崔煜烽，郭旭，姜翠艷，杜荔萍，王有智

(1.煙臺市土地儲備和利用中心，山東 煙臺 264000；2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264000；3.煙臺市自然資源綜合執(zhí)法支隊，山東 煙臺 264000)

0 引言

煙臺市作為我國沿海地區(qū)重要的經(jīng)濟發(fā)展骨干城市，近些年來城鎮(zhèn)化建設(shè)已經(jīng)取得了不俗的成就，然而城市地下水環(huán)境也遭受到了不同程度的破壞。前人對此做了一些研究，如于林弘[1]基于熵權(quán)綜合指數(shù)法，利用水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)對煙臺市城區(qū)開展了地下水水質(zhì)評價工作，李玲玲[2]基于DRASTIS評價體系對龍口市平原區(qū)開展地下水脆弱性評價并將研究區(qū)地下水脆弱性進行分級分區(qū)，閆少華[3]等利用綜合指數(shù)法對煙臺市淺層地下水進行了分析評價并且提出了相應(yīng)的污染防治建議。

近些年來，數(shù)理統(tǒng)計方法在水文地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，并且取得了一定的成果。陳倩[4]等利用數(shù)理統(tǒng)計方法對四川盆地淺層風(fēng)化帶裂隙水水化學(xué)數(shù)據(jù)進行了分析和研究，對研究區(qū)裂隙水水化學(xué)空間分布特征和演化規(guī)律進行了總結(jié)。高雅[5]等利用SPSS軟件以成都市紅層區(qū)Ⅲ類地下水水化學(xué)特征作為分析對象，系統(tǒng)總結(jié)了研究區(qū)地下水化學(xué)空間分布及成因規(guī)律。周亞醒[6]利用Q型聚類分析法對清涼泉水源地的污染程度進行了分析計算，取得了不錯的效果。

但在分析土地利用類型與地下水污染之間關(guān)系方面的研究非常少，因此本文利用煙臺市城市地質(zhì)調(diào)查采集的松散巖類孔隙水水樣檢測結(jié)果，選取主要超標(biāo)指標(biāo)作為評價因子進行單因子污染評價；收集第三次全國土地調(diào)查資料，利用SPSS Statistics 23軟件，基于數(shù)理統(tǒng)計的方法分析土地利用類型與不同因子污染程度的關(guān)系，然后基于粗糙集理論進行地下水污染綜合評價，對研究區(qū)進行污染程度分區(qū)，為城市地下水污染防治規(guī)劃和污染措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文以煙臺市城市規(guī)劃區(qū)作為研究區(qū)(圖1)，總面積約1077km2。地勢總體上西南高、東北低，地貌南部主要為構(gòu)造剝蝕丘陵，向北逐漸過渡為堆積山前平原濱海平原。

1—研究區(qū)范圍；2—取樣點位置圖1 研究區(qū)范圍及取樣點位置分布圖

2 污染評價方法的選取

2.1 單因子污染評價

本次污染評價利用煙臺市城市地質(zhì)調(diào)查采集的77個松散巖類孔隙水水樣的水質(zhì)檢測結(jié)果作為數(shù)據(jù)(取樣點分布如圖1所示)。首先選擇單因子污染評價法進行單指標(biāo)污染評價[7]。充分考慮研究區(qū)水文地質(zhì)條件，地下水分布特征等因素，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848—2017)，結(jié)合以往工作經(jīng)驗，選取總硬度、TDS、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物、氨氮指標(biāo)作為本次單因子污染評價指標(biāo)。計算公式為：

(1)

式中：Pij為第i個樣品j指標(biāo)的污染指數(shù)，無量綱；Cij為第i個樣品j指標(biāo)的水質(zhì)分析結(jié)果，mg/L；C0j為j指標(biāo)的背景值，mg/L；CⅢi為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848—2017)中給出的i指標(biāo)的Ⅲ類水界限值，mg/L。

