王 攀，靳孟貴，路東臣，王 濤，付 進(jìn)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078；2.河南省國(guó)土資源科學(xué)研究院，河南 鄭州 450053)

淺層地下水是水資源的重要組成部分，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)平衡有著重要的意義。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，淺層地下水受人類活動(dòng)的影響越來(lái)越明顯。城鎮(zhèn)化在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也造成了地下水環(huán)境的破壞。世界各地都有關(guān)于城鎮(zhèn)化對(duì)地下水造成破壞影響的報(bào)道。解決城鎮(zhèn)化發(fā)展與地下水保護(hù)之間的矛盾是當(dāng)前地下水工作者所面臨的重大問(wèn)題之一。

永城市作為河南省一個(gè)縣級(jí)市，自上世紀(jì)90年代國(guó)家確立永夏礦區(qū)重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目以來(lái)，工礦業(yè)近三十年來(lái)得以迅速發(fā)展，由農(nóng)業(yè)縣發(fā)展成為重要的煤炭開采加工及糧食基地。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，該市地下水水質(zhì)受到明顯破壞，70%的淺層地下水水質(zhì)為Ⅳ類、Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水。

以往關(guān)于永城市地下水的研究多集中于對(duì)煤礦礦井涌水量的研究，而針對(duì)由城市發(fā)展帶來(lái)的淺層地下水污染問(wèn)題的研究并不多。隨著地下水水質(zhì)對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展的制約作用凸顯，地下水水質(zhì)惡化問(wèn)題成為學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。如許可等應(yīng)用綜合指標(biāo)法、模糊綜合評(píng)判法、投影尋蹤法評(píng)價(jià)了永城市潛水含水層的防污性能，認(rèn)為即使減少地下水開采，潛水含水層防污性能差和防污性能中等地區(qū)仍占到城區(qū)面積的30%，該市潛水資源極易受到污染；左俊等對(duì)該市淺層地下水中氟化物的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指出基巖風(fēng)化、地勢(shì)較低、含水介質(zhì)黏性土含量高為氟富集的主要原因。

上述研究從不同方面反映了城市人類活動(dòng)與淺層地下水之間的相互作用和影響。然而，針對(duì)城鎮(zhèn)化對(duì)淺層地下水水質(zhì)影響的研究卻很少。為此，本文提出兩個(gè)假設(shè)：①永城市淺層地下水水質(zhì)隨城市化發(fā)展發(fā)生了顯著變化；②城鎮(zhèn)化發(fā)展不同階段對(duì)淺層地下水的主要影響因素不同。為了證明假設(shè)，于2017年采集永城市淺層地下水水樣進(jìn)行測(cè)試，并采取多種方法相結(jié)合對(duì)城鎮(zhèn)化對(duì)永城市淺層地下水水質(zhì)的影響進(jìn)行了綜合研究。本文研究結(jié)果可為改善該地區(qū)地下水水質(zhì)以及合理開發(fā)地下水資源提供科學(xué)依據(jù)，也可為面臨類似問(wèn)題的城市提供參考。

1 研究區(qū)概況

永城市是位于河南省最東部的城市，本次研究范圍劃定為該城區(qū)及其周邊協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)，研究區(qū)總面積約為418 km，地理坐標(biāo)為116°15′00″～116°33′45″E，33°47′30″～34°02′30″N。該地區(qū)屬黃淮沖積平原，地形上由西北-東南向微傾，平均海拔為31.9 m。本區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)型氣候，年平均氣溫為15℃，平均降水量為787 mm，平均蒸發(fā)量為1 465.1 mm。該地區(qū)地表水多屬淮河洪澤湖水系，大多為季節(jié)性過(guò)境河，主要河流有沱河、澮河、包河、王引河等，貫通永城市全境，最終匯入安徽省內(nèi)淮河。

研究區(qū)淺層地下水主要賦存于第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)上部沖洪積層中，底板埋深約為60 m，含水介質(zhì)以粉土、粉質(zhì)黏土和粉砂等構(gòu)成，構(gòu)成單一潛水含水層和多層部分承壓及承壓含水層，其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水、農(nóng)業(yè)灌溉以及深層地下水補(bǔ)給、地表水側(cè)向徑流，地下水水平徑流較為遲緩，流場(chǎng)(2017年3月地下水水位調(diào)查數(shù)據(jù))如圖1所示； 地下水的主要排泄方式為蒸發(fā)、人工采水及側(cè)向徑流排泄。

圖1 研究區(qū)淺層地下水水文地質(zhì)剖面、等水位線和采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Hydrogeological profile,groundwater contour and sampling point location in the study area

