王藝霖,高 杰*,郭 靜,蔡愛民,李亞云,李 寅,丁旭峰,楊虎成,陳夢源

(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

近年來,隨著人口增長和城市建設(shè)進(jìn)程加快,水環(huán)境狀況受到影響,地下水體受到大面積污染,水質(zhì)惡化情況日趨加劇。安陸地區(qū)地處大別山連片貧困區(qū),為配合湖北省地方安全供水及精準(zhǔn)扶貧、大別山貧水區(qū)用水安全模式研究,對該區(qū)域進(jìn)行地下水水質(zhì)評價(jià)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

水質(zhì)分析問題包含了大量的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)(geostatistics)方法可對隱含信息進(jìn)行深入有效地挖掘[1-2]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是20世紀(jì)60年代由法國統(tǒng)計(jì)學(xué)家G.Matheron創(chuàng)立的一門以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ),以變異函數(shù)為主要工具,研究在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性,或空間相關(guān)和依賴性的自然現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)學(xué)分支[3],它依賴于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,但又不同于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué),研究內(nèi)容包括樣本的數(shù)字特征和區(qū)域化變量的空間分布特征。在傳統(tǒng)的地質(zhì)、采礦領(lǐng)域以及土壤、生態(tài)、環(huán)境、氣象、農(nóng)業(yè)、臨床醫(yī)學(xué)、遙感、社會科學(xué)等其他空間相關(guān)領(lǐng)域均取得了一定的成果[3]。當(dāng)前,越來越多的國內(nèi)外學(xué)者利用空間變異特征研究水化學(xué)問題。Sahay et al.[4]利用ArcGIS軟件中的統(tǒng)計(jì)分析工具研究美國愛達(dá)荷州西蛇河平原淺層地下水含水層中硝酸鹽和污染物的時(shí)空數(shù)據(jù);Asadi et al.[5]利用GIS技術(shù)對印度海得拉巴市地下水質(zhì)進(jìn)行評價(jià),將土地利用類型與各水質(zhì)參數(shù)空間分布圖相結(jié)合分析合適飲用水的區(qū)域;Cay et al.[6]通過ArcGIS軟件,利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了土耳其科尼亞市91口地下水監(jiān)測井的地下水時(shí)空變化特征;李小玉等[7]通過將地統(tǒng)計(jì)學(xué)與地理信息系統(tǒng)結(jié)合,分析了地下水礦化度與土地利用變化的關(guān)系;閆金鳳等[8]運(yùn)用GIS的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對新疆三工河流域綠洲的77個(gè)地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行半變異函數(shù)模型分析,揭示了區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)空間變異性特征;高蒙[9]采用變異函數(shù)模型對河南省淺層地下水水質(zhì)的主要成分進(jìn)行研究分析。此外,內(nèi)梅羅指數(shù)法也在水質(zhì)評價(jià)中被廣泛應(yīng)用,該方法通過計(jì)算各個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重,充分考慮各個(gè)污染因子對水質(zhì)的影響,可真實(shí)評價(jià)水體水質(zhì)[10-11]。

