Chemical Characteristics and Source Analysis of Groundwater in Typical Industrial Zone of Fujian Province.

Hu Qichao1，2

（1.Fujian Academy of Environmental Sciences，F(xiàn)uzhou 35o013，China； 2.Fujian Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering，F(xiàn)uzhou 35oo13，China）

Abstract：AnindustrialzoneinFuzhouwasselectedastheresearcharea.Bycolectingshalowgroundwater，surfacewaterand seawatersamples，tegoundwatermonitoringindicatorsereanalzedusingmethodssuchashydrochemicalanalysis，ndmultivaratesta tisticsanalysis，toevealtedrochemicalcharacteristicsofgroundwateandtesourcesofpolutionTeesultsidicatedtatthpro portion of Cland Na⁺ in the total amount of anions and cations in groundwater were 71.8% and 66.3% ，respectively. Through the Piper diagram，the groundwater hydrochemical type mainly evolved from Cl o HCO₃ Nao Ca type to CloNa type，with the survey area graduallshiftefrondtosaougorelatioalysisricialompotalsisndustalysisisevaledte talhardess，totaldoledlds，ulfate，odedmanganeofodatereeinlyetedyawater，ihrbdity monianitrogen，ndNitriteweremainlyrelatedtothesourceofhouseholdlife，whilealuminumwasmainlyrelatedtotheproductionac tivities of industrial enterprises.

Keywords：groundwater；hydrochemical characteristics；source apportionment；industrial zone

前言

地下水是重要的戰(zhàn)略水資源，在保障飲用水供給和生態(tài)環(huán)境安全方面具有重要的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義。伴隨著經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長，城市化和工業(yè)化得到了快速提升，由于工業(yè)廢物、農(nóng)業(yè)廢物和城市生活垃圾等的大量排放，導(dǎo)致了地下水環(huán)境質(zhì)量受到了嚴(yán)重的威脅。地下水化學(xué)組分易受地形地貌、地層巖性、地下水補(bǔ)給徑流排泄條件等自然因素以及土地利用、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、工業(yè)活動(dòng)等人為因素影響[1]。國內(nèi)外眾多學(xué)者采用水化學(xué)類型分析法[2]、多元統(tǒng)計(jì)分析[3]等方法對(duì)區(qū)域地下水化學(xué)特征及來源開展了系列研究，但綜合地下水超標(biāo)因子、地下水化學(xué)組成特征以及地表水、海水的研究相對(duì)較少。

福州市某工業(yè)區(qū)位于沿海地區(qū)，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水易受到海水影響，此研究通過評(píng)價(jià)該工業(yè)園區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況，綜合地下水－地表水-海水水質(zhì)，分析地下水超標(biāo)因子及化學(xué)組成特征并進(jìn)行溯源，以期為研究區(qū)地下水資源保護(hù)及管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福州市福清市，行業(yè)以紡織化纖、能源精化、電鍍等企業(yè)為主。區(qū)內(nèi)氣候?yàn)榈湫偷哪蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為 20.1^°C ，年平均降水量約1 535.5mm 。

研究區(qū)地下水以殘坡積層、沖洪積層和沉積層上層滯水、基巖風(fēng)化裂隙潛水為主，地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水。區(qū)內(nèi)地形總體北高南低，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)無明顯分界線，一般地形較高處為相對(duì)補(bǔ)給區(qū)，南部福清灣為排泄區(qū)，地下水徑流主要受地形、裂隙及含水層埋藏深度等因素制約。

1.2樣品采集與分析

2023年9月至10月在研究區(qū)系統(tǒng)開展了地下水建井與樣品采集工作，共采集淺層地下水樣品27件，同時(shí)采集園區(qū)內(nèi)地表水樣品1件、福清灣海水樣品3件。監(jiān)測(cè)指標(biāo)為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）的35項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)（扣除微生物指標(biāo)和放射性指標(biāo)），以及鉀、鈣、鎂、碳酸根、重碳酸鹽、總鉻、鈦、錫、銻、鎳、鈷、乙苯、二甲苯、苯乙烯、苯并（a）芘、多氯聯(lián)苯、總石油烴、總磷、丙酮、甲醇、硝基苯、異丙基苯、正丙苯、乙腈、苯胺、甲醛、二噁英等指標(biāo)共計(jì)62項(xiàng)。樣品的采集、保存流轉(zhuǎn)、分析測(cè)試步驟嚴(yán)格按照《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ164-2020）執(zhí)行。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Origin2023軟件對(duì)地下水化學(xué)組成數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和繪圖，采用SPSS16.0軟件對(duì)地下水超標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析與繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1地下水環(huán)境質(zhì)量

