Análisis de la contaminación por elementos metálicos pesados ​​a partir de estadísticas geográficas

3.5.5.1 Características estadísticas de los elementos metálicos pesados ​​del suelo

Se describieron estadísticamente siete elementos metálicos pesados ​​en 15 puntos de muestreo del área de estudio según el tiempo de muestreo. Las características estadísticas se muestran en. Cuadro 3.15, entre los cuales Los valores promedio de cromo, plomo, níquel y manganeso en muestras de diciembre de 2010 fueron 42,30 mg/kg, 18,90 mg/kg, 28,74 mg/kg y 477,42 mg/kg respectivamente, los cuales fueron todos inferiores a los valores de fondo de elementos de metales pesados ​​en el suelo de la superficie de Ningxia, lo que indica que no hay enriquecimiento o acumulación evidente de elementos de metales pesados ​​en esta área. Los valores promedio de arsénico y cobre son 15,71 mg/kg y 28,56; mg/kg, que son superiores a los valores naturales de fondo, mostrando un cierto efecto de enriquecimiento, el valor medio de cadmio es de 0,67 mg/kg, que es mucho mayor que el valor de fondo natural de 0,112 mg/kg y supera el estándar secundario del suelo; de 0,6 mg/kg, mostrando un fuerte efecto de enriquecimiento. La desviación estándar del elemento cromo es relativamente grande, el contenido de iones cambia en un amplio rango y la distribución del contenido de otros elementos es relativamente uniforme, con pocos cambios en toda la región. Al comparar el contenido de elementos de metales pesados ​​de las muestras de los dos períodos, el contenido de elementos de metales pesados ​​de la muestra de primavera fue menor que el de la muestra de invierno. El contenido de elementos de metales pesados ​​en las muestras de la primera fase tiene una amplia gama de cambios, con rangos grandes, y la desviación estándar correspondiente es relativamente grande, y la distribución de la muestra está dispersa el contenido de elementos de metales pesados ​​medidos en la segunda fase; las muestras de fase tienen cambios más pequeños y toda el área muestra un cierto grado de uniformidad en la capa superficial. El contenido de elementos de metales pesados ​​en el suelo cambia con el cambio de estaciones. En invierno, debido al fuerte viento y la arena, la distribución de los pesados. Los elementos metálicos están dispersos y el grado de dispersión es relativamente alto. En primavera, debido a la desviación del agua para el riego, el contenido de cada metal pesado cambia relativamente lentamente.

Tabla 3.15 Tabla de valores estadísticos característicos de los elementos de metales pesados ​​del suelo

Nota: El valor promedio de los metales pesados ​​del suelo de la superficie de Ningxia en el valor de fondo nacional del suelo, "Estándar de calidad ambiental del suelo" ( GB 15618-1995), el estándar secundario cuando pH>7,5.

Los datos originales, los datos transformados logarítmicos y los datos transformados normales de Box-cox de 7 elementos de metales pesados ​​se sometieron a pruebas de asimetría, curtosis y normalidad de Shapiro-Wilk. Los resultados de las pruebas mostraron que el arsénico, el cobre, el original. Los datos de plomo, níquel y manganeso pasaron la prueba de normalidad con un nivel de significancia de 0,01. Después de la transformación Box-cox, el cromo se ajustaba a la distribución normal, pero el cadmio aún no se ajustaba a la ley de distribución normal. Según la investigación, cada uno de ellos es pesado. Metal en estado natural La distribución de los elementos se ajusta a la distribución normal. Para explorar la correlación entre los elementos de metales pesados, se llevaron a cabo las estadísticas del coeficiente de correlación de los elementos de metales pesados ​​(Tabla 3.16. A partir del coeficiente de correlación, se puede ver que el arsénico, el cobre, el plomo y el níquel tienen una correlación positiva significativa). , y el arsénico, el cobre, el plomo, el níquel y el manganeso y el cadmio muestran una fuerte correlación negativa, pero no existe una correlación obvia entre el cromo y otros elementos (Tabla 3.17). El análisis de correlación simple es difícil de eliminar la influencia de los mismos factores en el coeficiente de correlación. Puede causar que dos elementos de metales pesados ​​tengan una correlación fuerte o débil con un tercer elemento, lo que hace que los dos elementos de metales pesados ​​se correlacionen o no. Por lo tanto, es necesario describir más a fondo la relación de afinidad entre los elementos de metales pesados ​​y analizar la distribución espacial de los elementos de metales pesados.

Tabla 3.16 Tabla estadística de prueba de asimetría, curtosis y normalidad de elementos de metales pesados

Nota: Nivel de significancia a=0,01.

Tabla 3.17 Tabla de análisis de correlación de elementos de metales pesados

Nota: ? Nivel de significancia a=0,01.