2.2 基于粗糙集理論的地下水污染綜合評價

利用單因子污染評價結(jié)果對研究區(qū)進行地下水污染綜合評價。目前針對地下水污染綜合評價的方法主要包括綜合污染指數(shù)法、系統(tǒng)聚類分析法、灰色聚類分析法、模糊聚類分析法和人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。綜合污染指數(shù)法計算相對簡單，評價內(nèi)容相對豐富，結(jié)果較符合實際，應(yīng)用最廣泛。綜合污染指數(shù)法中，一類是利用單因子的污染指數(shù)經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計計算求得綜合指數(shù)進行評價，如疊加指數(shù)法[8-9]，內(nèi)梅羅指數(shù)法[10]，另一類是計算各參評因子的權(quán)重，然后乘以相應(yīng)因子的污染指數(shù)求取綜合污染指數(shù)，目前運用最廣泛的是利用層次分析法[11-13]求取權(quán)重，然而層次分析法相對受主觀因素影響較大，結(jié)果有時候與實際情況不符。

粗糙集理論是針對不完整性和不確定性的數(shù)據(jù)衍生出的一種數(shù)學(xué)理論，借助于知識表達系統(tǒng)進行研究，其基本成分是研究樣本的集合，樣本的知識通過指定樣本的屬性和它們的屬性來描述。

由于每個指標(biāo)對目標(biāo)的影響大小是不一樣的，因此，需要得出每個指標(biāo)的重要程度。粗糙集理論的原理是，將某一指標(biāo)去掉，看去掉該指標(biāo)后的結(jié)果變化，如果變化較大，則說明該指標(biāo)對結(jié)果的影響較大，即重要程度大；反之，若結(jié)果變化較小，則該指標(biāo)對結(jié)果的影響較小，即重要程度小。

粗糙集理論雖然計算方法相對復(fù)雜，但注重對實際數(shù)據(jù)的分析，通過找出數(shù)據(jù)隱含的規(guī)律描述它對整體的影響，受主觀影響小，得出的結(jié)論更加符合實際[14]。

3 地下水污染評價結(jié)果分析

3.1 單因子污染評價結(jié)果

本次單因子污染評價參評指標(biāo)的背景值，選自20世紀(jì)80年代山東省地質(zhì)環(huán)境總站煙臺站地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)和山東省水環(huán)境調(diào)查項目所采集的地下水樣測試數(shù)據(jù)，剔除異常值后采用平均值加減2倍標(biāo)準(zhǔn)方差法得出本次單因子污染評價參評指標(biāo)的背景值(表1)。

表1 單因子污染評價參評指標(biāo)背景值 單位：mg/L

根據(jù)公式1求得每個樣品不同參評指標(biāo)的污染指數(shù)，對照表2對其污染程度和級別進行劃分[7]，繪制單因子污染評價污染程度柱狀圖(圖2)，可以看出，研究區(qū)硝酸鹽污染最為普遍，硝酸鹽污染程度在較重污染以上的樣品共計36個，占樣本總量的46.75%，亞硝酸鹽和氨氮污染較輕，亞硝酸鹽和氨氮污染程度在較重污染以上的樣品分別有5個，占樣本總量的6.49%。

表2 單因子污染評價分級標(biāo)準(zhǔn)表

圖2 單因子污染評價污染程度柱狀圖

3.2 土地利用類型與地下水污染程度的關(guān)系

隨著城市化進程的推進，許多土地的利用方式發(fā)生了改變，不僅對地下水的補給徑流排泄造成影響，而且還會帶來新的污染源造成地下水的污染。因此研究土地利用類型與地下水污染程度的關(guān)系，能夠準(zhǔn)確地判別地下水污染源的具體來源，為城市地下水污染防治以及土地利用規(guī)劃方案的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

通過收集研究區(qū)最新土地利用類型資料(圖3)，根據(jù)每個取樣點的具體位置，以取樣點為中心，半徑為500m作圓形區(qū)域[15]，利用軟件計算圓形區(qū)域內(nèi)面積占比最大的土地利用類型作為該點對應(yīng)的類型(表3)。分析土地利用類型與各參評因子污染程度的相關(guān)性。

