滹沱河沖洪積扇淺層地下水水質(zhì)外界脅迫作用分析

張小文，何江濤，劉丹丹，倪澤華，張昌延

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

地下水具有水質(zhì)良好、便于利用等優(yōu)點(diǎn)，滹沱河沖洪積扇地區(qū)以地下水作為主要供水水源，地下水對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)穩(wěn)定及人民身體健康有著至關(guān)重要的作用[1]。近些年隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、人口增長和人民生活水平的提高，水資源的需求量越來越大，地下水不合理開發(fā)，各種人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物質(zhì)也直接作用于地下水，對(duì)研究區(qū)地下水水質(zhì)造成了嚴(yán)重威脅[2]。為解決本區(qū)地下水資源面臨的問題，有效遏制地下水水質(zhì)的進(jìn)一步惡化，必須掌握滹沱河沖洪積扇地區(qū)地下水水質(zhì)變化的關(guān)鍵影響因素及影響方式。這對(duì)地下水污染防控工作的科學(xué)開展以及當(dāng)?shù)鼐用竦陌踩┧哂鞋F(xiàn)實(shí)意義。

地下水水質(zhì)脅迫因素的研究開始于20世紀(jì)90年代。美國地調(diào)局開展第一輪國家水質(zhì)計(jì)劃(NAWQA)，致力于回答“人為活動(dòng)與自然因素如何影響地表水和地下水”的問題[3]。同時(shí)期，張宗祜等人也提出應(yīng)積極開展人類活動(dòng)影響下地下水環(huán)境演化及發(fā)展的研究[4]，并進(jìn)行了華北平原第四系地下水系統(tǒng)在自然因素疊加人為因素的條件下地下水演化規(guī)律及趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究[5]。隨著對(duì)地下水污染問題的重視，越來越多的學(xué)者進(jìn)行了深入研究。張光輝等應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析方法分析了滹沱河流域平原區(qū)地下水流場(chǎng)異常變化與原因[6]；王金哲等選取7個(gè)影響地下水變化的變量指標(biāo)，采用綜合指數(shù)法和MAPGIS技術(shù)量化了人類活動(dòng)對(duì)滹沱河淺層地下水干擾程度[7]；黃冠星等應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)方法區(qū)分東莞地區(qū)地下水水質(zhì)的天然與人為影響因素[8]；國外蘇格蘭、葡萄牙等一些學(xué)者利用累積頻率曲線圖、模糊聚類及多元統(tǒng)計(jì)等方法剔除地下水異常數(shù)據(jù)，研究人為與天然因素對(duì)地下水影響[9～10]。

地下水受到不同脅迫作用會(huì)在地下水水化學(xué)特征中反映出來，如何科學(xué)區(qū)分不同作用類型影響的地下水點(diǎn)對(duì)于地下水污染防控具有重大意義。本文嘗試基于背景值進(jìn)行劣質(zhì)劣變水評(píng)估，并結(jié)合水文地質(zhì)資料、土地利用類型以及地下水污染評(píng)價(jià)對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，從多元統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，進(jìn)一步歸納分析研究區(qū)地下水水質(zhì)的主要脅迫作用及脅迫方式，為研究區(qū)地下水供水安全提供更加科學(xué)合理的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省中南部滹沱河沖洪積扇中上部，行政區(qū)劃包括石家莊市轄區(qū)、藁城區(qū)、正定縣、無極縣以及晉州市等縣市。滹沱河是區(qū)內(nèi)主要河流，為該區(qū)地下水重要補(bǔ)給源之一，發(fā)源于山西省繁峙縣，經(jīng)崗南、黃壁莊水庫流入華北平原，橫穿整個(gè)研究區(qū)。滹沱河沖洪積扇地區(qū)屬溫帶半濕潤、半干旱大陸季風(fēng)氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。多年平均氣溫約13 ℃，年降水量450～750 mm，主要集中在6—9月。區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物有玉米、小麥、梨、棗、核桃等，農(nóng)業(yè)集約化和產(chǎn)業(yè)化水平較高。畜牧業(yè)以飼養(yǎng)畜禽為主，畜類主要為馬、牛、豬、羊等，禽類主要是雞、鴨等，另有漁業(yè)生產(chǎn)。工業(yè)主要以紡織、醫(yī)藥、化工、機(jī)電、建材為主的綜合工業(yè)體系，并向規(guī)模性、超大型經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

