城鎮化對永城市淺層地下水水質的影響

王 攀，靳孟貴，路東臣，王 濤，付 進

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430078；2.河南省國土資源科學研究院，河南 鄭州 450053)

淺層地下水是水資源的重要組成部分，對于生態系統平衡有著重要的意義。隨著城鎮化的發展，淺層地下水受人類活動的影響越來越明顯。城鎮化在帶來經濟效益和社會發展的同時，也造成了地下水環境的破壞。世界各地都有關于城鎮化對地下水造成破壞影響的報道。解決城鎮化發展與地下水保護之間的矛盾是當前地下水工作者所面臨的重大問題之一。

永城市作為河南省一個縣級市，自上世紀90年代國家確立永夏礦區重點開發項目以來，工礦業近三十年來得以迅速發展，由農業縣發展成為重要的煤炭開采加工及糧食基地。隨著城鎮化的發展，該市地下水水質受到明顯破壞，70%的淺層地下水水質為Ⅳ類、Ⅴ類甚至劣Ⅴ類水。

以往關于永城市地下水的研究多集中于對煤礦礦井涌水量的研究，而針對由城市發展帶來的淺層地下水污染問題的研究并不多。隨著地下水水質對城鎮化發展的制約作用凸顯，地下水水質惡化問題成為學者關注的熱點。如許可等應用綜合指標法、模糊綜合評判法、投影尋蹤法評價了永城市潛水含水層的防污性能，認為即使減少地下水開采，潛水含水層防污性能差和防污性能中等地區仍占到城區面積的30%，該市潛水資源極易受到污染；左俊等對該市淺層地下水中氟化物的健康風險進行了評價，指出基巖風化、地勢較低、含水介質黏性土含量高為氟富集的主要原因。

上述研究從不同方面反映了城市人類活動與淺層地下水之間的相互作用和影響。然而，針對城鎮化對淺層地下水水質影響的研究卻很少。為此，本文提出兩個假設：①永城市淺層地下水水質隨城市化發展發生了顯著變化；②城鎮化發展不同階段對淺層地下水的主要影響因素不同。為了證明假設，于2017年采集永城市淺層地下水水樣進行測試，并采取多種方法相結合對城鎮化對永城市淺層地下水水質的影響進行了綜合研究。本文研究結果可為改善該地區地下水水質以及合理開發地下水資源提供科學依據，也可為面臨類似問題的城市提供參考。

1 研究區概況

永城市是位于河南省最東部的城市，本次研究范圍劃定為該城區及其周邊協調發展區，研究區總面積約為418 km，地理坐標為116°15′00″～116°33′45″E，33°47′30″～34°02′30″N。該地區屬黃淮沖積平原，地形上由西北-東南向微傾，平均海拔為31.9 m。本區屬暖溫帶季風型氣候，年平均氣溫為15℃，平均降水量為787 mm，平均蒸發量為1 465.1 mm。該地區地表水多屬淮河洪澤湖水系，大多為季節性過境河，主要河流有沱河、澮河、包河、王引河等，貫通永城市全境，最終匯入安徽省內淮河。

研究區淺層地下水主要賦存于第四系全新統和更新統上部沖洪積層中，底板埋深約為60 m，含水介質以粉土、粉質黏土和粉砂等構成，構成單一潛水含水層和多層部分承壓及承壓含水層，其補給來源主要為大氣降水、農業灌溉以及深層地下水補給、地表水側向徑流，地下水水平徑流較為遲緩，流場(2017年3月地下水水位調查數據)如圖1所示； 地下水的主要排泄方式為蒸發、人工采水及側向徑流排泄。

圖1 研究區淺層地下水水文地質剖面、等水位線和采樣點位置圖Fig.1 Hydrogeological profile,groundwater contour and sampling point location in the study area

從20世紀90年代撤縣立市以來，該市經濟得到了飛速發展，1996年該市GDP僅為37.3億元，而2016年為153.3億元，增長近4倍；2016年該市城鎮居民人均可支配收入為26 758元，是1996年的近8倍。2016年該市城鎮化率為48.8%，城市經濟對于GDP貢獻率超七成，工業取代農業成為了該市的支柱產業。城鎮化和工業化在推動經濟發展的同時，也對當地水資源造成了嚴重破壞。據監測資料顯示，該市絕大部分地表水以劣Ⅴ類水質為主，無法作為城市生產生活用水，淺層地下水成為了該市的主要用水水源。

2 數據來源與研究方法

本次研究在收集歷史資料的基礎上，于2017年3月采集了淺層地下水水樣共33個，并取2個地表水水樣作對比分析。為保證結果的客觀性及代表性，地下水采樣點主要布設在煤礦區、化工區、農業區及居民生活區。采集地下水樣品時按順序編號，并用手持GPS儀記錄采樣點位置(見圖1)，同時測量記錄井深、水位等信息，采樣時嚴格執行《地下水環境監測技術規范(2004)》。取樣前對聚乙烯采樣瓶進行標準化清洗操作，每個水樣共采集兩瓶，一瓶加入濃硝酸酸化使pH<2，用以測試陽離子濃度；另一瓶不加硝酸用以測試陰離子濃度。采樣結束后24 h內將樣品送至實驗室進行測試分析。

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經計算，所有樣品的離子平衡誤差在±5%以內。

數據處理方法：應用Origin8.5軟件作出離子濃度比值圖、Chadha圖和柱狀圖(Chadha and Tamta,1999)，應用WPS2009和SPSS19軟件對樣品數據進行統計分析。