研究區(qū)地下水超《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）IV類標(biāo)準(zhǔn)限值的指標(biāo)主要包括：渾濁度、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氨氮、亞硝酸鹽、錳、鈉、鋁等10個(gè)指標(biāo)，地下水高錳酸鹽指數(shù)（耗氧量）檢測(cè)值范圍為未檢出 -9.3mg/L ，均未超過V類標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)地下水、地表水和海水樣品的超標(biāo)指標(biāo)和常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。地下水 pH 值 6.0～8.9 ，平均值7.6;海水pH值8.5～8.6 ，平均值8.5;地表水 pH 值為8.3，整體屬于弱堿性水。地下水陽離子平均濃度關(guān)系為： Na⁺gt; Ca²⁺gt;Mg²⁺gt;K⁺ ，均值濃度分別為467、95、59、29mg/L ；地下水陰離子平均濃度關(guān)系為： Cl^-gt; HCO₃^-gt;SO₄^2-gt;CO₃^2- ，均值濃度分別為758、226、140，18mg/L ?？傮w來看，地下水中Cl和 Na⁺ 占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，Cl和 Na⁺ 占陰陽離子總量的比例分別為71.8%.66.3% 。

從變異系數(shù)上看，除地下水pH值的變異系數(shù)較小外，渾濁度、總硬度、溶解性總固體、錳、鋁、氨氮、亞硝酸鹽、鉀、鈉、鈣、鎂、碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽的變異系數(shù)均較大，分別為0.89、1.10、1.13、1.52、2.38、0.80、2.71、1.06、1.73、1.02、1.39、0.55、0.56、1.74、1.10，屬于高度變異，特別是錳、鋁、亞硝酸鹽、鈉、氯化物監(jiān)測(cè)濃度波動(dòng)性較高，空間差異性較強(qiáng)，指示在空間上具有較為顯著的變異性和離散性。

2.2地下水化學(xué)組分特征

通過對(duì)比地下水、地表水和海水化學(xué)組成發(fā)現(xiàn)，海水和地表水中 K⁺?Na⁺?Ca²⁺?Mg²⁺?Cl^-?SO₄^2- 、TDS平均濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地下水，地下水中 CO₃^2- ！HCO₃^-，NO₂^- 平均濃度相對(duì)較高，地下水中各離子濃度的變異系數(shù)普遍大于海水，表明地下水水化學(xué)組分相對(duì)不穩(wěn)定。通過各水化學(xué)組分的濃度變化情況反映不同水化學(xué)演化過程的相似性，研究區(qū)地下水、地表水和海水中主要陰、陽離子和 TDS平均濃度變化趨勢(shì)基本一致（如圖1所示），表明區(qū)域地下水、 地表水和海水水化學(xué)組分來源具有同源性。

水化學(xué)三線圖可以解釋水體的主要離子組成及演化特征[4]。研究區(qū)從陸向海，地下水主要陽離子由Ca²⁺ 逐漸向 Na⁺ 變化，陰離子由 HCO₃^- 向 Cl^- 變化，如圖2所示，樣品點(diǎn)位向海水點(diǎn)位趨近，地下水水化學(xué)類型主要為 Cl?HCO₃^-Na?Ca 型逐漸向Cl-Na型演化，近海地表水水化學(xué)類型全部為 Cl-Na 型，受海水混合作用影響明顯。侯國華[5]等人研究發(fā)現(xiàn)黃河三角洲區(qū)域淺層地下水水化學(xué)類型及鹽分受到海洋因素影響。此研究與相關(guān)沿海地區(qū)研究結(jié)論較一致。通過分析各地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)離子濃度關(guān)系，其中7個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中 HCO₃^- 含量占主導(dǎo)地位，除3個(gè)距離海岸線相對(duì)較近外，其他點(diǎn)位相對(duì)海岸線較遠(yuǎn)。海水和地表水中Cl和 Na⁺ 含量占主導(dǎo)地位，地下水總體呈現(xiàn)高Cl和 Na⁺ 特征。

