C市地下水水質及污染來源分析

劉姝媛，李云禎，，王 濤，高 程，于 茵

(1.四川省生態環境科學研究院，四川 成都 610041；2.西華師范大學 環境科學與工程學院，四川 南充 637002)

1 引言

地下水作為重要的生活、生產用水水源，在我國的經濟社會生活中有著重要的作用。由于長期受到人類活動的影響，地下水水質有不斷惡化的趨勢，合理開發利用和保護地下水資源顯得愈發重要。地下水水質的優劣不僅影響著社會經濟的可持續發展，更關系到人體健康和水環境系統的穩定。因此，研究地下水水質特征及其污染影響因素，是確保水質安全，切實有效地進行地下水污染防控的必要手段。本文收集C市不同區域的地下水水質監測數據，通過相關分析、主成分分析等方法，研究該市地下水水質狀況，分析潛在的污染影響因素，力求揭示該市地下水主要污染來源，保障地下水供水安全。

2 材料與研究方法

2.1 研究區概況

研究區是我國西部重要的特大城市C市，全市東西長192 km，南北寬166 km，總面積14335 km2，地勢由西北向東南傾斜海拔大多在750～3000 m之間。該市降水豐沛，年均水資源總量為304.72億m3，其中地下水31.58億m3，過境水184.17億m3，基本上能滿足該市人民生活和生產建設用水的需要。該市大部分地區均覆蓋有第四系松散堆積層，地下水類型主要為松散堆積砂礫卵石層孔隙潛水和侏羅—白堊系砂泥巖裂隙孔隙水。地下水的補給來源主要有降雨入滲補給和地下水側向徑流補給，河流、渠系、農灌也是重要補給。地下水的排泄主要以向區外側向排泄、人工開采和施工降水為主。

2.2 數據來源

本次收集該市不同區域的地下水監測數據，選取的主要監測項目為酸堿度(pH值)、鉀(K+)、鈉(Na+)、鈣(Ca2+)、鎂(Mg2+)、硫酸鹽(SO42-)、氯化物(Cl-)、氨氮(NH4+)、硝酸鹽(NO3-)、亞硝酸鹽(NO2-)、總溶解性固體(TDS)、總硬度、氟化物(F-)、鐵(Fe2+)、錳(Mn2+)等15項水質指標。其中pH值采用玻璃電極法，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+采用原子吸收分光光度法，SO42-、Cl-、NO3-、F-采用離子色譜法，NH4+采用納氏試劑分光光度法，NO2-采用分光光度法，TDS采用稱量法，總硬度采用EDTA滴定法。

2.3 研究方法

利用EXCEL2010軟件、SPSS22.0軟件對水質監測數據進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 地下水水質指標統計特征

對地下水的15項水質指標進行統計分析，統計結果見表1。地下水的pH值范圍在7.01～8.02之間，平均值為7.45，呈弱堿性，變異系數為3.98%。地下水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+濃度范圍分別在0.557～47.9 mg/L、1.75～62.2 mg/L、0.491～153.0 mg/L、0.325～21.7 mg/L和0～0.513 mg/L之間，平均值分別為14.14 mg/L、33.27 mg/L、73.17 mg/L、8.45 mg/L和0.037 mg/L，Ca2+>Na+>K+>Mg2+>NH4+。地下水中SO42-、Cl-、F-、NO3-、NO2-濃度范圍5.33～183.0 mg/L、6.0～65.1 mg/L、0.173～0.942 mg/L、0.765～13.3 mg/L和0～0.012 mg/L之間，平均值分別為91.11 mg/L、24.76 mg/L、0.629 mg/L、6.53 mg/L和0.004 mg/L， SO42->Cl->NO3->F->NO2-。地下水中Fe2+、Mn2+的濃度范圍在0～0.4 mg/L和0～0.26 mg/L之間。地下水中的總硬度在236.0～448.0 mg/L，平均值為343.5 mg/L，低于飲用水限值(450 mg/L)。TDS 是水中溶解組分的總量，濃度在316.0～732.0 mg/L，平均值為505.45 mg/L，遠低于地下水質量標準中的Ⅲ類標準1000 mg/L的限值。變異系數能在一定程度上定量反映出物質在空間尺度上的波動程度[1]。從表1可以看出，地下水pH值變異系數較小，空間異質性不明顯。其余地下水水質指標的變異系數較大，空間異質性明顯。以《地下水質量標準》( GB /T 14848-2017)Ⅲ類標準的指標限值為依據，判斷各監測指標的超標情況，地下水中超標的水質指標有NH4+、Fe2+和Mn2+，超標率分別為5%、5%和15%。NH4+超標可能是地下水水質已受到工農業生產及生活污染排放的影響。

