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基于PCA-SOM的北京市平谷区地下水污染溯源

林斯杰 齐永强 杨梦曦 杨庆 杨梦凡 刘毅 胡清

林斯杰, 齐永强, 杨梦曦, 杨庆, 杨梦凡, 刘毅, 胡清. 基于PCA-SOM的北京市平谷区地下水污染溯源[J]. 环境科学研究, 2020, 33(6): 1337-1344. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.05.28
引用本文: 林斯杰, 齐永强, 杨梦曦, 杨庆, 杨梦凡, 刘毅, 胡清. 基于PCA-SOM的北京市平谷区地下水污染溯源[J]. 环境科学研究, 2020, 33(6): 1337-1344. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.05.28
LIN Sijie, QI Yongqiang, YANG Mengxi, YANG Qing, YANG Mengfan, LIU Yi, HU Qing. Source Analysis of Groundwater Pollution in Pinggu District of Beijing Using PCA-SOM[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(6): 1337-1344. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.05.28
Citation: LIN Sijie, QI Yongqiang, YANG Mengxi, YANG Qing, YANG Mengfan, LIU Yi, HU Qing. Source Analysis of Groundwater Pollution in Pinggu District of Beijing Using PCA-SOM[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(6): 1337-1344. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.05.28

基于PCA-SOM的北京市平谷区地下水污染溯源

doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.05.28
基金项目: 

国家水体污染控制与治理科技重大专项 2018ZX07109-002

详细信息
    作者简介:

    林斯杰(1985-), 男, 福建厦门人, linsj@sustech.edu.cn

    通讯作者:

    胡清(1964-), 女, 北京人, 教授, 博士, 博导, 主要从事土壤地下水污染防治与修复和生态环境大数据研究, huq@sustech.edu.cn

  • 中图分类号: X523

Source Analysis of Groundwater Pollution in Pinggu District of Beijing Using PCA-SOM

Funds: 

National Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment, China 2018ZX07109-002

  • 摘要: 为了解北京市平谷区地下水污染物来源,以平谷区2010—2018年监测数据为基础,使用PCA(主成分分析法)识别了地下水水质指标因子,使用自组织映射识别了污染物的空间分布.结果表明:通过监测指标间的Pearson检验发现, 平谷区地下水电导率与ρ(Ca2+)(p=0.936)、总碱度与ρ(HCO32-)(p=0.981)、ρ(Mg2+)与总硬度(p=0.944)指标之间显著相关.地下水化学类型主要以HCO3-Ca型为主,其次为HCO3-Mg型.NH4+、SO42-、Cd、Fe(Ⅱ)、NO2指标空间分布离散性和差异性较大,存在局部富集现象.通过因子分析法筛选出影响平谷区地下水水质的8个公因子,首要影响因子为溶滤-富集作用(贡献率为22.398%),次要影响因子为农业、养殖业和填埋场等人为活动作用(贡献率为16.533%),雨水下渗作用(贡献率为8.035%)、工业源人为活动(贡献率为7.466%)对地下水也有一定影响.通过比较各指标的SOM(Self-Organizing Map,自组织映射)特征图像和监测井映射特征图像,发现NH4+受山前地带林业、种植业和平原地带农业、养殖业的双重影响,Na+、Mn受平原地带人为活动的影响;同时,NH4+、NO3-、NO2三者之间及Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)之间来源不同,Cd、Al、氰化物三者具有同一来源.研究显示,PCA-SOM(PCA与SOM相结合)可以对地下水化学组分来源进行定性识别与定量分析.

     

  • 图  1  平谷区浅层地下水污染监测井位置和岩层富水性分布[6]

    注:极富水区,岩性为卵石含漂石;富水区,岩性为砾卵石;中等富水区,岩性为卵砾石夹粗砂;弱富水区,岩性为砂、卵石夹中粗砂;极弱富水区,岩性为粗中砂夹卵砾石.

    Figure  1.  Location of shallow groundwater pollution monitoring wells and water abundance of rock stratum in Pinggu District[6]

    图  2  主要监测指标映射到SOM上的特征图谱

    Figure  2.  Result of main components in SOM picture

    图  3  监测井映射到SOM上的特征图谱

    Figure  3.  SOM pictures of all wells

    图  4  研究区域NH4+、NO3-和NO2污染物空间分布

    Figure  4.  Spatial distribution of NH4 +, NO3- and NO2 pollutants in the study area

    表  1  平谷区地下水化学成分统计表

    Table  1.   Statistical parameters of groundwater chemical component in Pinggu District

    指标 最小值/(mg/L) 最大值/(mg/L) 变异系数 GB/T 14848—2017《地下水质量标准》Ⅲ类标准限值/(mg/L)
    ρ(K+) 0.050 20.600 0.757
    ρ(Na+) 3.710 116.000 0.785 200
    ρ(Ca2+) 15.000 430.000 0.469
    ρ(Mg2+) 2.400 329.900 0.623
    ρ(NH4+) 0.019 9.280 3.402 0.50
    ρ(HCO3-) 140.000 720.000 0.335
    ρ(CO32-) 0 48.000 1.704
    ρ(Cl-) 0.400 274.000 1.500 250
    ρ(SO42-) 0.300 1 415.000 2.967 250
    ρ(F-) 0.049 4.600 0.855 1.0
    ρ(NO3-) 0.049 373.000 1.484 20.0
    ρ(CO2) 0 36.100 1.416
    ρ〔Fe(Ⅱ)〕 0.004 25.400 2.700 0.3
    ρ〔Fe(Ⅲ)〕 0 15.200 2.317 0.3
    ρ(Cr6+) 0.001 0.021 1.163 0.05
    ρ(Cu) 0 0.008 0.751 1.00
    ρ(Zn) 0.001 1.500 1.729 1.00
    ρ(Cd) 0 0.008 5.021 0.005
    ρ(Se) 0 0.001 0.887 0.01
    ρ(Mn) 0.001 4.930 1.779 0.10
    ρ(Al) 0.001 2.410 1.966 0.20
    ρ(As) 0.001 0.147 1.873 0.01
    ρ(Hg) 0 0 0.121 0.001
    ρ(VP) 0.001 0.010 0.739 0.002
    ρ(CN) 0.001 0.004 0.162 0.05
    ρ(NO2) 0.001 15.700 5.836 1.00
    ρ(DO) 0.080 9.980 1.517 1.00
    总硬度 153.000 2 267.000 0.506 450
    ρ(TDS) 128.750 3 044.000 0.439 1 000
    注:加粗体为变异系数大于2的指标.
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    表  2  主要因子的特征值和累计方差贡献率