從20世紀(jì)90年代撤縣立市以來(lái)，該市經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展，1996年該市GDP僅為37.3億元，而2016年為153.3億元，增長(zhǎng)近4倍；2016年該市城鎮(zhèn)居民人均可支配收入為26 758元，是1996年的近8倍。2016年該市城鎮(zhèn)化率為48.8%，城市經(jīng)濟(jì)對(duì)于GDP貢獻(xiàn)率超七成，工業(yè)取代農(nóng)業(yè)成為了該市的支柱產(chǎn)業(yè)。城鎮(zhèn)化和工業(yè)化在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源造成了嚴(yán)重破壞。據(jù)監(jiān)測(cè)資料顯示，該市絕大部分地表水以劣Ⅴ類水質(zhì)為主，無(wú)法作為城市生產(chǎn)生活用水，淺層地下水成為了該市的主要用水水源。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本次研究在收集歷史資料的基礎(chǔ)上，于2017年3月采集了淺層地下水水樣共33個(gè)，并取2個(gè)地表水水樣作對(duì)比分析。為保證結(jié)果的客觀性及代表性，地下水采樣點(diǎn)主要布設(shè)在煤礦區(qū)、化工區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)及居民生活區(qū)。采集地下水樣品時(shí)按順序編號(hào)，并用手持GPS儀記錄采樣點(diǎn)位置(見圖1)，同時(shí)測(cè)量記錄井深、水位等信息，采樣時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(2004)》。取樣前對(duì)聚乙烯采樣瓶進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化清洗操作，每個(gè)水樣共采集兩瓶，一瓶加入濃硝酸酸化使pH<2，用以測(cè)試陽(yáng)離子濃度；另一瓶不加硝酸用以測(cè)試陰離子濃度。采樣結(jié)束后24 h內(nèi)將樣品送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試分析。

(1)

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m

m

經(jīng)計(jì)算，所有樣品的離子平衡誤差在±5%以內(nèi)。

數(shù)據(jù)處理方法：應(yīng)用Origin8.5軟件作出離子濃度比值圖、Chadha圖和柱狀圖(Chadha and Tamta,1999)，應(yīng)用WPS2009和SPSS19軟件對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 淺層地下水水化學(xué)特征及其變化分析

在20世紀(jì)七八十年代，該區(qū)域未進(jìn)行大規(guī)模的城市化及礦產(chǎn)開發(fā)活動(dòng)，淺層地下水水化學(xué)類型較為單一，而隨著人類活動(dòng)影響的加劇，淺層地下水水化學(xué)類型變得復(fù)雜，水質(zhì)變差。2003年城鎮(zhèn)化初期與2017年城鎮(zhèn)化高度發(fā)展期淺層地下水水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1，其中2003年數(shù)據(jù)來(lái)源于《河南省永城市神火工業(yè)園區(qū)水源地供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告》，兩次水樣測(cè)試機(jī)構(gòu)均為河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院(河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站)。

表1 2003年和2017年永城市淺層地下水水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

2003年和2017年研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型和各種離子濃度變化，見圖2。

圖2 2003年和2017年淺層地下水水化學(xué)類型和 離子濃度變化Fig.2 Change of Hydrochemical types and ionic concentration in shallow groundwater in 2003 and 2017

為了更準(zhǔn)確比較研究區(qū)淺層地下水水質(zhì)變化，本文選取車集煤礦和神火鋁業(yè)周邊的水樣點(diǎn)LY01～LY06(2003年歷史水樣)與其周邊2017年水樣點(diǎn)SY10、水樣點(diǎn)SY20～SY23取均值進(jìn)行了地下水水化學(xué)特征對(duì)比，并繪制研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型Chadha圖和離子濃度變化柱狀圖，見圖2。Chadha圖是Chadha提出的一種地下水水化學(xué)分類方法，可用于研究地下水水化學(xué)組分之間的關(guān)系。

由圖2可以看出，除Ca濃度略微下降外，其余離子濃度及TDS都呈上升之勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)淺層地下水水質(zhì)發(fā)生了明顯變化。

3.2 淺層地下水水化學(xué)特征的控制因素分析

隨著煤田大規(guī)模開采及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，永城市社會(huì)和經(jīng)濟(jì)得到了充分發(fā)展，1996年10月撤縣立市，2004年又成為重點(diǎn)擴(kuò)權(quán)市由河南省直管，便利的交通位置、豐富的礦產(chǎn)資源使該市迅速發(fā)展成為全國(guó)重要的煤炭及煤化工業(yè)基地和產(chǎn)糧區(qū)。

