劉姝媛，李云禎，，王 濤，高 程，于 茵

(1.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.西華師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637002)

1 引言

地下水作為重要的生活、生產(chǎn)用水水源，在我國的經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活中有著重要的作用。由于長期受到人類活動(dòng)的影響，地下水水質(zhì)有不斷惡化的趨勢，合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水資源顯得愈發(fā)重要。地下水水質(zhì)的優(yōu)劣不僅影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，更關(guān)系到人體健康和水環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，研究地下水水質(zhì)特征及其污染影響因素，是確保水質(zhì)安全，切實(shí)有效地進(jìn)行地下水污染防控的必要手段。本文收集C市不同區(qū)域的地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過相關(guān)分析、主成分分析等方法，研究該市地下水水質(zhì)狀況，分析潛在的污染影響因素，力求揭示該市地下水主要污染來源，保障地下水供水安全。

2 材料與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是我國西部重要的特大城市C市，全市東西長192 km，南北寬166 km，總面積14335 km2，地勢由西北向東南傾斜海拔大多在750～3000 m之間。該市降水豐沛，年均水資源總量為304.72億m3，其中地下水31.58億m3，過境水184.17億m3，基本上能滿足該市人民生活和生產(chǎn)建設(shè)用水的需要。該市大部分地區(qū)均覆蓋有第四系松散堆積層，地下水類型主要為松散堆積砂礫卵石層孔隙潛水和侏羅—白堊系砂泥巖裂隙孔隙水。地下水的補(bǔ)給來源主要有降雨入滲補(bǔ)給和地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，河流、渠系、農(nóng)灌也是重要補(bǔ)給。地下水的排泄主要以向區(qū)外側(cè)向排泄、人工開采和施工降水為主。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本次收集該市不同區(qū)域的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取的主要監(jiān)測項(xiàng)目為酸堿度(pH值)、鉀(K+)、鈉(Na+)、鈣(Ca2+)、鎂(Mg2+)、硫酸鹽(SO42-)、氯化物(Cl-)、氨氮(NH4+)、硝酸鹽(NO3-)、亞硝酸鹽(NO2-)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、總硬度、氟化物(F-)、鐵(Fe2+)、錳(Mn2+)等15項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。其中pH值采用玻璃電極法，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+采用原子吸收分光光度法，SO42-、Cl-、NO3-、F-采用離子色譜法，NH4+采用納氏試劑分光光度法，NO2-采用分光光度法，TDS采用稱量法，總硬度采用EDTA滴定法。

2.3 研究方法

利用EXCEL2010軟件、SPSS22.0軟件對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征

對地下水的15項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。地下水的pH值范圍在7.01～8.02之間，平均值為7.45，呈弱堿性，變異系數(shù)為3.98%。地下水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+濃度范圍分別在0.557～47.9 mg/L、1.75～62.2 mg/L、0.491～153.0 mg/L、0.325～21.7 mg/L和0～0.513 mg/L之間，平均值分別為14.14 mg/L、33.27 mg/L、73.17 mg/L、8.45 mg/L和0.037 mg/L，Ca2+>Na+>K+>Mg2+>NH4+。地下水中SO42-、Cl-、F-、NO3-、NO2-濃度范圍5.33～183.0 mg/L、6.0～65.1 mg/L、0.173～0.942 mg/L、0.765～13.3 mg/L和0～0.012 mg/L之間，平均值分別為91.11 mg/L、24.76 mg/L、0.629 mg/L、6.53 mg/L和0.004 mg/L， SO42->Cl->NO3->F->NO2-。地下水中Fe2+、Mn2+的濃度范圍在0～0.4 mg/L和0～0.26 mg/L之間。地下水中的總硬度在236.0～448.0 mg/L，平均值為343.5 mg/L，低于飲用水限值(450 mg/L)。TDS 是水中溶解組分的總量，濃度在316.0～732.0 mg/L，平均值為505.45 mg/L，遠(yuǎn)低于地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)1000 mg/L的限值。變異系數(shù)能在一定程度上定量反映出物質(zhì)在空間尺度上的波動(dòng)程度[1]。從表1可以看出，地下水pH值變異系數(shù)較小，空間異質(zhì)性不明顯。其余地下水水質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)較大，空間異質(zhì)性明顯。以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB /T 14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)限值為依據(jù)，判斷各監(jiān)測指標(biāo)的超標(biāo)情況，地下水中超標(biāo)的水質(zhì)指標(biāo)有NH4+、Fe2+和Mn2+，超標(biāo)率分別為5%、5%和15%。NH4+超標(biāo)可能是地下水水質(zhì)已受到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活污染排放的影響。

