山東省淄河流域地下水化學污染源解析

趙 艷 麗，王 敏，李 常 鎖

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590； 2.山東省地質礦產勘查開發局 八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014； 3.山東省地質礦產勘查開發局 地下水資源與環境重點實驗室，山東 濟南 250014； 4.山東省地下水環境保護與修復工程技術研究中心，山東 濟南 250014)

0 引 言

地下水是水資源的重要組成部分，是農業灌溉、工礦企業以及城市生活用水的重要水源，其水質的好壞直接影響著人類生活的方方面面。山東省淄博地區是中國北部水資源緊缺的典型代表，其中主要是淄河為沿岸居民提供水資源，據以往資料顯示，部分區域的地下水已經受到污染。盧杰等[1]分析了淄河上游源泉控制斷面水質的變化，指出研究區水質污染呈下降的趨勢；馬震等[2]也對淄河下游污染區地下水污染特征進行了分析，得到淄河下游地表水和淺層地下水污染嚴重的結論；游京[3]對淄河水源地地下水的研究中也同樣指出部分地區水質受種植業及人為影響。截至目前，仍缺少對淄河流域水化學特征及污染源的系統性研究。因此，本文以2017年5～6月和2017年9～10月兩期各45個淄河流域水質監測數據為研究對象，運用統計分析、Piper三線圖、舒卡列夫分類、離子相關性分析、Gibbs圖、離子比例系數和主成分分析等對淄河地下水進行系統性分析，探討該地區水化學特征和主要污染源，以期為保護淄河流域水資源及沿河流域生態建設提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 水文地質概況

淄河是黃河流域內山東省中部渤海水系的入海河流——小清河的右岸支流，發源于魯山北麓，是淄博市的母親河，自西南向東北流經博山、淄川、臨淄三區，到廣饒縣匯入渤海獨流入海河流小清河。淄河全長179.7 km，流域面積1 397 km2，其中市內長124 km，流域面積993.09 km2。淄河為暖溫帶半濕潤季風區大陸型氣候，年(1971～2015年)均氣溫12.8 ℃，年均蒸發量為1 804 mm，年均降水量633.9 mm，年均徑流量16.064億m2，徑流深度161.8 mm。淄河流域降水量存在時空差異，屬季節性河流。汛期因下游河道大量泥沙淤積導致河床較高。淄河因河床滲透性強，素有“淄河十八漏”之說，對地下水起重要的補給作用。

1.2 自然地理概況

淄河上中游沿岸地形多為低山丘陵區，碳酸鹽巖地表、地下裂隙巖溶發育，地下水主要是碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，賦存于碳酸鹽巖之中；流經淄河斷裂帶，主要含水層為寒武紀、奧陶紀灰巖，巖溶裂隙發育；頂板埋深18.82～152.00 m，底板埋深150.00～290.00 m，含水層厚度一般在7.50～60.00 m，最大厚度可達82.94 m。在低山丘陵灰巖裸露區，補給方式主要是大氣降水的滲入補給與豐水期地表水補給。在低山丘陵前緣和山前傾斜平原(隱伏灰巖區，灰巖被第四系覆蓋)，地下水主要接受大氣降水補給及上覆第四系孔隙水的滲入補給，局部接受地表水的補給。淄河下游沿岸地區自永流水源地以北為淄河沖洪積扇分布區，地形為山前傾斜平原地帶，均沉積第四紀松散堆積層，其巖性松散，孔隙發育，賦存第四系淺層松散巖類孔隙水，地下水漸變具承壓性。淺部潛水含水層以粉砂和砂性土為主；沖洪積扇首部主要含水層巖性為砂礫石層，其顆粒粗大，含豐富的砂礫石層孔隙水；由首部向下含水層逐漸過渡為含礫石中粗砂，局部砂礫石層單層厚度大于10 m；沖洪積扇外圍含水層為含礫中粗砂，向北埋深逐漸增大。頂板埋深自首部20～30 m，至中、尾部漸深于70～100 m以下，單層厚度變薄，其結構由呈水平狀或微傾斜狀單一結構變為多層結構。地下水以大氣降水和地表水滲漏補給為主，沖洪積扇地段尚接受上游地下徑流補給和下伏巖溶水或孔隙水頂托補給。淄河沿岸奧陶紀碳酸鹽巖裂隙巖溶水最具供水意義，其水量豐富，水質優良，是當地生活和工農業生產最主要的供水來源，形成有多處水源地，其中包括北方地區特大型裂隙巖溶水水源地——大武水源地。

