载荷见表3 。 由表3 可以看出，第一主因子F 1 中溶解性总 固体、硬度、硫酸盐和氯化物都具有较高的负荷，溶 解性总固体、硬度、氯化物均为化工企业排放废水、 废渣中的典型污染物。此外，六价铬是煤矿污染的 重要标志，焦作境内分布有粉煤灰堆放场，粉煤灰在 降雨和冲水的淋溶下，其中所含的大量六价铬渗入 万方数据 6 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年4 期 j 型 目 稼 图2 污染主因子特征值 F i g ．2 C h a r a c t e r i s t i cv a l u eo fp r i n c i p a l f a c t o ro fp o l l u t i o n 地下，造成地下水六价铬污染。在焦作西北部地区 分布有1 0 0 多个企业，包括化工厂、纺织业、造纸业、 矿业、建材厂等，其排放污染物主要为氯化物、硫酸 盐、硝酸盐和重金属等等。综上所述，本文将第一主 因子定义为化工源。 第二主因子F 2 中具有较高的镍负荷，镍是明 显的机械加工行业的特征污染物质。镍具有重要的 耐腐蚀、抗氧化特性，在机械加工行业中主要利用镍 进行机械电镀，从而保护底层金属免受腐蚀。焦作 地区镍的污染与焦作地区众多机械行业具有重要关 系。因此，将第二主因子定义为机械加工源。 第三主因子F 3 中氟的高负载，是农业污染源 的代表，在农业种植过程中会使用一定氟化物的磷 肥和含氟农药口] ，此外，大量含氟污水灌溉农田，从 而使氟化物在土壤中富集，在降雨、径流和农田灌溉 下由固相变为液相，加之偏碱性的地下水环境促进 了氟的溶解，蒸发浓缩作用和特殊的地形地貌增加 了氟化物在水体中的浓度，加剧了污染。除此之外， 工业区某金属矿厂排放废水中含有较高浓度的氟化 物，但污染区域极小。由此，将第三主因子定义为农 、I 匕源。 表3 主因子旋转负荷 T a b l e3R o t a r yl o a do fm a i nf a c t o r 3焦作地区浅层地下水的污染源贡献率 为了实现对研究区域污染源的定量分析，需确 定整个区域污染特征源贡献率，从而进一步确定特 征源在研究区的分布位置。由主成分分析生成的主 因子得分分别是F 1 、F 2 和F 3 ，以因子得分为自变 量，以各个采样点标准化污染物总量作为因变量，用 S P S S 软件做M L R 多元线性回归，采用逐步回归办 法，从而得到标准化回归方程 Z 一5 ．1 8 5 F 1 2 ．9 2 3 F 2 1 ．5 2 7 F 3 1 则三个污染源的污染贡献率分别为F 1 5 3 。8 1 ％、F 2 3 0 ．3 4 ％、F 3 1 5 ．8 5 ％。 因此，整个区域最主要的污染源是化工污染和 机械加工污染，合称为工业污染源，总贡献率达 8 4 ．1 5 ％。 4 焦作地区浅层地下水污染特征源的 分布 通过确定污染源在每个采样点的污染贡献量来 表征污染特征源在焦作地区的分布位置，从而为污 染控制提供理论依据。 经多元线性回归分析得到多元线性回归方程， 改写为类似 2 式的形式 ≥P 一5 ．1 8 5 a P F l 2 ．9 2 3 a P F 2 1 ．5 2 7 a P F 3 ∑P 2 为了定量表示三大污染源在焦作地区污染分布 状况，可以利用下列方程来计算各监测点污染源对 总污染的贡献量 C 一∑P ／3 。／∑B 。 B i 盯，厂。 3 式中，C 为污染源贡献量，≥P 为监测点各污染物 标准总浓度均值， 为第i 个主因子得分，B 。为第i 个主因子的回归系数，盯。为污染物标准总浓度的标 准差。 第1 至第8 3 个一般监测点的监测结果如图3 所示，第8 4 至第8 8 个异常监测点 即图1 中的 C K l - C K 5 的监测结果见图4 。 根据图3 和图4 结果，化工源的污染贡献在监 万方数据 2 0 1 3 年4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ] ] y s y l ．b g r i m m ．c n 6 1 ， ■ ● E ≮ 越 髭 霉 髹 筻 f J ￡ ≮ 越 烂 霎 寰 1 巾 图3 一般监测点主要污染源监测结果 F i g ．