城鎮(zhèn)化穩(wěn)步發(fā)展也需要健康的地下水環(huán)境，因此對(duì)破壞城市淺層地下水水質(zhì)中組分的來(lái)源、影響因素及其成因進(jìn)行研究，從而保護(hù)淺層地下水環(huán)境，是目前需要解決的重要問(wèn)題之一。由于地下水中離子間存在相互聯(lián)系和相互影響，而多元統(tǒng)計(jì)學(xué)中相關(guān)分析可通過(guò)因素間的相關(guān)性、相關(guān)程度研究，以此來(lái)分析地下水水質(zhì)的變化。

表2 2003年永城市淺層地下水中離子間 Pearson 相關(guān)系數(shù)表

表3 2017年永城市淺層地下水中離子間 Pearson 相關(guān)系數(shù)表

圖3 永城市淺層地下水中[N+Cl-]/[HC]與 TDS之間的比值關(guān)系圖Fig.3 Relationship between[N+Cl-]/[HC] ion ratio and TDS in shallow groundwater of Yongcheng City

圖4 永城市淺層地下水中[Ca2++Mg2+]/[HC]與之間的比值關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the ratio of [Ca2++ shallow groundwater of Yongcheng City

因子分析法可通過(guò)降維使指標(biāo)綜合化，可更全面地對(duì)地下水水質(zhì)變化的影響因素進(jìn)行分析。本文對(duì)2003年永城市淺層地下水的水化學(xué)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行了因子分析，并根據(jù)方差貢獻(xiàn)率提取主因子，其相關(guān)系數(shù)矩陣的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣見表4。

表4 2003年永城市淺層地下水水化學(xué)特征數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

對(duì)2017年永城市淺層地下水的水化學(xué)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，并根據(jù)方差貢獻(xiàn)率提取主因子，其相關(guān)系數(shù)矩陣的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣見表5。

表5 2017年永城市淺層地下水水化學(xué)特征數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

3.3 城鎮(zhèn)化對(duì)淺層地下水水質(zhì)的影響

其中，研究區(qū)淺層地下水中Cl的濃度在15年間有了明顯的增長(zhǎng)。2003年淺層地下水中Cl的平均濃度為23.92 mg/L，而2017年該值為54.57 mg/L，增長(zhǎng)了1.2倍。Cl有天然和人類活動(dòng)兩類來(lái)源，Cl的天然來(lái)源是巖鹽溶解，巖鹽溶解會(huì)帶來(lái)Na與Cl濃度同時(shí)上升；Cl的人工來(lái)源主要是生活廢水和生活垃圾。從永城市淺層地下水水化學(xué)特征數(shù)據(jù)可以看出，淺層地下水中Na濃度并未隨Cl的增長(zhǎng)而上升，且與Cl的相關(guān)性在逐年下降；2003年Na與Cl的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.62，而2017年該值僅為0.37，由此可知Cl濃度增長(zhǎng)主要來(lái)自城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來(lái)的生活污水排放。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年永城市全市污水排放量?jī)H為1 000多萬(wàn)噸，而2011年增至5 000多萬(wàn)噸，城鎮(zhèn)生活污水排放量占全部污水排放量的55%左右。大量的污水排放對(duì)淺層地下水水質(zhì)的破壞嚴(yán)重。

4 結(jié)論與建議

本文采用變異系數(shù)、Chadha圖、離子濃度比值、多元統(tǒng)計(jì)分析等多種方法對(duì)永城市淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行了綜合研究，得出以下結(jié)論：

(1) 受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響，永城市淺層地下水水化學(xué)特征發(fā)生了明顯變化，2003年城鎮(zhèn)化初期，淺層地下水水化學(xué)類型主要為HCO-Ca·Mg型水；2017年城鎮(zhèn)化高速發(fā)展期，淺層地下水水化學(xué)類型變得復(fù)雜，出現(xiàn)多種水化學(xué)類型。

(3) 2003年淺層地下水因子分析結(jié)果表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的淺層地下水污染方差貢獻(xiàn)率為62.82%，成為淺層地下水水質(zhì)污染的主要控制因素；而2017年因子分析表明工礦業(yè)帶來(lái)的淺層地下水污染方差貢獻(xiàn)率為60.70%，農(nóng)業(yè)污染所占的比重明顯下降。

綜合分析結(jié)果表明：城鎮(zhèn)化的發(fā)展對(duì)永城市淺層地下水水質(zhì)污染嚴(yán)重，且在城鎮(zhèn)化發(fā)展的不同階段呈現(xiàn)出不同的污染特征。建議根據(jù)城鎮(zhèn)化發(fā)展的階段特征，開展有針對(duì)性的淺層地下水污染治理工作。