3.5.5.2 Predicción de la distribución de elementos de metales pesados ​​del suelo basada en ANN

El modelo de red neuronal artificial (ANN) simula la forma en que el cerebro humano procesa y analiza problemas para estudiar problemas prácticos. Se dice que es una herramienta de modelado de caja negra que puede simular la relación cuantitativa entre entrada y salida en un sistema real a través del "aprendizaje" y tiene las características de adaptabilidad, autoaprendizaje, tolerancia a fallas y capacidad de memoria asociativa. es robusto, fácil de operar y tiene las características de un verdadero sistema de múltiples entradas y múltiples salidas, que no están disponibles en los métodos de modelado convencionales. Para caracterizar adecuadamente un modelo de red neuronal, es necesario involucrar al menos los siguientes tres aspectos: topología de la red, características de las neuronas y métodos de aprendizaje (entrenamiento).

Considerando que existe una relación de mapeo no lineal altamente compleja entre el contenido de cada ion metálico en el suelo y su posición espacial, no es adecuado utilizar métodos de modelado convencionales para resolver tales problemas, sino el modelo ANN. es adecuado El estudio de esta relación permite a ANN aprovechar su capacidad para manejar problemas con características de "caja negra" y establecer un modelo de mapeo de la relación entre el contenido de cada elemento de metal pesado y su posición espacial. Este libro utiliza el modelo de redes de retropropagación (en lo sucesivo, red BP) para estudiar la relación entre los dos anteriores.

En la aplicación práctica de los modelos ANN, la mayoría de ellos utilizan el modelo de red BP, que es la parte central de la red neuronal directa y su estructura consta de tres partes, a saber, la capa de entrada y la capa oculta; capa y capa de salida. Generalmente solo hay una capa de entrada y una capa de salida, y puede haber varias capas ocultas. Las neuronas de cada capa se distribuyen en paralelo y solo hay conexiones entre las neuronas (nodos) de las capas. No hay conexión entre las neuronas dentro de las capas. Utiliza un algoritmo de aprendizaje y formación guiado por el profesor y divide el proceso de aprendizaje en dos etapas: la etapa de propagación hacia adelante y la etapa de propagación hacia atrás. Las dos etapas se repiten alternativamente hasta que la salida de la red sea consistente con la salida esperada. La estructura y el estado de la red después del aprendizaje y el entrenamiento representan el modelo de mapeo de la relación entre entrada y salida. No es una función convencional o un modelo de regresión expresado mediante expresiones matemáticas, sino un modelo de simulación inteligente de caja negra. Los extremos de entrada y salida del modelo son, respectivamente, los valores de coordenadas en cada punto de muestreo y los valores de contenido de los siete elementos de metales pesados ​​allí. El principio es aprender y entrenar muestras existentes estableciendo una red BP hasta que la red "domine" por completo la correspondencia entre estas entradas y salidas. Luego, la capacidad de generalización de la red BP entrenada se utiliza para predecir el contenido de 7 elementos de metales pesados ​​en los 43 puntos de interpolación seleccionados, obteniendo así el contenido de elementos de metales pesados ​​en cada punto. La distribución de contenido obtenida de elementos de metales pesados ​​se utilizó para analizar más a fondo la variación espacial.

3.5.5.3 Factor de Enriquecimiento y Cálculo

El Factor de Enriquecimiento (EF) es un parámetro importante para evaluar el impacto de las actividades humanas en el enriquecimiento de elementos metálicos pesados ​​en suelos y sedimentos. . El significado básico del factor de enriquecimiento es comparar la concentración de elementos en la muestra con la concentración de elementos en el fondo para determinar el estado de contaminación de los elementos en el medio ambiental supergénico. Teniendo en cuenta el impacto de la reducción de los medios ambientales, el proceso de muestreo y la preparación de muestras en el contenido de los elementos, los elementos de referencia a menudo se introducen en el cálculo de los factores de enriquecimiento para la estandarización. La fórmula de cálculo se puede expresar como:

Protección y gestión de aguas subterráneas. de tipo de fuentes de agua potable: tomando como ejemplo la fuente de agua Jinji en la ciudad de Wuzhong

En la fórmula: Ci - concentración del elemento i (valor de prueba);

Cn - estandarización La concentración del elemento (valor de prueba);

la muestra y el fondo representan la muestra y el fondo respectivamente.

Seleccione níquel, que es mucho más bajo que el valor ambiental de fondo, como elemento estándar, y utilice el valor promedio de níquel como valor de prueba de fondo para el cálculo. Los resultados del cálculo se muestran en la Tabla 3.18.