表1 地下水水質指標統計分析 mg/L(pH值無量綱)

3.2 地下水水質指標相關性分析

從表2中可以看出，K+、Ca2+、Cl-、TDS與SO42-之間，Ca2+、NO3-與K+之間，Ca2+與Cl-之間均有顯著的相關關系。K+、Na+、Ca2+、Cl-、NO3-、總硬度與TDS相關性較高，表明地下水水化學成分受這些離子影響顯著。NO3-與NO2-之間呈顯著正相關關系，表明地下水中“三氮”的相互轉化。NO3-與K+之間的顯著相關關系，表明地下水的水質受到農業生產的影響。

3.3 地下水水質分析

3.3.1 地下水水質評價

地下水水質評價是根據國家制定的水質等級和標準限值將不同水質指標定量分析并劃分類別的過程，可清楚的揭示水質的健康狀況，為地下水資源的利用、規劃和管理提供依據[2,3]。以《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)作為本次地下水水質的評價標準，內梅羅指數法是當前國內外計算綜合污染最常用的方法之一，是一種突出最大污染因子作用的計權型多因子環境質量評價方法，它特別考慮了污染最嚴重的因子，同時還可以反映出污染因子對環境的綜合作用，具有很好的適用性和優越性[3]，計算公式為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：P為監測點位i的綜合污染指數；Pi為地下水化學指標評分值(表3)；PiAve為監測點位i所有參評地下水化學指標評分值的算術平均值；PiMax為監測點位i的地下水化學指標評分值的最大值。通過P值判斷地下水水質級別(表4)。

表2 主要水質指標相關關系

表3 地下水各單項化學指標不同等級評分值

表4 內梅羅綜合評分值與水質級別

選取pH值、總硬度、TDS、NH4+、F-、NO3-、NO2-、SO42-、Cl-、Na+、Fe2+、Mn2+12個指標進行地下水質量評價(表5)。結果表明，本次評估的地下水水質整體較好，水質為優良和良好的比例總體達到80%。

表5 地下水內梅羅綜合評分值統計

3.3.2 地下水水質主成分分析

主成分分析(PCA)是一種多元統計方法，在水質分析中，可以通過提取數據集中的主要成分，識別影響水質的重要指標，確定主要污染源類型及不同污染源的貢獻程度[4]。在本研究中，共提取出3個主成分PC1、PC2和PC3，每個主成分的貢獻率依次遞減，累計方差貢獻率為81.518%，可反映整體樣本信息。由圖1 可知，第一主成分PC1主要由pH值、TDS、NO3-、NO2-、SO42-、Cl-、Na+共7項水質指標組成，同時TDS與NO3-、SO42-、Cl-、Na+呈顯著正相關關系，這些水質指標對PC1的貢獻可以看作是地下水環境自然演化及水巖介質相互作用的結果，同時，也反映出區域內地下水水質受到了農業生產活動的影響。第二主成分PC2主要由總硬度、F-、Fe2+、Mn2+共4項水質指標組成，反映了研究區的原生地質條件。第三主成分PC3主要是由總硬度和NO2-這2項水質指標組成，可能主要受工業生產或生活因素的影響。

圖1 地下水主成分旋轉因子荷載

4 結論

(1)某市地下水水質指標除pH值以外，變異系數均較大，空間異質性明顯。本次采集的水樣超標的水質指標有NH4+、Fe2+和Mn2+，超標率分別為5%、5%和15%。NH4+超標可能是地下水水質已受到工農業生產及生活污染排放的影響。本次評估的地下水水質整體較好，水質為優良和良好的比例總體達到80%。

(2)各指標間的相關性分析結果表明，NO3-與NO2-呈正相關，體現出“三氮”間相互轉化關系；NO3-與K+呈顯著正相關關系，表明地下水的水質受到農業生產的影響。

(3)主成分分析結果表明，地下水水質是原生地質條件、工業生產、農業活動和日常生活等多種影響因素共同作用下的結果。