環(huán)洞庭湖區(qū)地下水水質(zhì)空間分布特征研究

黃 兵，姜 恒，錢 湛，龍秋波

(1. 湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院洞庭湖研究中心，長沙 410007；2. 湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院規(guī)劃部，長沙 410007； 3. 洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410007)

地下水是飲用、農(nóng)業(yè)灌溉和工礦的重要水源，然而人類活動(dòng)導(dǎo)致地下水污染問題突出，當(dāng)前地下水環(huán)境問題已成為水環(huán)境保護(hù)中的研究熱點(diǎn)問題之一。在地下水資源水環(huán)境研究中，由于人力、物力及自然地理?xiàng)l件的限制，地下水觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量往往是有限的，通常需要利用有限的地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用空間插值方法模擬研究地下水指標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)及空間分布特征[1-3]。

環(huán)洞庭湖區(qū)地下水資源量十分豐富，農(nóng)村居民多就地建井取水解決生產(chǎn)及生活用水問題，區(qū)域內(nèi)約有50%的農(nóng)村分散性飲用水來自地下水。但是區(qū)域內(nèi)部分地下水資源，尤其是淺層地下水資源環(huán)境，已經(jīng)遭受到不同程度的污染，部分水質(zhì)較差，不宜直接飲用，對(duì)區(qū)域內(nèi)安全飲水造成了一定程度的影響[4-6]。本研究以第三次全國水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作中環(huán)洞庭湖區(qū)內(nèi)195 眼觀測(cè)井的地下水主要水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果為研究對(duì)象，利用ArcGIS軟件中的空間插值模塊對(duì)區(qū)域內(nèi)地下水主要污染指標(biāo)空間分布特征進(jìn)行研究，對(duì)環(huán)洞庭湖區(qū)地下水開采利用、水環(huán)境治理與保護(hù)具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)來源

環(huán)洞庭湖區(qū)位于湖南省北部地區(qū)，東經(jīng)111°30′47″～113°21′11″，北緯29°4′34″～29°46′16″，涵蓋湖南省長沙市、岳陽市等4市28個(gè)縣(市、區(qū))。按照水利部、國家發(fā)改委《關(guān)于開展第三次全國水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作的通知》，為摸清環(huán)洞庭湖區(qū)地下水資源數(shù)量和質(zhì)量，2018年2月對(duì)區(qū)域內(nèi)地下水位進(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地下水位埋深、水位、pH值、鐵、錳、鉻、砷等，樣品測(cè)試、分析采用原子熒光法。基于人口、工礦企業(yè)分布以及地下水資源使用狀況，本研究在環(huán)洞庭湖區(qū)選取195 眼觀測(cè)井進(jìn)行地下水采樣、檢測(cè)，監(jiān)測(cè)井分布見圖1。

2 ArcGIS空間分析模塊

ArcGIS是目前最流行的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件，主要用于創(chuàng)建和使用地圖，編輯和管理地理數(shù)據(jù)，分析、共享和顯示地理信息，并在一系列應(yīng)用中使用地圖和地理信息[7]。ArcGIS Desktop作為GIS用戶工作的主要平臺(tái)，包含ArcMap、ArcCatalog、ArcScene、ArcGlobe、ArcToolbox等一系列應(yīng)用程序，其中ArcToolbox中的Spatial Analyst模塊包含了克里金法、反距離權(quán)重法、泰森多邊形法等空間插值方法[8-10]。

本研究選取反距離權(quán)重法進(jìn)行地下水主要污染物空間插值分析時(shí)，距離權(quán)重取2.0，輸出象元大小為200 m×200 m，選取插值點(diǎn)周圍12個(gè)最近的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行空間插值。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水水質(zhì)指標(biāo)含量特征

隨著區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷增大，人口數(shù)量不斷增加，工農(nóng)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥污染和生活污水等通過河道和地表滲透至地下含水層，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地下水環(huán)境污染問題加劇[11, 12]。根據(jù)本次監(jiān)測(cè)結(jié)果，選取區(qū)域內(nèi)超標(biāo)較為嚴(yán)重的鐵、錳、鉻、砷作為水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行水質(zhì)空間分布特征分析，4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 環(huán)洞庭湖區(qū)4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)含量特征Tab.1 Characteristics of four water quality indicators in the Dongting Lake area

從4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)含量特征可以看出，錳超標(biāo)率最為嚴(yán)重，為47.7%，鉻次之，為32.3%，鐵、砷較低，分別為22.1%和20.0%。鉻最大超標(biāo)倍數(shù)最為嚴(yán)重，為807.6，錳次之，為142.2，鐵、砷較小，分別為44.67和25.90。鉻平均超標(biāo)倍數(shù)最為嚴(yán)重，為5.43，錳次之，為4.19，鐵較小，為2.95，砷最低，為1.20。

3.2 主要污染指標(biāo)空間分布特征

在對(duì)主要污染指標(biāo)進(jìn)行空間插值之前，首先對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表2。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，鐵、錳、砷等3個(gè)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)屬于中等變異性，鉻指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)屬于弱變異性。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的偏度、峰度檢驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，根據(jù)矩估計(jì)法，4組數(shù)據(jù)均落在偏度和峰度聯(lián)合檢驗(yàn)的n=195、α=0.05的臨界曲線圖區(qū)間外，數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布。