Tabla 3.18 Rango de cambio de los factores de enriquecimiento de metales pesados ​​del suelo

Los factores de enriquecimiento de arsénico, cobre, manganeso y níquel son todos menores de 2, los factores de enriquecimiento de cromo y plomo son todos Menos de 1, los factores de enriquecimiento Nivel 1, ligeramente afectados por las actividades humanas. El rango de distribución del factor cadmio es 7,01-9,35, que está significativamente enriquecido, lo que indica que el cadmio está fuertemente contaminado y afectado.

3.5.5.4 Análisis espacial de los elementos de metales pesados ​​del suelo

El análisis estadístico convencional de los elementos de metales pesados ​​del suelo describe las características generales de los elementos de metales pesados ​​del suelo para reflejar las características y el alcance. de cambios entre datos, más investigaciones sobre el suelo La aleatoriedad y la estructura del contenido de elementos de metales pesados ​​se analizaron y discutieron utilizando análisis de semivarianza geoestadística para analizar y explorar la estructura de variación espacial del contenido de elementos de metales pesados ​​en el suelo. La estructura de variación del suelo incluye la variación estructural y la variación aleatoria de las variables regionales. La variación estructural se refiere a la variación causada por factores no humanos como el material parental del suelo, la topografía, el clima, etc. La variación aleatoria es causada por errores experimentales y fertilización a escala. menores que la escala de muestreo. Variaciones causadas por factores aleatorios como cultivos, niveles de manejo, etc.

La función de semivarianza se utilizó para analizar la distribución y variación de siete elementos de metales pesados ​​en el área de estudio. El modelo de semivarianza y sus valores de parámetros se muestran en la Tabla 3.19. Cada elemento de metales pesados ​​es consistente con el modelo gaussiano. La determinación de arsénico, cadmio, cromo, cobre, plomo y manganeso es superior a 0,9, entre los cuales el cromo tiene un residuo grande y los residuos de otros elementos metálicos pesados ​​son relativamente pequeños (Figura 3.27).

Tabla 3.19 Tabla del modelo de función de semivarianza

Figura 3.27 Diagrama de variación de la función de semivarianza de cada elemento de metal pesado

El rango de variación también se denomina distancia máxima de correlación espacial , que refleja el tamaño del rango de autocorrelación del espacio variable. Los rangos de arsénico, cadmio, cromo, cobre, plomo, níquel y manganeso en el suelo son 6,77 km, 8,90 km, 9,15 km, 6,88 km, 4,57 km, 2,13 km y 5,00 km respectivamente. El rango de correlación espacial de los metales pesados. Los elementos son de mayor a menor. El orden del suelo es cromo, cadmio, cobre, arsénico, manganeso, plomo y níquel. La varianza de la pepita representa la heterogeneidad espacial causada por la parte aleatoria, y el valor del umbral representa la variación total dentro del sistema, que es la suma de la variación estructural y la variación aleatoria. La variabilidad espacial de cada elemento de metal pesado en el suelo se puede dividir de acuerdo con la relación entre el valor de la pepita y el valor del umbral (es decir, el coeficiente de la pepita representa la proporción de la variabilidad espacial causada por partes aleatorias con respecto a la variación general). . Cuando C0/(C0 C) <25, indica que la variación espacial de la variable es principalmente variación estructural, y la variable tiene una fuerte correlación espacial cuando es de 25 a 50, la variable tiene una autocorrelación espacial obvia cuando es de 50 a 75; variable Es un grado medio de correlación espacial; cuando >75, domina la variación aleatoria y la correlación espacial de las variables es muy débil. Los coeficientes de pepita en el área de estudio son todos inferiores a 25, lo que muestra una fuerte variación estructural en el espacio, afectada principalmente por el material parental del suelo.

Conclusión: Los valores promedio de cromo, plomo, níquel y manganeso en el área de estudio son todos inferiores a los valores naturales de fondo, y no hay enriquecimiento o acumulación evidente de arsénico y el cobre son superiores; que los valores de fondo naturales en la Región Autónoma de Ningxia Hui, y mediante el cálculo del factor de conjunto de enriquecimiento y el análisis de variabilidad espacial mostraron que estos dos elementos no han estado sujetos a una fuerte interferencia humana. Se considera que el contenido de este elemento de metal pesado en. esta área es más alta que el valor promedio de toda la región de Ningxia; el valor promedio de cadmio es 0,67 mg/kg, que es mucho más alto que el valor natural de fondo es 0,112 mg/kg, que excede el estándar secundario del suelo de 0,6 mg/. kg, lo que muestra un fuerte efecto de enriquecimiento Al ajustar el modelo de semivarianza, el residuo de ajuste es grande y la confiabilidad del modelo se reduce. A partir del análisis espacial, se puede ver que cada ion de metal pesado tiene una fuerte correlación espacial. principalmente variación estructural y es más afectado por el material parental del suelo. Por lo tanto, se considera que la causa de la influencia en el contenido de cadmio puede ser la contaminación agrícola causada por la aplicación prolongada de fertilizantes y pesticidas químicos.