研究區(qū)含水層屬河北平原第四系巨厚多層型含水層系統(tǒng)，為山前傾斜平原水文地質(zhì)區(qū)。區(qū)內(nèi)包氣帶巖性主要為粉質(zhì)黏土和粉土，自沖洪積扇頂部至中部逐漸變厚，滹沱河河漫灘一帶地表多覆蓋細(xì)砂。滹沱河沖洪積扇頂部地下水埋深較淺，含水層主要巖性為礫卵石、砂礫卵石，厚度約20～35 m，導(dǎo)水性和富水性好。沖洪積扇中部淺層地下水埋深約30～40 m，含水層厚度25～60 m，主要巖性為砂礫石、含礫粗砂、中砂，導(dǎo)水性和富水性較好。研究區(qū)淺層地下水補(bǔ)給來源主要有大氣降水入滲補(bǔ)給、西部山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給、地表水入滲補(bǔ)給以及農(nóng)田灌溉回歸補(bǔ)給。其中大氣降水入滲補(bǔ)給為本區(qū)地下水最主要的補(bǔ)給方式。區(qū)內(nèi)地下水的排泄以人工開采為主，蒸發(fā)量微乎其微。自20世紀(jì)70年代以來，由于人類嚴(yán)重超采地下水及氣候因素影響，地下水水位持續(xù)下降出現(xiàn)降落漏斗，局部地下水流向發(fā)生了改變，地下水總體流向?yàn)樽晕鞅毕驏|南。研究區(qū)水文地質(zhì)圖見圖1(a)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖和采樣點(diǎn)及潛在污染調(diào)查點(diǎn)分布Fig.1 Hydrogeological map of the study area and distribution of sampling points and potential pollution survey points

1.2 數(shù)據(jù)來源

基于太行山前松散含水層多元污染水質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，2015年6—7月對(duì)滹沱河沖洪積扇1 200 km2典型含水層開展了1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查工作。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)工業(yè)潛在污染源主要分布在正定縣及藁城區(qū)，包括制藥、建材、化肥、化工等行業(yè)，養(yǎng)殖場(chǎng)、固體廢棄物堆放場(chǎng)零星遍布研究區(qū)。滹沱河河道局部地段存在附近工廠廢水通過暗渠排入的現(xiàn)象，此外，區(qū)內(nèi)部分企業(yè)廢水和生活污水也有通過旱井滲入地下的現(xiàn)象。2015年8月依據(jù)前期調(diào)查工作及《水文地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(1∶50 000)》(DZ/T0282—2015)[12]相關(guān)要求開展采樣工作。樣品由國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行測(cè)試。對(duì)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過深淺層篩選、碳酸平衡、電荷平衡等預(yù)處理后共獲得231組淺層地下水?dāng)?shù)據(jù)用于本次研究。采樣點(diǎn)及潛在污染源調(diào)查點(diǎn)分布見圖1(b)。

1.3 劣質(zhì)劣變?cè)u(píng)價(jià)

據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局開展的全國地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果，我國地下水普遍具有高溶解性總固體、高硬度、高鐵錳、高砷、高氟等特征。這其中既有本身為天然劣質(zhì)水的情況，也有天然劣質(zhì)水在人類活動(dòng)影響下進(jìn)一步劣變惡化的情況，還有些優(yōu)質(zhì)地下水在人類活動(dòng)影響下劣變?yōu)榱淤|(zhì)水。為了解研究區(qū)的水質(zhì)狀況以及劣質(zhì)地下水的成因貢獻(xiàn)，基于研究區(qū)地下水背景值及《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)[13]進(jìn)行劣質(zhì)、劣變水劃分。

首先依據(jù)前期研究成果對(duì)不同地下水組分進(jìn)行背景值建立[14～15]。其次定義天然劣質(zhì)組分，所謂天然劣質(zhì)組分是指背景值上限高于Ⅲ類飲用水標(biāo)準(zhǔn)、主要受天然地質(zhì)環(huán)境影響的地下水組分。對(duì)于天然劣質(zhì)組分，本文將組分濃度值符合地下水Ⅲ類飲用水標(biāo)準(zhǔn)的水樣點(diǎn)劃分為天然低背景水；將組分濃度值大于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)且小于背景值上限的水樣點(diǎn)劃分為天然高背景劣質(zhì)水；在人類活動(dòng)影響下天然劣質(zhì)組分進(jìn)一步發(fā)生劣變導(dǎo)致組分濃度值高于背景值上限的水樣點(diǎn)劃分為劣變水。