1—研究區(qū)范圍；2—城鎮(zhèn)用地；3—公路用地；4—旱地；5—林地；6—農(nóng)村居民點用地；7—水澆地；8—園地；9—其他類型用地圖3 研究區(qū)土地利用類型分布圖

表3 取樣點土地利用類型一覽表

土地利用類型包括建筑用地、公路用地、林地、草地等，這些數(shù)據(jù)屬于定類數(shù)據(jù)，無法用具體的數(shù)值來衡量，因此不能直接計算土地利用類型與各參評指標(biāo)污染指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。因此本次分析選用二維交叉列聯(lián)表分析法，對兩兩變量間是否存在關(guān)聯(lián)性進行檢驗，然后利用卡方檢驗確定兩變量之間相關(guān)性的強弱。

利用SPSSStatistics23軟件，以硝酸鹽為例，根據(jù)硝酸鹽單因子污染評價結(jié)果將各樣品的污染程度轉(zhuǎn)化成定類變量，污染程度為未污染、輕污染、中污染、較重污染、嚴(yán)重污染、極重污染類別分別對應(yīng)1，2，3，4，5，6，將土地利用類型設(shè)為行變量，硝酸鹽污染程度定類變量設(shè)為列變量，進行二維交叉列聯(lián)表分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4 土地利用類型*硝酸鹽污染程度交叉表

由于所有數(shù)據(jù)中期望計數(shù)<1或者<5的數(shù)據(jù)個數(shù)超過20%，因此在卡方檢驗的時候必須選擇費舍爾確切檢驗(Fisher’sExactTest)，將確切檢驗的方法設(shè)置為蒙特卡洛方法，置信水平和樣本數(shù)量分別設(shè)置為95%和1000，根據(jù)SPSS卡方檢驗后得出的相伴概率P判斷行列變量是否存在相關(guān)性[16]。土地利用類型與硝酸鹽污染程度費舍爾確切檢驗的相伴概率P在95%置信區(qū)間的水平上P=0.000<0.05，因此土地利用類型與硝酸鹽污染程度存在相關(guān)性。要想判斷土地利用類型與硝酸鹽污染程度相關(guān)性的強弱，可以根據(jù)克萊姆Ⅴ系數(shù)大小判斷。計算求得土地利用類型與硝酸鹽污染程度克萊姆Ⅴ系數(shù)值為0.510，說明土地利用類型與硝酸鹽污染程度呈強相關(guān)關(guān)系。

要想進一步反應(yīng)不同土地利用類型之間污染程度的差異，可以通過比較調(diào)整后的殘差加以確定。由于涉及多重比較，為了估計更加保守，可以選擇調(diào)整后殘差的絕對值以3為界。大于3時，認為該數(shù)值的觀測頻數(shù)與期望頻數(shù)之間的差異存在統(tǒng)計學(xué)意義[17]。由表5可知，城鎮(zhèn)用地硝酸鹽污染程度為1(未污染)的調(diào)整后殘差為4.8，差異存在統(tǒng)計學(xué)意義，說明城鎮(zhèn)用地中傾向于不受到硝酸鹽的污染。同理，旱地硝酸鹽污染程度為2(輕污染)的調(diào)整后殘差為3.2，說明旱地傾向于受到較輕程度的硝酸鹽污染；農(nóng)村居民點用地硝酸鹽污染程度為3(中等污染)的調(diào)整后殘差為7，說明農(nóng)村居民點用地傾向于受到中等程度的硝酸鹽污染；園地硝酸鹽污染程度為5(嚴(yán)重污染)的調(diào)整后殘差為4.3，說明園地傾向于受到嚴(yán)重程度的硝酸鹽污染；水澆地硝酸鹽污染程度為6(極重污染)的調(diào)整后殘差為4.8，說明水澆地傾向于受到極重程度的硝酸鹽污染。

