趙 艷 麗，王 敏，李 常 鎖

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014； 3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 地下水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014； 4.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引 言

地下水是水資源的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦企業(yè)以及城市生活用水的重要水源，其水質(zhì)的好壞直接影響著人類生活的方方面面。山東省淄博地區(qū)是中國北部水資源緊缺的典型代表，其中主要是淄河為沿岸居民提供水資源，據(jù)以往資料顯示，部分區(qū)域的地下水已經(jīng)受到污染。盧杰等[1]分析了淄河上游源泉控制斷面水質(zhì)的變化，指出研究區(qū)水質(zhì)污染呈下降的趨勢；馬震等[2]也對淄河下游污染區(qū)地下水污染特征進(jìn)行了分析，得到淄河下游地表水和淺層地下水污染嚴(yán)重的結(jié)論；游京[3]對淄河水源地地下水的研究中也同樣指出部分地區(qū)水質(zhì)受種植業(yè)及人為影響。截至目前，仍缺少對淄河流域水化學(xué)特征及污染源的系統(tǒng)性研究。因此，本文以2017年5～6月和2017年9～10月兩期各45個(gè)淄河流域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、Piper三線圖、舒卡列夫分類、離子相關(guān)性分析、Gibbs圖、離子比例系數(shù)和主成分分析等對淄河地下水進(jìn)行系統(tǒng)性分析，探討該地區(qū)水化學(xué)特征和主要污染源，以期為保護(hù)淄河流域水資源及沿河流域生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)概況

淄河是黃河流域內(nèi)山東省中部渤海水系的入海河流——小清河的右岸支流，發(fā)源于魯山北麓，是淄博市的母親河，自西南向東北流經(jīng)博山、淄川、臨淄三區(qū)，到廣饒縣匯入渤海獨(dú)流入海河流小清河。淄河全長179.7 km，流域面積1 397 km2，其中市內(nèi)長124 km，流域面積993.09 km2。淄河為暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)大陸型氣候，年(1971～2015年)均氣溫12.8 ℃，年均蒸發(fā)量為1 804 mm，年均降水量633.9 mm，年均徑流量16.064億m2，徑流深度161.8 mm。淄河流域降水量存在時(shí)空差異，屬季節(jié)性河流。汛期因下游河道大量泥沙淤積導(dǎo)致河床較高。淄河因河床滲透性強(qiáng)，素有“淄河十八漏”之說，對地下水起重要的補(bǔ)給作用。

1.2 自然地理概況

淄河上中游沿岸地形多為低山丘陵區(qū)，碳酸鹽巖地表、地下裂隙巖溶發(fā)育，地下水主要是碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，賦存于碳酸鹽巖之中；流經(jīng)淄河斷裂帶，主要含水層為寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育；頂板埋深18.82～152.00 m，底板埋深150.00～290.00 m，含水層厚度一般在7.50～60.00 m，最大厚度可達(dá)82.94 m。在低山丘陵灰?guī)r裸露區(qū)，補(bǔ)給方式主要是大氣降水的滲入補(bǔ)給與豐水期地表水補(bǔ)給。在低山丘陵前緣和山前傾斜平原(隱伏灰?guī)r區(qū)，灰?guī)r被第四系覆蓋)，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給及上覆第四系孔隙水的滲入補(bǔ)給，局部接受地表水的補(bǔ)給。淄河下游沿岸地區(qū)自永流水源地以北為淄河沖洪積扇分布區(qū)，地形為山前傾斜平原地帶，均沉積第四紀(jì)松散堆積層，其巖性松散，孔隙發(fā)育，賦存第四系淺層松散巖類孔隙水，地下水漸變具承壓性。淺部潛水含水層以粉砂和砂性土為主；沖洪積扇首部主要含水層巖性為砂礫石層，其顆粒粗大，含豐富的砂礫石層孔隙水；由首部向下含水層逐漸過渡為含礫石中粗砂，局部砂礫石層單層厚度大于10 m；沖洪積扇外圍含水層為含礫中粗砂，向北埋深逐漸增大。頂板埋深自首部20～30 m，至中、尾部漸深于70～100 m以下，單層厚度變薄，其結(jié)構(gòu)由呈水平狀或微傾斜狀單一結(jié)構(gòu)變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)。地下水以大氣降水和地表水滲漏補(bǔ)給為主，沖洪積扇地段尚接受上游地下徑流補(bǔ)給和下伏巖溶水或孔隙水頂托補(bǔ)給。淄河沿岸奧陶紀(jì)碳酸鹽巖裂隙巖溶水最具供水意義，其水量豐富，水質(zhì)優(yōu)良，是當(dāng)?shù)厣詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)最主要的供水來源，形成有多處水源地，其中包括北方地區(qū)特大型裂隙巖溶水水源地——大武水源地。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