目前,學(xué)術(shù)界針對湖北省地下水水質(zhì)成分空間變異性研究相對較少。本文綜合利用空間變異分析方法和地下水水質(zhì)評價(jià)方法,揭示安陸地區(qū)地下水關(guān)鍵污染因子的空間變異特征,為后續(xù)有針對性地修復(fù)該地區(qū)地下水水環(huán)境提供重要科學(xué)依據(jù),為大別山地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、保障地區(qū)水資源安全、支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)提供基礎(chǔ)地學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于湖北省東北部孝感市,所涉行政區(qū)主要為安陸市及云夢縣北側(cè)部分區(qū)域,地理坐標(biāo):東經(jīng)113°30′～113°45′,北緯31°10′～31°20′。區(qū)內(nèi)屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候特征為春秋短、冬夏長,四季分明,夏季炎熱多雨。近30年年平均降水量為1 081 mm,年平均氣溫為16.0℃。研究區(qū)地處江漢平原北緣、鄂北丘陵山區(qū)(大洪山)南緣,整體地勢北高南低,自北向南逐漸傾斜。區(qū)內(nèi)河流縱橫交錯(cuò),水系發(fā)育,分屬涢水、環(huán)水、大富水三大水系。受河流及白堊紀(jì)斷陷盆地及其他隱伏構(gòu)造影響,研究區(qū)地貌類型可劃分為河流堆積地貌、剝蝕堆積垅崗地貌、構(gòu)造侵蝕剝蝕地貌。區(qū)內(nèi)主要地層由新至老為第四系、白堊系、寒武系、震旦系、青白口系,還包含兩套巖漿巖地質(zhì)體,分別是白堊系噴出相玄武巖及新元古界輝綠巖。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水含水介質(zhì)類型,區(qū)內(nèi)可劃分為5個(gè)含水巖組:①第四系松散巖類孔隙水含水巖組。該巖組主要由全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)砂—砂(卵)礫石層組成,分布于府河、漳河河漫灘及滾子河兩岸階地;②碎屑巖類裂隙水含水巖組。該巖組主要由公安寨組砂—粉砂巖組成,分布于府河以西高崗地貌;③玄武巖孔洞裂隙含水巖組。該巖組主要由玄武巖組成,廣泛分布于中部府河兩岸;④變質(zhì)巖風(fēng)化裂隙水含水巖組。該巖組主要由板巖、片巖、變輝綠巖組成,分布于西北及東北角;⑤碳酸鹽巖巖溶裂隙水含水巖組。該巖組主要賦存于燈影組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中,分布于西北白兆山景區(qū)一帶。

研究區(qū)總體地勢較為平坦,地形起伏不大,地下水徑流緩慢,總的徑流方向是由西北流向東南。區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給主要有大氣降水入滲、農(nóng)田灌溉、洪水期河水沿途入滲補(bǔ)給和相鄰含水層的側(cè)向補(bǔ)給。地下水排泄方式主要有蒸發(fā)排泄、枯水期向河流排泄、人工開采及相鄰含水層的側(cè)向排泄。

2 數(shù)據(jù)采集與研究方法

2.1 樣品采集與處理

為查明研究區(qū)地下水水質(zhì),對區(qū)內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)的地下水采樣調(diào)查,共采集89組地下水樣(圖1),采樣點(diǎn)均勻分布于研究區(qū)。

圖1 地下水取樣點(diǎn)分布圖

根據(jù)本次取樣分析項(xiàng)目,地下水水質(zhì)評價(jià)因子為總硬度、pH、耗氧量、總?cè)芙夤腆w、Fe、Mn、As、Al、Cd、Pb、Hg、Cr(VI)、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、氟化物、硫酸鹽以及氯化物等指標(biāo)(表1)。其中,三氮(氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽)可作為評價(jià)地下水是否被有機(jī)物污染的間接指標(biāo)。

表1 地下水質(zhì)量分類指標(biāo)表

2.2 研究方法

2.2.1空間變異分析方法

地下水水質(zhì)參數(shù)的含量和分布既有空間結(jié)構(gòu)性,又有隨機(jī)性,滿足區(qū)域化變量的特征[12-13]。本文以研究區(qū)地下水水質(zhì)參數(shù)為研究對象,基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)基本原理,利用半變異函數(shù)[14-15],研究安陸地區(qū)地下水水質(zhì)參數(shù)的空間變異特征。

半變異函數(shù)又稱為半變差函數(shù)、半變異矩。設(shè)Z(x)為區(qū)域化隨機(jī)變量時(shí),Z(x)的半變異函數(shù)定義為隨機(jī)變量Z(xi)與Z(xi+h)空間距離為h的兩變量方差的1/2,記為γ(x,x+h),在(準(zhǔn))二階平穩(wěn)假設(shè)的前提下,半變異函數(shù)亦可改寫為γ(h),其公式如下:

(1)

式中:N(h)為以h為間距的樣本數(shù);h為抽樣間距。

以γ(h)為y軸,h為x軸,可繪制半變異函數(shù)圖。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的半變異函數(shù)圖,利用常用的理論模型進(jìn)行擬合,從而對空間參數(shù)的空間分布進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析和變異性分析。常用的理論模型有球狀模型、指數(shù)模型、線性模型和高斯模型等。

2.2.2地下水水質(zhì)評價(jià)方法

本文依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017),運(yùn)用內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)綜合評價(jià)[16-24],即根據(jù)地下水質(zhì)量分類指標(biāo)對各單項(xiàng)進(jìn)行分類評分,以此為基礎(chǔ)值對地下水質(zhì)量進(jìn)行分級。