造成研究區(qū)硝酸鹽污染差異化分布的原因是：研究區(qū)土地利用類型中水澆地占比較大，水澆地含氮化肥的大面積過量使用，在細菌微生物的作用下發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)最終以硝酸鹽的形式滯留在土壤之中，隨降水和灌溉水下滲至淺層地下水造成水體嚴(yán)重污染。部分水澆地附近地表水體已經(jīng)受到生活生產(chǎn)污水的氮污染，在干旱年份淺層地下水補給量減少，在農(nóng)業(yè)灌溉過程中為了節(jié)約淺層地下水直接利用被污染的地表水體進行灌溉造成地下水氮污染加劇。園地在作物生長過程中化肥農(nóng)藥的使用量相對水澆地有所減少，因此硝酸鹽污染程度較水澆地有所減輕。農(nóng)村居民點用地硝酸鹽污染來源主要是生活污水、垃圾及糞便的不當(dāng)處理，硝酸鹽污染程度較之水澆地及園地更加減弱。城鎮(zhèn)用地由于硝酸鹽污染源較少，因此城鎮(zhèn)用地基本不受到硝酸鹽的污染。

土地利用類型與氯化物污染程度費舍爾精確檢驗的相伴概率值在95%置信區(qū)間的水平上P=0.400>0.05，因此土地利用類型與氯化物污染程度不存在相關(guān)性。地下水中氯化物主要來源包括含氯礦物的溶解以及風(fēng)化溶解、海水入侵、居民區(qū)生活污水以及糞便排放[18]。通過分析受氯化物較重污染程度以上取樣點的分布，受氯化物較重污染程度以上取樣點基本都分布在沿海區(qū)域，越靠近內(nèi)陸區(qū)域污染程度越小，推測研究區(qū)氯化物污染主要是由于海水入侵造成的。

土地利用類型與硫酸鹽污染程度費舍爾精確檢驗的相伴概率值在95%置信區(qū)間的水平上P=0.917>0.05，因此土地利用類型與硫酸鹽污染程度不存在相關(guān)性。通過分析硫酸鹽較重污染程度以上取樣點的分布，發(fā)現(xiàn)與氯化物污染程度分布相似，硫酸鹽較重污染程度以上取樣點基本都分布在沿海區(qū)域，內(nèi)陸區(qū)域污染程度較小，因此可以推斷研究區(qū)沿海地區(qū)硫酸鹽污染主要是由于海水入侵造成的，污染程度比較嚴(yán)重，內(nèi)陸地區(qū)硫酸鹽污染由化石燃料燃燒、工業(yè)污水排放、含硫酸鹽化肥農(nóng)藥過量使用造成，污染程度較輕。

土地利用類型與總硬度污染程度費舍爾精確檢驗的相伴概率值在95%置信區(qū)間的水平上P=0.297>0.05，因此土地利用類型與總硬度污染程度不存在相關(guān)性。通過分析總硬度較重污染程度以上取樣點的分布，我們發(fā)現(xiàn)，與氯化物污染程度分布相似，總硬度較重污染程度以上取樣點基本都分布在沿海區(qū)域，內(nèi)陸區(qū)域污染程度越小，因此可以推斷研究區(qū)沿海地區(qū)總硬度污染主要是由于海水入侵造成的，污染程度比較嚴(yán)重，內(nèi)陸地區(qū)總硬度污染受地質(zhì)因素[19-20]、污水排放、化肥農(nóng)藥過量使用以及地下水過量開采所致，污染程度較輕。

利用SPSS計算氯化物、硫酸鹽和總硬度兩兩變量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示：氯化物、硫酸鹽和總硬度兩兩變量之間的sig值均為0.000，說明變量之間在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)(表5)，氯化物、硫酸鹽和總硬度之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.903，0.919，0.948，說明兩兩變量之間相關(guān)性極強。也可以印證沿海區(qū)域氯化物、硫酸鹽和總硬度污染程度高均與海水入侵有關(guān)。