圖1 研究區(qū)位置及取樣點(diǎn)分布

2.2 樣品采集與分析

2.3 研究方法

綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、Piper三線圖、舒卡列夫分類、離子相關(guān)性分析、Gibbs圖、離子比例系數(shù)和主成分分析等方法對淄河流域水樣檢測結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)性分析。用最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)分析地下水水化學(xué)基本特征；Piper三線圖分析研究區(qū)水化學(xué)主要成分組成特征；舒卡列夫分類法確定地下水化學(xué)類型；離子相關(guān)性分析判別研究區(qū)離子的同源性；Gibbs模型分析水化學(xué)主要控制因素；離子比例系數(shù)和主成分分析法進(jìn)一步確定離子主要來源。

3 結(jié)果分析

3.1 地下水水化學(xué)基本特征

淄河流域2017年枯豐期地下水水化學(xué)基本特征如表1所列。由表1可知：pH枯豐水期均值為7.70和7.50，呈弱堿性。兩期pH變異系數(shù)都很小，表示pH在地下水中處于穩(wěn)定狀態(tài)，時(shí)空差異性小。枯水期TDS的均值為486.29 mg/L，變化范圍為310.00～867.00 mg/L；豐水期TDS的均值為497.31 mg/L，變化范圍為356.00～896.00 mg/L?？菟赥H含量為227.18～544.29 mg/L，均值為368.59 mg/L；豐水期TH含量為265.00～502.00 mg/L，均值為371.71 mg/L；根據(jù)硬度分類標(biāo)準(zhǔn)[4]，淄河流域均屬于硬水。研究區(qū)內(nèi)陰離子均呈HCO3->SO42->NO3->Cl-的關(guān)系；陽離子均呈現(xiàn)Ca2+>Mg2+>Na+>K+的關(guān)系；陰離子含量多于陽離子含量。其中HCO3-相對含量較高，為優(yōu)勢陰離子；陽離子中Ca2+相對含量也較高，為優(yōu)勢陽離子。Na+和Cl-的變異系數(shù)較高且豐水期大于枯水期，表示研究區(qū)內(nèi)其含量不穩(wěn)定，具有時(shí)間差異性，推測可能受人類活動(dòng)的影響。

表1 地下水水化學(xué)基本特征

3.2 地下水化學(xué)類型

圖2 地下水Piper三線圖

4 結(jié)果討論

4.1 離子相關(guān)性

表2 地下水基礎(chǔ)離子相關(guān)系數(shù)矩陣

4.2 基于Gibbs模型的地下水水化學(xué)控制因素

圖3 地下水Gibbs圖

4.3 基于離子比例系數(shù)的地下水化學(xué)成分來源

圖4 地下水離子比例系數(shù)

4.4 基于主成分分析的地下水化學(xué)污染源

主成分分析法是通過正交變換將可能存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為線性不相關(guān)的綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)方法[17-18]。該方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化及降維處理，從而提取獨(dú)立的綜合因子，目前廣泛應(yīng)用于地下水化學(xué)分析[19-23]。運(yùn)用SPSS軟件對選取的9項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。KMO和巴特利特球形度檢驗(yàn)[24]結(jié)果如表3所列，KMO取樣適切性量數(shù)為0.53，大于0.5，巴特利特球形度檢驗(yàn)顯著性為0，小于0.05，符合主成分分析的檢驗(yàn)要求。以特征值大于1為提取原則，研究區(qū)的污染源可以提取出3個(gè)主成分，如表4所列，累計(jì)貢獻(xiàn)率為81.803%，大于80%，可解釋總體指標(biāo)數(shù)據(jù)表征的絕大部分信息?；趧P撒正態(tài)化最大方差法原則旋轉(zhuǎn)，得到主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣如表5所列。

表3 KMO和巴特利特檢驗(yàn)結(jié)果

表4 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

表5 主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

表6 枯水期主成分得分

表7 豐水期主成分得分

5 結(jié) 論

(2)淄河流域絕大部分點(diǎn)落在三線圖的A、E區(qū)。地下水水化學(xué)類型共出現(xiàn)10種，主要以重碳酸硫酸型為主，其次為重碳酸鈣型。枯水期水化學(xué)類型有9種，HCO3·SO4-Ca型水占比最大；豐水期水化學(xué)類型有8種，其中HCO3·SO4-Ca·Mg型水占比最多。豐水期在41號點(diǎn)臨淄區(qū)齊都鎮(zhèn)龍貫村出現(xiàn)了復(fù)雜的HCO3·Cl-Na·Ca型水；枯水期在35號點(diǎn)臨淄區(qū)辛店街道仇行村出現(xiàn)了復(fù)雜的HCO3·Cl·SO4-Ca型水，在14號點(diǎn)淄川區(qū)太河鎮(zhèn)小口頭村出現(xiàn)了更復(fù)雜的HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水。