豫北地区高砷地下水分布研究

作     者：翟文华 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王小东

授予年度：2023年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0815[工学-水利工程] 

主      题：地下水 砷 空间分布 富集机理 Stacking集成框架 

摘      要：地下水砷污染是当前面临严重的水资源问题。黄河下游冲积平原豫北地区是河南省重要的粮食产地,用于农业灌溉及饮用的地下水中存在大量砷富集现象,会对人体健康产生不良影响,为更好的评估该地区地下水砷污染范围,本文利用豫北地区1081个地下水采样点,并结合沉积环境、气候、水文地质、包气带特征、土壤理化特征、人类活动等环境因子,通过递归特征消除算法选择最佳变量组合,构建以支持向量机(SVM)、极端梯度提升(XGBoost)、随机森林(RF)为基学习器,线性判别分析(LDA)为元学习器的堆叠(Stacking)模型,对豫北地区高砷地下水风险的空间分布进行预测,并对关键环境变量进行重要性分析。取得如下研究成果:(1)研究区浅层地下水样品中,砷质量浓度范围为0.01～190μg/L,砷质量浓度10μg/L(超过国际标准)的样本占总样本的16.76%,地下水样品中砷质量浓度平均值为7.06μg/L,存在着空间变异特征,由西南向东北方向高砷范围逐渐减少。(2)构建了以RF,XGBoost和SVM为基学习器,LDA为元学习器的Stacking高砷地下水风险预测模型,并较好的预测了豫北地区高砷地下水风险的空间分布。Stacking模型相对于RF,XGBoost和SVM模型具有最大的AUC(Area Under Curve)、准确率(Accuracy)、特异性(Specificity)和敏感性(Recall)。豫北地区浅层地下水中砷的空间分布极不均匀,在研究区中部及南部分布较多,西部及北部分布较少。地下水砷质量浓度超出10μg/L的面积为6673.25 km,占研究区总面积的33.78%,分布在研究区太行山冲洪积扇前缘的洼地及黄河决口扇一带。主要分布在濮阳市的范县和濮阳县部分地区,新乡市的延津县、原阳县和封丘县北部,以及安阳市的滑县和内黄县西南部地区。(3)分析了影响豫北地区高砷地下水风险预测的关键环境变量。黄河决口情况、年均气温、年降水量、高程、水力梯度是对豫北地区高砷地下水风险预测影响排序靠前的环境变量。沉积环境(黄河决口次数、第四系地貌类型、高程、黏砂比)对高砷地下水风险预测影响较大。预测高砷地下水的概率随着黄河决口次数、降水量、渗透系数、给水度、地面高程、坡度、水力梯度和与河流距离的增加而逐渐减小,但随着水位埋深、表层土粉砂含量、气温和蒸散增加预测高砷地下水的概率逐渐增大。