在ArcGIS的Spatial Analyst模塊中，通常用的方法包括克里金法、反距離權(quán)重法、泰森多邊形法等，泰森多邊形法直接利用估值點(diǎn)最近的監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)值作為估計(jì)值，反距離權(quán)重法得到的估計(jì)值由估值點(diǎn)周圍一定數(shù)量監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)值和監(jiān)測(cè)點(diǎn)與估值點(diǎn)之間的距離共同確定，估計(jì)值與監(jiān)測(cè)值成正比，與估值點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離的若干次方成反比。克里金法是以變異函數(shù)為基礎(chǔ)的最優(yōu)無偏線性估計(jì)方法，在進(jìn)行估值計(jì)算時(shí)要求數(shù)據(jù)系列滿足正態(tài)分布。由于4個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均不滿足正態(tài)分布，本研究在進(jìn)行空間插值時(shí)，選取反距離權(quán)重法和泰森多邊形法2種方法中相對(duì)較優(yōu)的反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值。

表2 環(huán)洞庭湖區(qū)4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.2 Descriptive statistical analysis results of four water quality indicators in the Dongting Lake area

利用ArcGIS的Spatial Analyst模塊中反距離權(quán)重法，得到4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的空間分布見圖2。從圖2中可以看出：

(1)鐵元素污染較為嚴(yán)重的地方主要分布在南縣、安鄉(xiāng)、澧縣、華容、漢壽、鼎城區(qū)的部分區(qū)域；整個(gè)區(qū)域內(nèi)錳元素污染較為嚴(yán)重，絕大部分區(qū)域?yàn)棰纛愔笜?biāo)，局部地區(qū)達(dá)到Ⅴ類指標(biāo)。該區(qū)域地貌環(huán)境以湖積平原為主，區(qū)域內(nèi)地下水位主要受隨河道、湖泊水位變化影響，其水位變幅較山丘區(qū)變化小，水流交替活動(dòng)少，地下水基本處于還原環(huán)境中，這可能是該區(qū)域鐵元素含量明顯高于其他地區(qū)的主要原因[13, 14]。

圖2 環(huán)洞庭湖區(qū)地下水水質(zhì)空間分布Fig.2 Spatial distribution map of groundwater quality in the Dongting Lake area

(2)區(qū)域內(nèi)錳元素污染較為嚴(yán)重，絕大部分區(qū)域?yàn)棰纛愔笜?biāo)，局部地區(qū)達(dá)到Ⅴ類指標(biāo)。分布特征為主要集中在“四口”河系和湘、資、沅、澧“四水”及洞庭湖周邊區(qū)域，這可能是由于隨著水流的遷移，致使這些區(qū)域內(nèi)錳元素富集，導(dǎo)致洞庭湖區(qū)、“四口”河系和“四水”河道周邊區(qū)域錳元素污染較為嚴(yán)重[15]。

(3)鉻元素污染較為嚴(yán)重的地方主要集中在南縣、安鄉(xiāng)、漢壽、鼎城區(qū)、湘陰、汨羅等縣城周邊區(qū)域。鉻屬于工業(yè)污染物，近年來隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，而社會(huì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)和工業(yè)生活污水的處理能力遠(yuǎn)跟不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，這可能是導(dǎo)致這些區(qū)域鉻污染問題較為嚴(yán)重的主要原因[16]。

(4)砷元素污染較輕，含量主要分布在0.05 mg/L以內(nèi)，主要分布在沅水三角洲、沅江、湘陰等地區(qū)，其他地區(qū)有零星分布。洞庭湖區(qū)沉積物砷的空間分布與鐵、錳、鉻的空間分布差異很大，說明砷與鐵、錳、鉻同源性較差[17-19]。從砷污染的區(qū)域分布來看，影響砷的空間分布的因素可能與環(huán)境本底的差異以及礦產(chǎn)冶煉及硫酸生產(chǎn)等砷污染企業(yè)排放有關(guān)[20-23]。

然而，空間分布的機(jī)理還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。近年來，洞庭湖區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式仍較為粗放，因此加強(qiáng)排放企業(yè)，尤其是洞庭湖湖口區(qū)、“四口”河系及湘、資、沅、澧“四水”排放企業(yè)的監(jiān)控是防止洞庭湖地下水污染的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

(1)從水質(zhì)指標(biāo)含量特征可知，超標(biāo)率次序?yàn)椋哄i>鉻>鐵>砷，最大超標(biāo)倍數(shù)次序?yàn)椋恒t>錳>鐵>砷，平均超標(biāo)倍數(shù)次序?yàn)椋恒t>錳>鐵>砷。

(2)鐵元素污染較為嚴(yán)重的地方主要分布在南縣、安鄉(xiāng)、澧縣、華容、漢壽、鼎城區(qū)的部分區(qū)域；錳元素污染較為嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在“四口”河系和湘、資、沅、澧“四水”及洞庭湖周邊區(qū)域；鉻元素污染較為嚴(yán)重的地方主要集中在南縣、安鄉(xiāng)、漢壽、鼎城區(qū)、湘陰、汨羅等縣城周邊區(qū)域；砷元素主要分布在沅水三角洲、沅江、湘陰等地區(qū)，其他地區(qū)有零星分布。

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