2 材料與方法

2.1 數據來源

圖1 研究區位置及取樣點分布

2.2 樣品采集與分析

2.3 研究方法

綜合運用統計分析、Piper三線圖、舒卡列夫分類、離子相關性分析、Gibbs圖、離子比例系數和主成分分析等方法對淄河流域水樣檢測結果進行系統性分析。用最大值、最小值、平均值、標準偏差和變異系數分析地下水水化學基本特征；Piper三線圖分析研究區水化學主要成分組成特征；舒卡列夫分類法確定地下水化學類型；離子相關性分析判別研究區離子的同源性；Gibbs模型分析水化學主要控制因素；離子比例系數和主成分分析法進一步確定離子主要來源。

3 結果分析

3.1 地下水水化學基本特征

淄河流域2017年枯豐期地下水水化學基本特征如表1所列。由表1可知：pH枯豐水期均值為7.70和7.50，呈弱堿性。兩期pH變異系數都很小，表示pH在地下水中處于穩定狀態，時空差異性小。枯水期TDS的均值為486.29 mg/L，變化范圍為310.00～867.00 mg/L；豐水期TDS的均值為497.31 mg/L，變化范圍為356.00～896.00 mg/L?？菟赥H含量為227.18～544.29 mg/L，均值為368.59 mg/L；豐水期TH含量為265.00～502.00 mg/L，均值為371.71 mg/L；根據硬度分類標準[4]，淄河流域均屬于硬水。研究區內陰離子均呈HCO3->SO42->NO3->Cl-的關系；陽離子均呈現Ca2+>Mg2+>Na+>K+的關系；陰離子含量多于陽離子含量。其中HCO3-相對含量較高，為優勢陰離子；陽離子中Ca2+相對含量也較高，為優勢陽離子。Na+和Cl-的變異系數較高且豐水期大于枯水期，表示研究區內其含量不穩定，具有時間差異性，推測可能受人類活動的影響。

表1 地下水水化學基本特征

3.2 地下水化學類型

圖2 地下水Piper三線圖

4 結果討論

4.1 離子相關性

表2 地下水基礎離子相關系數矩陣

4.2 基于Gibbs模型的地下水水化學控制因素

圖3 地下水Gibbs圖

4.3 基于離子比例系數的地下水化學成分來源

圖4 地下水離子比例系數

4.4 基于主成分分析的地下水化學污染源

主成分分析法是通過正交變換將可能存在相關性的變量轉換為線性不相關的綜合指標的一種統計方法[17-18]。該方法對數據進行標準化及降維處理，從而提取獨立的綜合因子，目前廣泛應用于地下水化學分析[19-23]。運用SPSS軟件對選取的9項指標數據進行主成分分析。KMO和巴特利特球形度檢驗[24]結果如表3所列，KMO取樣適切性量數為0.53，大于0.5，巴特利特球形度檢驗顯著性為0，小于0.05，符合主成分分析的檢驗要求。以特征值大于1為提取原則，研究區的污染源可以提取出3個主成分，如表4所列，累計貢獻率為81.803%，大于80%，可解釋總體指標數據表征的絕大部分信息?；趧P撒正態化最大方差法原則旋轉，得到主成分旋轉因子載荷矩陣如表5所列。

表3 KMO和巴特利特檢驗結果

表4 主成分特征值及貢獻率

表5 主成分旋轉因子載荷矩陣

表6 枯水期主成分得分

表7 豐水期主成分得分

5 結 論

(2)淄河流域絕大部分點落在三線圖的A、E區。地下水水化學類型共出現10種，主要以重碳酸硫酸型為主，其次為重碳酸鈣型。枯水期水化學類型有9種，HCO3·SO4-Ca型水占比最大；豐水期水化學類型有8種，其中HCO3·SO4-Ca·Mg型水占比最多。豐水期在41號點臨淄區齊都鎮龍貫村出現了復雜的HCO3·Cl-Na·Ca型水；枯水期在35號點臨淄區辛店街道仇行村出現了復雜的HCO3·Cl·SO4-Ca型水，在14號點淄川區太河鎮小口頭村出現了更復雜的HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水。