對(duì)于其他背景值上限未超過Ⅲ類飲用水標(biāo)準(zhǔn)的非天然劣質(zhì)組分，將組分濃度值低于背景值上限的水樣點(diǎn)劃分為天然背景水；受人類活動(dòng)影響，改變了地下水賦存狀態(tài)或污染物質(zhì)輸入含水層引起水質(zhì)惡化導(dǎo)致組分濃度值高于背景值上限的水樣點(diǎn)劃分為劣變水，且根據(jù)不同程度的人類活動(dòng)影響，組分濃度值是否超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)將劣變水劃分為一級(jí)劣變水和二級(jí)劣變水，見表1。

表1 劣質(zhì)劣變水評(píng)價(jià)分級(jí)表Table 1 Gradation method of inferior and deterioration water

1.4 因子分析

地下水化學(xué)特征可以反映其賦存環(huán)境的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)叵滤x存環(huán)境受到外界脅迫作用而改變時(shí)，這種改變也會(huì)在地下水化學(xué)特征中反映出來[16]。因子分析技術(shù)(FA)可以識(shí)別出那些地下水化學(xué)特征中反映出來的受不同人類活動(dòng)影響控制或天然因素影響控制的數(shù)據(jù)組，把許多具有內(nèi)在聯(lián)系的水化學(xué)組分歸納為少數(shù)幾個(gè)公共因子[17]。本文基于SPSS 19.0軟件，利用主成分法提取特征值進(jìn)行R型因子分析，并計(jì)算各采樣點(diǎn)的因子得分，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查資料及劣質(zhì)劣變水評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)一步分析研究區(qū)地下水水質(zhì)的主要脅迫因素以及脅迫方式。

2 結(jié)果與討論

2.1 背景值范圍

依據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，將研究區(qū)分為滹沱河沖洪積扇頂部地下水單元和滹沱河沖洪積扇中部單元兩個(gè)亞區(qū)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)和水化學(xué)圖法分區(qū)進(jìn)行地下水主要組分、次要組分及微量組分的異常數(shù)據(jù)識(shí)別[14～15]。計(jì)算剩余數(shù)據(jù)累計(jì)頻率得到研究區(qū)地下水背景值范圍，并將累計(jì)頻率95%對(duì)應(yīng)濃度值作為背景值上限，按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)[13]對(duì)其進(jìn)行單指標(biāo)水質(zhì)級(jí)別劃分。以滹沱河沖洪積扇中部地下水單元為例，見表2。

表2 滹沱河沖洪積扇中部地下水單元無機(jī)組分背景值上限Table 2 Upper limited of the background value of inorganic components in the Hutuo River alluvial fan

注：pH指標(biāo)無量綱；其余指標(biāo)單位為mg·L-1

2.2 劣質(zhì)劣變?cè)u(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)果顯示，天然高背景劣質(zhì)水主要分布于沖洪積扇中部藁城區(qū)周圍、無極縣南部區(qū)域，沖洪積扇頂部分布較少。高鐵劣變水表示天然劣質(zhì)水受人類活動(dòng)的影響其組分濃度值持續(xù)升高發(fā)生了進(jìn)一步劣變，主要分布于沖洪積扇頂部靈壽縣、正定縣一帶，中部無極縣及藁城等區(qū)域。

對(duì)其他非天然劣質(zhì)組分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)顯示，一級(jí)劣變水區(qū)分布面積最大，占整個(gè)研究區(qū)面積65.9%，表示研究區(qū)大部分地下水在人為因素影響下水質(zhì)朝惡化方向發(fā)展。二級(jí)劣變水區(qū)表示地下水水質(zhì)在較強(qiáng)人為影響下超出Ⅲ類飲用水標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，占研究區(qū)面積15.7%，主要分布在靈壽縣南部、藁城城區(qū)附近、以及無極縣張段固鎮(zhèn)、正定鎮(zhèn)附近等人口密度較大區(qū)域。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