3 M o n i t o rr e s u l t so fm a i np o l l u t i o n s o u r c ea to r d i n a r yo b s e r v a t i o np o i n t 图45 个异常监测点主要污染源监测结果 F i g ．4 M o n i t o rr e s u l t so fm a i np o l l u t i o n s o u r c ea t5a b n o r m a lo b s e r v a t i o np o i n t s 测点8 6 点出现极高值，污染浓度贡献值高达 7 1 7 ．3 5m g ／L ，且在8 5 、8 7 点含量都极高。此处为 大量化工企业聚集地，因此，可以断定8 6 点处有重 要的化工源进入研究区。机械加工源在8 6 点的污 染浓度贡献值为3 0 8 ．6 9m g ／L ，因此，此监测点地处 机械加工基地，为重要的机械加工污染源。8 5 ～8 7 监测点均分布于西北大家作一带，两大污染源都在 该区域出现高污染贡献值，是整个研究区域的主要 分布区，亦为典型的工业污染区。农业源在整个研 究区域未出现峰值，这与农业污染呈面状分布有关 系的，即为面源污染，分布广泛且较为平均。 5结论 焦作地区浅层地下水超标污染物的污染源主要 是化工源、机械加工源和农业源，这三大污染源对整 个研究区域的污染贡献率分别是5 3 ．8 1 ％、 3 0 ．3 4 ％、1 5 ．8 5 ％，化工源和机械加工源在大家作一 带的污染贡献量出现峰值，判定焦作西北地区为重 要的工业污染源分布区，农业源分布范围广泛，整个 研究区域未出现峰值，为典型的面源污染源。 参考文献 [ 1 ] 闫旌．南沙河污染现状监测分析及污染源解析技术研究 [ D ] ．北京北京交通大学，2 0 1 1 ． [ 2 ] 苏丹，唐大元，刘兰岚，等．水环境污染源解析研究进展 [ J ] ．生态环境学报，2 0 0 9 ，1 8 2 7 4 9 7 5 5 ． [ 3 ] P h i l i pAB ，E r i kRC ．S o u r c ea p p o r t i o n m e n to fs e d i m e n t P A H si nL a k eC a l u m e t ，C h i c a g o a p p l i c a t i o no f [ a c t o r a n a l y s i sw i t hn o n n e g a t i v ec o n s t r a i n t s [ J ] ．E n v i r o n m e n t a l S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，3 8 1 9 7 1 0 3 ． E 4 ] S i m e o n o vV ，E i n a xJ ，T s a k o v s k iS ，e ta l ，M u l t i v a r i a t e s t a t i s t i c a la s s e s s m e n to fp o l l u t e ds o i l s E J ] ．C e n t r a lE u r o p e a nJ o u r n a lo fC h e m i s t r y ，2 0 0 5 ，3 1 1 - 9 ， [ 5 ] B a k a cM ，K u m r uMN ．F a c t o ra n a l y s i sa p p l i e dt od i s t r i b u t i o no fe l e m e n t si nw e s t e r nT u r k e y [ J ] ．A p p l i e dR a d i a t i o na n dI s o t o p e s ，2 0 0 1 ，5 5 5 7 2 1 - 7 2 9 ． [ 6 ] 马溪平，吕晓飞，张利红，等．辽河流域水质现状评价及 污染源解析[ J ] ．水资源保护，2 0 1 1 ，2 7 4 1 - 4 ，7 3 ． [ 7 ] 郑明凯，杨国{ } i { ，朱利霞．焦作市地下水高氟区的成因探 讨[ J ] ．环境科学与管理，2 0 0 7 ，3 2 2 1 3 8 1 4 1 ，1 5 3 ． 万方数据