表5 氯化物、硫酸鹽和總硬度相關(guān)性分析結(jié)果表

土地利用類型與TDS污染程度費舍爾精確檢驗的相伴概率值在95%置信區(qū)間的水平上P=0.037<0.05，因此土地利用類型與TDS污染程度存在相關(guān)性。土地利用類型與TDS污染程度克萊姆Ⅴ系數(shù)系數(shù)值為0.328，說明土地利用現(xiàn)狀與TDS污染程度呈中等相關(guān)關(guān)系。同樣通過上述方法，計算求得土地利用類型與亞硝酸鹽與氨氮不具有顯著相關(guān)性。

3.3 基于粗糙集理論的地下水污染綜合評價結(jié)果

將本次地下水污染評價單指標(biāo)污染程度進行數(shù)值化處理，其中條件屬性分別為1(Pij≤0)，2(01.5)，決策屬性分別為1(未污染)、2(輕污染)、3(中污染)、4(較重污染)、5(嚴(yán)重污染)、6(極重污染)。根據(jù)條件屬性和決策屬性分別對論域進行不可區(qū)分分類，以硝酸鹽為例。

利用粗糙集理論計算方法，求得指標(biāo)(硝酸鹽污染程度C5)的權(quán)重：

同理，可以求得W(C1)=0.1875;W(C2)=0.125;W(C3)=0.125;W(C4)=0.1875;W(C6)=0.0625;W(C7)=0.0625

將各取樣點單因子污染評價指數(shù)乘以相應(yīng)的權(quán)重，得到該點的地下水污染綜合評價指數(shù)I，利用自然斷點法(jenks)對地下水污染綜合評價指數(shù)的污染等級進行劃分(表6)，繪制研究區(qū)松散巖類孔隙地下水污染綜合評價分區(qū)圖(圖4)。

表6 地下水污染綜合評價分級標(biāo)準(zhǔn)

3.4 分析與討論

研究區(qū)污染程度為未污染和輕污染區(qū)域面積分別約為113.63km2和141.86km2，分別約占總面積的18.08%和22.57%。農(nóng)村居民點用地、水澆地和園地雖也有小面積分布，但區(qū)域土地利用類型主要以城鎮(zhèn)用地為主，整體上區(qū)域污染源較少，未受到海水入侵影響，淺層地下水水交替迅速，地下水通過其自凈能力將水質(zhì)凈化，整體上該區(qū)域淺層地下水環(huán)境較好。

基于粗糙集理論的地下水污染綜合評價，首先從計算原理上，權(quán)重的計算能夠極大的避免主觀因素的影響，各參評指標(biāo)的權(quán)重值也與研究區(qū)單因子實際的污染程度相吻合。其次，通過粗糙集理論對研究區(qū)開展的地下水污染綜合評價能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)評價區(qū)的總體污染情況，評價結(jié)果合理，可靠性較高，對于區(qū)域地下水污染防治工作具有參考意義。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)研究區(qū)松散巖類孔隙水單因子評價結(jié)果顯示：研究區(qū)主要污染因子包括總硬度、TDS、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物、氨氮，其中硝酸鹽污染最為普遍。

(2)利用SPSSStatistics23軟件，基于數(shù)理統(tǒng)計分析研究區(qū)土地利用類型與主要污染因子之間的關(guān)系，結(jié)果表明：土地利用類型與硝酸鹽污染程度呈強相關(guān)關(guān)系，土地利用類型與TDS污染程度呈中等相關(guān)關(guān)系。土地利用類型雖然與硫酸鹽、氯化物和總硬度無明顯相關(guān)性，但三因子兩兩之間呈強相關(guān)性關(guān)系。

(3)基于粗糙集理論對研究區(qū)松散巖類孔隙水進行地下水污染綜合評價，結(jié)果表明：研究區(qū)嚴(yán)重污染和極重污染區(qū)主要分布在沿海地區(qū)，海水入侵是造成該區(qū)域污染程度嚴(yán)重的因素。研究區(qū)中污染和較重污染區(qū)也受到中等程度的海水入侵影響，農(nóng)業(yè)用地化肥農(nóng)藥的不合理使用，污水糞便的不合理排放也會造成區(qū)域污染加重，但影響程度不及海水入侵。該評價方法較為合理，值得推廣。