人類活動(dòng)對(duì)地下水水質(zhì)的影響方式大致可總結(jié)為兩個(gè)方面：一是不合理的補(bǔ)排地下水改變了原有的地下水循環(huán)途徑，水巖作用受到影響，致使地下水水化學(xué)特征發(fā)生改變。二是污染物的輸入直接導(dǎo)致地下水污染。結(jié)合研究區(qū)人類活動(dòng)要素及污染評(píng)價(jià)驗(yàn)證劣質(zhì)劣變水評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

由于長期以來對(duì)區(qū)內(nèi)地下水資源的過量開采，地下水水位持續(xù)下降出現(xiàn)降落漏斗，沖洪積扇頂部區(qū)域等水位線明顯變密(圖1a)。分析劣質(zhì)劣變?cè)u(píng)價(jià)結(jié)果，等水位線密集，水力梯度較大區(qū)域均處于一級(jí)劣變水區(qū)，由于地下水超采使天然狀態(tài)下的水鹽均衡遭到破壞，一方面含水層被疏干，氧化還原環(huán)境發(fā)生變化，增強(qiáng)了一些礦物巖鹽的溶解度；另一方面入滲途徑的增長和降落漏斗的形成造成鹽分的積累以及含水層變薄對(duì)離子稀釋作用減弱。這些都導(dǎo)致地下水含鹽水平的增加，使其水質(zhì)朝惡化方向發(fā)展。

表3 污染評(píng)價(jià)分級(jí)表Table 3 Classification method of pollution assessment

注：C—指標(biāo)濃度值/(mg·L-1)；NBL—背景值；GQS(Ⅲ)—地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類限值；TDF—目標(biāo)檢出限

圖3 污染評(píng)價(jià)綜合分級(jí)圖Fig.3 Comprehensive classification of pollution assessment

有機(jī)組分污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明，主要檢出的有機(jī)組分為鹵代烴類，超標(biāo)水樣點(diǎn)較少，超標(biāo)組分主要為三氯甲烷，檢出有機(jī)物的水樣點(diǎn)大多分布在二級(jí)劣變水區(qū)。無機(jī)組分中污染區(qū)和重污染區(qū)主要分布在靈壽縣南部、無極縣南部、藁城區(qū)滹沱河河道及正定鎮(zhèn)附近區(qū)域，與非天然劣質(zhì)組分二級(jí)劣變水區(qū)域吻合度較高，且疑似污染區(qū)和輕污染區(qū)的分布與一級(jí)劣變水區(qū)較好吻合。并結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查資料(圖2)分析發(fā)現(xiàn)，局部滹沱河河段已成為區(qū)內(nèi)工業(yè)廢水、生活垃圾的納污場(chǎng)所，且河漫灘一帶地表多為細(xì)砂，為污染物質(zhì)的下滲提供天然優(yōu)勢(shì)。這也解釋了二級(jí)劣變水區(qū)大多分布在滹沱河河道附近，同時(shí)也處于縣鎮(zhèn)等人口密度較大區(qū)域以及主要工業(yè)分布區(qū)域。

綜上所述，一級(jí)劣變水區(qū)與地下水開采區(qū)以及代表輸入型污染的疑似污染區(qū)、輕污染區(qū)較好吻合，二級(jí)劣變水區(qū)則與輸入型污染的中污染區(qū)、重污染區(qū)較好吻合。因此初步分析一級(jí)劣變水的分布主要與地下水超采引起的水化學(xué)場(chǎng)改變有關(guān)，且污染物的直接輸入也有一定貢獻(xiàn)。而二級(jí)劣變水的分布主要受工業(yè)廢水和垃圾滲濾液等點(diǎn)狀污染物輸入的影響。

2.4 外界脅迫作用分析

表4 旋轉(zhuǎn)成份矩陣Table 4 Matrix of rotated factors loading

圖4 因子F1、F2、F3得分分級(jí)圖Fig.4 Factor F1、F2 and F3 score grading maps

圖5 因子F1、F2、F3得分點(diǎn)各指標(biāo)濃度箱型圖Fig.5 Each index concentration box plot of factor F1、F2 and F3 with different score points