2.3地下水超標(biāo)指標(biāo)成因分析

相關(guān)系數(shù)是揭示變量之間關(guān)系的常用度量，通過相關(guān)性分析可以判斷地下水各化學(xué)組分的同源性和差異性，如表2所示，地下水總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、錳、鈉具有很高的相關(guān)性，亞硝酸鹽和氨氮、渾濁度相關(guān)性較高，說明具有一致的來源性，鋁除了和錳相關(guān)性較高外，與其他指標(biāo)相關(guān)性均較低。主成分分析是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的多元統(tǒng)計(jì)方法，主成分分析可以得出變量之間的一般關(guān)系，可以合理地解釋地下水各組分的來源[6]，對(duì)研究區(qū)地下水超標(biāo)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析（如表3所示），通過主成分和最大方差正交旋轉(zhuǎn)因子分析，找到變量中具有代表性的因子。研究共提取3個(gè)因子，其中因子1方差貢獻(xiàn)率為 48.61% ，得分較高指標(biāo)包括總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、錳、鈉，與相關(guān)性分析結(jié)果一致，主要與海水影響有關(guān)；因子2方差貢獻(xiàn)率為 16.83% ，得分較高指標(biāo)包括：渾濁度、氨氮、亞硝酸鹽，與相關(guān)性分析結(jié)果一致，2017年園區(qū)東部片區(qū)地下水監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)硝酸鹽和亞硝酸鹽超V類標(biāo)準(zhǔn)限值，推測(cè)可能與居民生活源等相關(guān)；因子3方差貢獻(xiàn)率為 11.54% ，主要為鋁，氨氮的得分也相對(duì)較高，可能與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)。

聚類分析是一種根據(jù)不同數(shù)據(jù)集的相似度進(jìn)行分類的聚類方法，其相似度是通過計(jì)算每一類數(shù)據(jù)點(diǎn)與所有數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離來確定的[7]。聚類分析基于變量、聚類等順序配對(duì)，這種技術(shù)從更緊密、包容性更低的聚類到更大、包容性更強(qiáng)的聚類依次進(jìn)行，直至所有變量都聚成一個(gè)大類?；诘叵滤瑯?biāo)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類，采用平方歐式距離的組間連接法進(jìn)行距離判定，結(jié)果以樹狀圖的形式展現(xiàn)，如圖3所示。當(dāng)類距為20時(shí)可將各指標(biāo)分為三類，第一類包含總硬度、溶解性總固體、氯化物、鈉、錳、硫酸鹽，第二類包括渾濁度、氨氮、亞硝酸鹽，第三類為鋁，與主成分分析中的3個(gè)因子相對(duì)應(yīng)，綜合Piper圖、相關(guān)性和主成分分析，可以進(jìn)一步明確的是由于研究區(qū)位于沿海地區(qū)，地下水總硬度、溶解性總固體、氯化物、鈉、錳、硫酸鹽等指標(biāo)受到了海水影響，且樣品點(diǎn)位向海水點(diǎn)位越近受到海水影響越嚴(yán)重;地下水渾濁度、氨氮、亞硝酸鹽等指標(biāo)主要與居民生活源相關(guān);鋁（檢測(cè)值 0.502mg/L ）的超標(biāo)點(diǎn)位位于某凈水劑企業(yè)下游，該企業(yè)位于園區(qū)中部位置，主要產(chǎn)品為聚合氯化鋁，可能與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有一定的關(guān)聯(lián)。

（注：提取方法為主成分分析法，a.提取的3種成分。）

3 結(jié)束語

研究區(qū)地下水 Cl^- 和 Na⁺ 占陰陽離子總量的比例分別為 71.8%.66.3% ，是地下水主要的化學(xué)組成成分。根據(jù)Piper圖顯示，從陸向海地下水水化學(xué)類型主要為 Cl?HCO₃^-Na?Ca 型逐漸向 Cl-Na 型演化，近海地表水水化學(xué)類型全部為Cl-Na型，受海水混合作用影響明顯。通過相關(guān)性和主成分分析，提取了3個(gè)主成分：海水影響、生活源和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)因子，它們對(duì)地下水指標(biāo)來源的貢獻(xiàn)率分別為 48.61%.16.83% 和 11.54% 。進(jìn)一步結(jié)合聚類分析，識(shí)別地下水總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、錳等指標(biāo)主要受海水影響，渾濁度、氨氮、亞硝酸鹽等指標(biāo)主要與居民生活源相關(guān)，鋁可能與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)。

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