首先根據(jù)各單項(xiàng)組分測量結(jié)果,劃分組分所屬類別(表1),確定各單項(xiàng)組分評價(jià)分值(表2),然后按照公式(2)和(3)計(jì)算綜合評價(jià)分值,再根據(jù)綜合評價(jià)分值對地下水質(zhì)量級別進(jìn)行分級(表3),可分為優(yōu)良(Ⅰ)、良好(Ⅱ)、較好(Ⅲ)、較差(Ⅳ)、極差(Ⅴ)5級。相關(guān)計(jì)算公式為:

表2 地下水質(zhì)量單項(xiàng)組分評價(jià)分值表

表3 地下水質(zhì)量綜合評定分級表

(2)

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)分析

表4 安陸地區(qū)地下水水質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)表

3.2 水質(zhì)參數(shù)空間變異性分析

圖2 化學(xué)成分指標(biāo)檢測值的頻率直方圖

表5 理論變差函數(shù)模型擬合值

圖3 化學(xué)成分指標(biāo)檢測值實(shí)驗(yàn)半變異函數(shù)及理論模型擬合圖

γ(h)

(4)

(5)

3.3 地下水水質(zhì)參數(shù)評價(jià)及分析

圖4 地下水質(zhì)量分區(qū)圖

根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法,計(jì)算區(qū)內(nèi)89組地下水采樣點(diǎn)水質(zhì)的綜合指數(shù),結(jié)果見表6。由表6可知,在采樣點(diǎn)中,Ⅱ類水有4個(gè),占全部采樣點(diǎn)水質(zhì)的4.5%;Ⅲ類水有53個(gè),占比59.6%;Ⅳ類水有22個(gè),占比24.7%;Ⅴ類水有10個(gè),占比11.2%。

表6 內(nèi)梅羅指數(shù)法地下水水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

根據(jù)地下水質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果,結(jié)合地下水空間分布特征,對研究區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分區(qū),利用ArcGIS軟件進(jìn)行可視化,分區(qū)結(jié)果如圖4所示。安陸地區(qū)水質(zhì)良好(Ⅱ)區(qū)域占比較小,呈零散分布,主要位于安陸地區(qū)東北角及南部,約占研究區(qū)總面積的4%,人類活動影響較小;水質(zhì)較好(Ⅲ)區(qū)域占比最多,占研究區(qū)總面積的60%,分布在良好區(qū)域周圍,是良好與較差區(qū)域的過渡帶;而水質(zhì)較差(Ⅳ)區(qū)域多分布于水系周圍及居民聚居地(市區(qū)附近),約占研究區(qū)總面積的25%;水質(zhì)極差(Ⅴ)區(qū)域約占研究區(qū)總面積的11%,該區(qū)域多種污染并存,地下水污染較重,受人類活動影響較大,可見人類活動對當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)量產(chǎn)生極大的污染影響。

研究區(qū)地下水一般污染源主要包括生活污水、工業(yè)生產(chǎn)污水以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水。工業(yè)生產(chǎn)污水主要包括當(dāng)?shù)氐拇u廠、大型工程等所產(chǎn)生的廢水廢渣;生活污水主要包括當(dāng)?shù)鼐用裆罾?、生活用水以及糞便等;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水主要包括各種農(nóng)業(yè)化肥的過量施用及不合理丟棄。

4 結(jié)論

本文利用實(shí)地采樣數(shù)據(jù),以地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理為依據(jù),利用半變異函數(shù)分析了安陸地區(qū)地下水水質(zhì)指標(biāo)中主要污染因子的空間變異特征,并采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià),主要結(jié)論如下:

(4) 根據(jù)地下水質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果,結(jié)合地下水空間分布特征,對研究區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分區(qū),結(jié)果表明安陸地區(qū)水質(zhì)良好—較好區(qū)域約占研究區(qū)總面積的64%;水質(zhì)較差區(qū)域約占研究區(qū)總面積的25%,分布于水系周圍及居民聚居地;水質(zhì)極差區(qū)域約占研究區(qū)總面積的11%,表明人類活動對當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)量產(chǎn)生極大的污染影響。