    Table  2.   Characteristic values and variance contribution rates of main factors

    成分 初始特征值 提取载荷平方和 旋转载荷平方和
    总计 方差百分比/% 累计方差贡献率/% 总计 方差百分比/% 累计方差贡献率/% 总计 方差百分比/% 累计方差贡献率/%
    1 9.312 32.109 32.109 9.312 32.109 32.109 6.495 22.398 22.398
    2 3.007 10.369 42.478 3.007 10.369 42.478 4.795 16.533 38.931
    3 2.097 7.230 49.708 2.097 7.230 49.708 2.330 8.035 46.967
    4 1.668 5.751 55.459 1.668 5.751 55.459 2.165 7.466 54.433
    5 1.480 5.104 60.563 1.480 5.104 60.563 1.677 5.784 60.217
    6 1.136 3.916 64.479 1.136 3.916 64.479 1.155 3.982 64.198
    7 1.029 3.547 68.026 1.029 3.547 68.026 1.093 3.768 67.966
    8 1.022 3.524 71.550 1.022 3.524 71.550 1.039 3.584 71.550
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    表  3  旋转因子荷载矩阵

    Table  3.   Loading matrix of rotated factors

    指标 公因子
    F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8
    ρ(K+) 0.196 0.400 -0.139 -0.286 0.021 -0.091 -0.483 -0.090
    ρ(Na+) 0.270 0.708 0.162 0.428 0.095 -0.022 -0.021 -0.055
    ρ(Ca2+) 0.865 0.304 0.218 -0.105 -0.018 0.070 -0.045 -0.053
    ρ(Mg2+) 0.947 0.178 0.053 0.030 -0.004 0.009 0.040 0.036
    ρ(NH4+) 0.082 0.707 0.182 0.036 0.050 -0.013 -0.184 0.041
    ρ(HCO3-) 0.352 0.576 0.337 0.562 0.053 0.004 0.049 -0.024
    ρ(CO32-) -0.112 -0.023 -0.852 0.031 -0.070 0.116 -0.097 0.023
    ρ(Cl-) 0.469 0.694 0.175 -0.218 0.045 0.017 -0.013 -0.035
    ρ(SO42-) 0.947 -0.113 -0.010 -0.078 -0.020 -0.028 -0.031 -0.021
    ρ(F-) -0.047 -0.166 -0.135 0.620 -0.067 -0.036 -0.081 -0.050
    ρ(NO3-) 0.224 -0.254 0.108 -0.674 -0.102 0.195 -0.086 0.102
    ρ(CO2) 0.202 0.531 0.610 -0.155 -0.007 0.090 -0.098 -0.010
    ρ〔Fe(Ⅱ)〕 0.021 0.176 0.082 0.135 0.842 -0.027 0.019 0.013
    ρ〔Fe(Ⅲ)〕 -0.022 -0.019 -0.060 -0.174 0.162 0.599 0.178 -0.477
    ρ(Cr6+) -0.109 -0.093 0.087 -0.374 -0.075 -0.446 0.060 -0.049
    ρ(Mn) 0.334 0.761 0.204 0.247 0.040 0.015 0.040 -0.017
    ρ(Al) 0.015 -0.011 0.010 -0.031 0.145 -0.666 0.102 -0.195
    ρ(As) -0.023 -0.006 0.006 0.593 0.031 0.170 0.034 0.036
    ρ(Hg) -0.021 0.025 -0.019 -0.096 0.031 0.139 0.056 0.828
    ρ(VP) 0.140 0.258 0.074 -0.068 0.032 -0.106 0.749 -0.015
    ρ(CN) 0.533 -0.157 -0.125 -0.028 0.234 -0.096 0.288 0.128
    ρ(NO2) 0.076 0.717 -0.064 -0.105 -0.043 0.055 0.253 -0.105
    ρ(DO) 0.707 0.556 0.033 -0.055 0.014 -0.010 0.111 -0.047
    总硬度 0.947 0.250 0.142 -0.040 -0.013 0.043 -0.003 -0.008
    pH -0.187 -0.289 -0.860 0.094 -0.015 0.017 -0.056 -0.028
    EC 0.850 0.426 0.202 -0.006 0.001 0.044 -0.032 -0.028
    色度 0.088 0.583 0.062 -0.006 0.077 0.027 0.096 0.142
    浊度 0.005 -0.014 0.005 -0.055 0.900 -0.007 0.011 -0.018
    ρ(TDS) 0.887 0.327 0.195 0.092 0.005 0.029 0.001 -0.010
    注:加粗体为荷载因子矩阵进行正交旋转后得分较高的指标.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-31
  • 修回日期:  2020-04-29
  • 刊出日期:  2020-06-25

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