表1 地下水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析 mg/L(pH值無量綱)

3.2 地下水水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

從表2中可以看出，K+、Ca2+、Cl-、TDS與SO42-之間，Ca2+、NO3-與K+之間，Ca2+與Cl-之間均有顯著的相關(guān)關(guān)系。K+、Na+、Ca2+、Cl-、NO3-、總硬度與TDS相關(guān)性較高，表明地下水水化學(xué)成分受這些離子影響顯著。NO3-與NO2-之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明地下水中“三氮”的相互轉(zhuǎn)化。NO3-與K+之間的顯著相關(guān)關(guān)系，表明地下水的水質(zhì)受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

3.3 地下水水質(zhì)分析

3.3.1 地下水水質(zhì)評價(jià)

地下水水質(zhì)評價(jià)是根據(jù)國家制定的水質(zhì)等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)限值將不同水質(zhì)指標(biāo)定量分析并劃分類別的過程，可清楚的揭示水質(zhì)的健康狀況，為地下水資源的利用、規(guī)劃和管理提供依據(jù)[2,3]。以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)作為本次地下水水質(zhì)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國內(nèi)外計(jì)算綜合污染最常用的方法之一，是一種突出最大污染因子作用的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法，它特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子，同時(shí)還可以反映出污染因子對環(huán)境的綜合作用，具有很好的適用性和優(yōu)越性[3]，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：P為監(jiān)測點(diǎn)位i的綜合污染指數(shù)；Pi為地下水化學(xué)指標(biāo)評分值(表3)；PiAve為監(jiān)測點(diǎn)位i所有參評地下水化學(xué)指標(biāo)評分值的算術(shù)平均值；PiMax為監(jiān)測點(diǎn)位i的地下水化學(xué)指標(biāo)評分值的最大值。通過P值判斷地下水水質(zhì)級(jí)別(表4)。

表2 主要水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系

表3 地下水各單項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)不同等級(jí)評分值

表4 內(nèi)梅羅綜合評分值與水質(zhì)級(jí)別

選取pH值、總硬度、TDS、NH4+、F-、NO3-、NO2-、SO42-、Cl-、Na+、Fe2+、Mn2+12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行地下水質(zhì)量評價(jià)(表5)。結(jié)果表明，本次評估的地下水水質(zhì)整體較好，水質(zhì)為優(yōu)良和良好的比例總體達(dá)到80%。

表5 地下水內(nèi)梅羅綜合評分值統(tǒng)計(jì)

3.3.2 地下水水質(zhì)主成分分析

主成分分析(PCA)是一種多元統(tǒng)計(jì)方法，在水質(zhì)分析中，可以通過提取數(shù)據(jù)集中的主要成分，識(shí)別影響水質(zhì)的重要指標(biāo)，確定主要污染源類型及不同污染源的貢獻(xiàn)程度[4]。在本研究中，共提取出3個(gè)主成分PC1、PC2和PC3，每個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率依次遞減，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為81.518%，可反映整體樣本信息。由圖1 可知，第一主成分PC1主要由pH值、TDS、NO3-、NO2-、SO42-、Cl-、Na+共7項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)組成，同時(shí)TDS與NO3-、SO42-、Cl-、Na+呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這些水質(zhì)指標(biāo)對PC1的貢獻(xiàn)可以看作是地下水環(huán)境自然演化及水巖介質(zhì)相互作用的結(jié)果，同時(shí)，也反映出區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)受到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響。第二主成分PC2主要由總硬度、F-、Fe2+、Mn2+共4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)組成，反映了研究區(qū)的原生地質(zhì)條件。第三主成分PC3主要是由總硬度和NO2-這2項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)組成，可能主要受工業(yè)生產(chǎn)或生活因素的影響。

圖1 地下水主成分旋轉(zhuǎn)因子荷載

4 結(jié)論

(1)某市地下水水質(zhì)指標(biāo)除pH值以外，變異系數(shù)均較大，空間異質(zhì)性明顯。本次采集的水樣超標(biāo)的水質(zhì)指標(biāo)有NH4+、Fe2+和Mn2+，超標(biāo)率分別為5%、5%和15%。NH4+超標(biāo)可能是地下水水質(zhì)已受到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活污染排放的影響。本次評估的地下水水質(zhì)整體較好，水質(zhì)為優(yōu)良和良好的比例總體達(dá)到80%。

(2)各指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，NO3-與NO2-呈正相關(guān)，體現(xiàn)出“三氮”間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系；NO3-與K+呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明地下水的水質(zhì)受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

(3)主成分分析結(jié)果表明，地下水水質(zhì)是原生地質(zhì)條件、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和日常生活等多種影響因素共同作用下的結(jié)果。