3 研究結果與討論

3.1 淺層地下水水化學特征及其變化分析

在20世紀七八十年代，該區域未進行大規模的城市化及礦產開發活動，淺層地下水水化學類型較為單一，而隨著人類活動影響的加劇，淺層地下水水化學類型變得復雜，水質變差。2003年城鎮化初期與2017年城鎮化高度發展期淺層地下水水化學特征統計數據見表1，其中2003年數據來源于《河南省永城市神火工業園區水源地供水水文地質勘察報告》，兩次水樣測試機構均為河南省地質環境監測院(河南省地質環境監測總站)。

表1 2003年和2017年永城市淺層地下水水化學特征統計數據表

2003年和2017年研究區淺層地下水水化學類型和各種離子濃度變化，見圖2。

圖2 2003年和2017年淺層地下水水化學類型和 離子濃度變化Fig.2 Change of Hydrochemical types and ionic concentration in shallow groundwater in 2003 and 2017

為了更準確比較研究區淺層地下水水質變化，本文選取車集煤礦和神火鋁業周邊的水樣點LY01～LY06(2003年歷史水樣)與其周邊2017年水樣點SY10、水樣點SY20～SY23取均值進行了地下水水化學特征對比，并繪制研究區淺層地下水水化學類型Chadha圖和離子濃度變化柱狀圖，見圖2。Chadha圖是Chadha提出的一種地下水水化學分類方法，可用于研究地下水水化學組分之間的關系。

由圖2可以看出，除Ca濃度略微下降外，其余離子濃度及TDS都呈上升之勢，說明研究區淺層地下水水質發生了明顯變化。

3.2 淺層地下水水化學特征的控制因素分析

隨著煤田大規模開采及其相關產業的發展，永城市社會和經濟得到了充分發展，1996年10月撤縣立市，2004年又成為重點擴權市由河南省直管，便利的交通位置、豐富的礦產資源使該市迅速發展成為全國重要的煤炭及煤化工業基地和產糧區。

城鎮化穩步發展也需要健康的地下水環境，因此對破壞城市淺層地下水水質中組分的來源、影響因素及其成因進行研究，從而保護淺層地下水環境，是目前需要解決的重要問題之一。由于地下水中離子間存在相互聯系和相互影響，而多元統計學中相關分析可通過因素間的相關性、相關程度研究，以此來分析地下水水質的變化。

表2 2003年永城市淺層地下水中離子間 Pearson 相關系數表

表3 2017年永城市淺層地下水中離子間 Pearson 相關系數表

圖3 永城市淺層地下水中[N+Cl-]/[HC]與 TDS之間的比值關系圖Fig.3 Relationship between[N+Cl-]/[HC] ion ratio and TDS in shallow groundwater of Yongcheng City

圖4 永城市淺層地下水中[Ca2++Mg2+]/[HC]與之間的比值關系圖Fig.4 Relationship between the ratio of [Ca2++ shallow groundwater of Yongcheng City

因子分析法可通過降維使指標綜合化，可更全面地對地下水水質變化的影響因素進行分析。本文對2003年永城市淺層地下水的水化學特征數據進行了因子分析，并根據方差貢獻率提取主因子，其相關系數矩陣的旋轉因子載荷矩陣見表4。

表4 2003年永城市淺層地下水水化學特征數據的旋轉因子載荷矩陣

對2017年永城市淺層地下水的水化學特征數據進行因子分析，并根據方差貢獻率提取主因子，其相關系數矩陣的旋轉因子載荷矩陣見表5。

表5 2017年永城市淺層地下水水化學特征數據的旋轉因子載荷矩陣

3.3 城鎮化對淺層地下水水質的影響

其中，研究區淺層地下水中Cl的濃度在15年間有了明顯的增長。2003年淺層地下水中Cl的平均濃度為23.92 mg/L，而2017年該值為54.57 mg/L，增長了1.2倍。Cl有天然和人類活動兩類來源，Cl的天然來源是巖鹽溶解，巖鹽溶解會帶來Na與Cl濃度同時上升；Cl的人工來源主要是生活廢水和生活垃圾。從永城市淺層地下水水化學特征數據可以看出，淺層地下水中Na濃度并未隨Cl的增長而上升，且與Cl的相關性在逐年下降；2003年Na與Cl的Pearson相關系數為0.62，而2017年該值僅為0.37，由此可知Cl濃度增長主要來自城鎮化發展帶來的生活污水排放。

據統計，2003年永城市全市污水排放量僅為1 000多萬噸，而2011年增至5 000多萬噸，城鎮生活污水排放量占全部污水排放量的55%左右。大量的污水排放對淺層地下水水質的破壞嚴重。

4 結論與建議

本文采用變異系數、Chadha圖、離子濃度比值、多元統計分析等多種方法對永城市淺層地下水水質進行了綜合研究，得出以下結論：

(1) 受城鎮化發展的影響，永城市淺層地下水水化學特征發生了明顯變化，2003年城鎮化初期，淺層地下水水化學類型主要為HCO-Ca·Mg型水；2017年城鎮化高速發展期，淺層地下水水化學類型變得復雜，出現多種水化學類型。

(3) 2003年淺層地下水因子分析結果表明農業生產帶來的淺層地下水污染方差貢獻率為62.82%，成為淺層地下水水質污染的主要控制因素；而2017年因子分析表明工礦業帶來的淺層地下水污染方差貢獻率為60.70%，農業污染所占的比重明顯下降。

綜合分析結果表明：城鎮化的發展對永城市淺層地下水水質污染嚴重，且在城鎮化發展的不同階段呈現出不同的污染特征。建議根據城鎮化發展的階段特征，開展有針對性的淺層地下水污染治理工作。