綜上所述，F(xiàn)1代表水樣點(diǎn)的含鹽水平，主要受人類對(duì)地下水資源的過度開采影響，其次也受到工業(yè)及生活污水等污染物直接輸入的影響。為研究區(qū)地下水水質(zhì)最主要的脅迫作用。

綜上所述，說明F2代表垃圾場(chǎng)滲濾液及農(nóng)村生活污水等人類活動(dòng)對(duì)地下水的點(diǎn)狀污染輸入。受天然的地質(zhì)條件以及潛在污染源分布位置的影響。

主因子F3的貢獻(xiàn)率為11.05%，其中Fe、Mn的因子載荷較大，與F3呈正相關(guān)。結(jié)合劣質(zhì)劣變水評(píng)估結(jié)果，F(xiàn)3得分值大于0的點(diǎn)均分布于天然高背景劣質(zhì)水區(qū)以及高Fe劣變水區(qū)(圖4c)，主要集中在沖洪積扇中部單元。結(jié)合水文地質(zhì)資料，研究區(qū)含水層黏土、亞砂土中含有一定的鐵錳結(jié)核[22]，沖洪積扇頂部含水層主要巖性為礫卵石、砂礫卵石，徑流條件好，在氧化環(huán)境中易形成難溶鐵錳化合物，不易遷移。中部單元巖性變細(xì)，水力梯度變小易形成還原條件是導(dǎo)致Fe集中在中部單元的天然優(yōu)勢(shì)。其次F3得分高值點(diǎn)與高Fe劣變水區(qū)較好吻合，不僅表現(xiàn)為鐵錳的超標(biāo)，Cl-和耗氧量也呈增高趨勢(shì)(圖5f)。這主要與人為污染輸入導(dǎo)致地下水氧化還原環(huán)境改變有關(guān)，污染物中有機(jī)質(zhì)在微生物作用下分解產(chǎn)生二氧化碳和硫化氫等還原性物質(zhì)，使高價(jià)鐵錳氧化物還原成低價(jià)的鐵錳易溶鹽[23]，最終導(dǎo)致地下水中鐵錳含量持續(xù)升高，甚至高于其背景值上限發(fā)生進(jìn)一步劣變。另外過量開采地下水造成強(qiáng)氧化條件也是導(dǎo)致頂部單元鐵錳含量較低的重要原因。

綜上所述，F(xiàn)3代表水體中Fe、Mn共存的氧化還原環(huán)境。含水介質(zhì)及土壤中的鐵錳結(jié)核是研究區(qū)淺層地下水Fe、Mn來源的物質(zhì)基礎(chǔ)，其分布主要受水文地質(zhì)條件、地下水超采以及污染物輸入造成的氧化還原環(huán)境改變影響。

3 結(jié)論

(1)劣質(zhì)劣變?cè)u(píng)價(jià)結(jié)果表明區(qū)內(nèi)Fe屬于天然劣質(zhì)組分。天然高Fe劣質(zhì)水的形成主要受地層中鐵錳礦物、水文地質(zhì)條件等天然因素控制，并在人為污染輸入的影響下部分地區(qū)濃度值超過背景值上限出現(xiàn)了高Fe劣變水。

(2)非天然劣質(zhì)組分評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，一級(jí)劣變水區(qū)面積占整個(gè)研究區(qū)的65.9%，二級(jí)劣變水區(qū)占15.7%。表明研究區(qū)大部分區(qū)域在人為活動(dòng)影響下其地下水水質(zhì)明顯朝惡化方向發(fā)展，靈壽縣南部、藁城城區(qū)附近等二級(jí)劣變水分布區(qū)地下水水質(zhì)在較強(qiáng)人為影響下已超出Ⅲ類飲用水標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)結(jié)果與水文地質(zhì)資料及污染評(píng)價(jià)結(jié)果有很好的一致性，證實(shí)劣質(zhì)劣變?cè)u(píng)價(jià)可行可靠。

(3)結(jié)合因子分析結(jié)果，一級(jí)劣變水表示為人類活動(dòng)影響下地下水主要組分濃度值的增高，其主要脅迫作用為人類活動(dòng)對(duì)地下水資源的不合理開采。而二級(jí)劣變水的主要脅迫作用為工業(yè)和生活廢水、垃圾場(chǎng)和養(yǎng)殖場(chǎng)滲濾液等人類活動(dòng)對(duì)地下水的點(diǎn)狀污染輸入。