3.5.5.5 Características de distribución de elementos metálicos pesados ​​en el medio acuático

No se detectó plomo, metal pesado, en el agua del río Amarillo, en las aguas residuales de los emisarios de empresas industriales y en las aguas residuales de Nangangou analizadas en en este libro no se detectaron cadmio ni cromo, se detectaron trazas de cobre y níquel, todos por debajo del límite inferior del estándar de aguas subterráneas de Clase I, se detectó en la entrada y salida de Nangangou y en las empresas a lo largo del camino. El contenido de manganeso en los tramos superiores de Nangangou era bajo y cumplía con el estándar de calidad del agua subterránea de Clase I. El contenido en la salida alcanza el estándar de agua de Clase IV; el arsénico se detecta comúnmente en las aguas superficiales y las aguas residuales de las empresas industriales de la zona. 3,28 (unidad mg/kg), se puede ver que el arsénico se detecta principalmente a lo largo del río Amarillo y Nangangou y Qingergou. Los puntos más altos se distribuyen alrededor de las empresas industriales. Según los datos, el arsénico se descarga de las aguas residuales de las plantas de fertilizantes. a lo largo del camino cumple con el estándar de Clase II y el contenido de descarga restante cumple con el estándar de Clase I.

Los metales pesados ​​detectados en las aguas subterráneas incluyen principalmente arsénico (As), cadmio (Cd), cromo (Cr), cobre (Cu), plomo (Pb), níquel (Ni) y manganeso (Mn). ), el límite de detección es generalmente un orden de magnitud inferior al estándar de calidad del agua subterránea. No se detectó plomo en las muestras de agua; se detectaron trazas de cadmio, cromo y cobre en puntos de muestreo individuales, la mayoría de los cuales estaban por debajo del límite de detección, y los contenidos de los elementos detectados eran todos inferiores al límite inferior del límite inferior. Estándar de agua subterránea de Clase I; se encontraron níquel y manganeso en toda la región. Ampliamente detectado, principalmente de conformidad con los estándares de agua subterránea de Clase I y II, se puede ver en la Figura 3.28 que el contenido de níquel en el agua subterránea a lo largo de la sección desde el Canal de Malí y Qingergou hasta el la intersección de Qingergou y Nangangou es generalmente mayor que el contenido de níquel en las aguas subterráneas de toda la región. El contenido de manganeso en las aguas subterráneas y las aguas residuales vertidas dentro de la zona industrial es bajo en el centro de la fuente de agua y en algunas áreas a lo largo del río Amarillo. Río, el contenido de manganeso es alto, por lo que pertenece al agua de Clase IV.

A partir de la distribución de elementos de metales pesados ​​en el agua, se puede ver que el arsénico se detecta comúnmente en las aguas residuales industriales y en las aguas residuales de Nangangou, pero el contenido de arsénico en las aguas subterráneas a lo largo de Nangangou no muestra fluctuaciones ni enriquecimiento; Las concentraciones de níquel están en El alcance de las fuentes de agua y las áreas industriales ha cambiado significativamente. El manganeso se detecta comúnmente en el agua subterránea y excede el estándar en un amplio rango. La concentración es superior a 0,1 mg/L. Es agua de Clase IV clasificada como calidad de agua subterránea. La concentración de manganeso en las aguas subterráneas a lo largo de Nangangou se reduce significativamente. El contenido de manganeso en las aguas residuales es inferior al promedio de toda la región; el contenido de níquel se distribuye uniformemente en toda la región y el contenido aumenta dentro de la zona industrial. Los cambios en el contenido de estos dos elementos de metales pesados ​​reflejan que el manganeso y el níquel no sólo tienen una correlación negativa significativa en el suelo, sino que también tienen un patrón similar de aumento y disminución en el agua subterránea. Durante el proceso de migración de contaminantes, las condiciones de oxidación-reducción, el pH, los efectos biológicos y la composición química del agua del suelo y los sistemas de aguas subterráneas tienen un impacto importante en la migración y transformación de contaminantes, cambiando la distribución espacial y el contenido de elementos de metales pesados. El análisis comparativo de los resultados de las pruebas de calidad del agua subterránea y los resultados de las pruebas del indicador de aguas residuales en toda la región mostró que los contenidos de pH y demanda química de oxígeno (DQOcr) de las aguas residuales fueron significativamente mayores que las cantidades detectadas en las aguas subterráneas. Los elementos metálicos reflejaron principalmente el impacto de la descarga de aguas residuales superficiales de Nangangou en el suelo y los cambios en el pH y las condiciones redox en las aguas subterráneas.

Figura 3.28 Mapa de distribución de elementos metálicos pesados ​​en el medio acuático