山西省忻州盆地地下水污染特征研究

文_李鵬強(qiáng) 山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

此次研究數(shù)據(jù)來源于2019年忻州市地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測工程，由于人口和工農(nóng)業(yè)主要分布在盆地區(qū)，所以選擇監(jiān)測井的原則是盡量覆蓋盆地區(qū)，然后選擇了17口符合要求的淺層監(jiān)測井的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各監(jiān)測井井深均小于120m。本次研究中的水質(zhì)檢測指標(biāo)共22項(xiàng)，包括pH、溶解性總固體（TDS）、總硬度、懸浮物、氨氮、鐵、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物、氰化物、揮發(fā)酚、汞、砷、六價(jià)鉻、銅、鉛、鋅、錳、鎘、高錳酸鹽指數(shù)。

1.2 研究方法

對水質(zhì)的分析采用多元統(tǒng)計(jì)方法，包括主成分分析、聚類分析和相關(guān)分析。主成分分析用于提取水質(zhì)主要影響指標(biāo)；聚類分析是根據(jù)主成分分析提取出的指標(biāo)，計(jì)算17口監(jiān)測井的水質(zhì)相似程度，進(jìn)而對監(jiān)測井進(jìn)行分類；相關(guān)分析是通過計(jì)算指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度，以識(shí)別各指標(biāo)在水質(zhì)演化過程中的聯(lián)系。通過多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，并結(jié)合水文地球化學(xué)理論來探討不同聚類地下水污染的特征因子及來源，進(jìn)而對水質(zhì)分布區(qū)域進(jìn)行劃分。

主成分分析是通過線性變換將多個(gè)變量簡化為少數(shù)幾個(gè)變量的一種方法，該方法可以識(shí)別水質(zhì)指標(biāo)中的信息重疊，從而減少不必要的信息干擾，在篩選水質(zhì)指標(biāo)方面應(yīng)用很多；聚類分析是根據(jù)類之間的相關(guān)性，將相似度最高的因子結(jié)合為一類，并且不斷反復(fù)，直到所有分類聚合成一類；相關(guān)分析是通過變量間的相關(guān)性計(jì)算，研究變量間關(guān)聯(lián)方向及關(guān)聯(lián)度的一種方法。

2 多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.1 主成分分析結(jié)果

從檢測后的水質(zhì)結(jié)果來看，淺層地下水中懸浮物未見異常，氨氮、鐵、氰化物、揮發(fā)酚、汞、銅、鋅、鎘8項(xiàng)指標(biāo)均低于檢出限，對水質(zhì)的影響可忽略。因此，選取剩下的13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到相應(yīng)的成分矩陣，見表1。

表1 成分矩陣

由表1可看出，共提取出4個(gè)主成分，成分1主要與TDS、硫酸鹽、總硬度、氯化物、硝酸鹽、氟化物六項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)，總方差達(dá)到41.234%；成分2主要與錳、六價(jià)鉻相關(guān)，總方差為21.293%；成分3和成分4分別與亞硝酸鹽和高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)，總方差分別為11.456%、10.248%。4個(gè)主成分累計(jì)方差為84.231%。

2.2 聚類分析結(jié)果

利用主成分分析方法篩選出的10項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)，可以構(gòu)建出表征研究區(qū)地下水水質(zhì)的17×10水質(zhì)矩陣，然后進(jìn)行聚類分析。由于事先不確定分成幾類，所以選擇系統(tǒng)聚類中的個(gè)案聚類對研究區(qū)水質(zhì)監(jiān)測井進(jìn)行分類，研究區(qū)中的監(jiān)測井被明顯劃分為兩個(gè)聚類。第一聚類超標(biāo)情況比較復(fù)雜，有TDS、總硬度、氯化物、硝酸鹽、氟化物等超標(biāo)項(xiàng)；第二聚類主要以硝酸鹽氮超標(biāo)為特征。

2.3 相關(guān)性分析結(jié)果

為了更進(jìn)一步探尋兩種聚類地下水水質(zhì)形成原因，這里采用雙變量相關(guān)分析方法對系統(tǒng)聚類分析中的10項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到各水質(zhì)指標(biāo)的pearson相關(guān)系數(shù)，見表2。

表2 水質(zhì)指標(biāo)Pearson相關(guān)系數(shù)

從表2中的數(shù)據(jù)可知，TDS與總硬度呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），且二者與氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）；另外TDS與氟化物呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），而與亞硝酸鹽呈顯著相關(guān)（p＜0.05），而總硬度則與TDS相反。除此之外，六價(jià)鉻與錳呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。

3 污染物來源分析

結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果，由于TDS和總硬度兩項(xiàng)指標(biāo)與氯化物、硝酸鹽、氟化物等指標(biāo)相關(guān)性很強(qiáng)，可以看出第一聚類雖然超標(biāo)項(xiàng)復(fù)雜，但以TDS和總硬度超標(biāo)為特征。而由聚類結(jié)果，第二聚類主要以硝酸鹽氮超標(biāo)為特征。另外，氟化物超標(biāo)僅出現(xiàn)在4口監(jiān)測井中（最大超標(biāo)倍數(shù)1.52倍），并且都集中在忻府區(qū)及定襄南部地區(qū)，主要由于當(dāng)?shù)靥厥獾牡刭|(zhì)構(gòu)造等因素造成。下文將結(jié)合水文地球化學(xué)基本理論以及相關(guān)分析結(jié)果重點(diǎn)對TDS、總硬度和硝酸鹽氮的超標(biāo)原因進(jìn)行分析。

3.1 TDS和總硬度

TDS和總硬度超標(biāo)主要出現(xiàn)在XG21和XG36-1兩處，二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），其濃度的增加主要受人類活動(dòng)的影響，一般由于地表污染物淋濾入滲以及污水入滲引起。

兩口井位于定襄縣南部及東部附近，根據(jù)調(diào)查資料，近年來定襄周邊各村經(jīng)濟(jì)增長迅速，鍛造加工業(yè)發(fā)達(dá)，特征污染物廢砂數(shù)量激增，并且由于鍛造加工業(yè)發(fā)展迅猛，務(wù)工人口數(shù)量也不斷增長，這些因素導(dǎo)致進(jìn)入地下水中的污染物數(shù)量增加。表2顯示出TDS和總硬度二者與氯離子呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，一般氯離子含量增加是人為輸入的結(jié)果，氯離子遷移性很強(qiáng)且性質(zhì)穩(wěn)定，在下滲過程中很少因吸附或者化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致其質(zhì)量減少，所以地下水中氯離子濃度變化常被作為評價(jià)地表污染物影響地下水水質(zhì)的重要指標(biāo)。由此推斷研究區(qū)中TDS和總硬度升高的重要原因是地表污染物淋濾入滲。此外，TDS和總硬度與硝酸鹽呈極顯著正相關(guān)系，也有學(xué)者通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)證實(shí)了氮素轉(zhuǎn)化遷移過程會(huì)影響地下水酸堿性條件，從而促進(jìn)鈣鎂礦物從土壤中溶解或者通過置換反應(yīng)進(jìn)入地下水，導(dǎo)致地下水TDS和總硬度增加，由此推斷兩口井TDS和總硬度增加與硝酸鹽污染也存在聯(lián)系。

3.2 硝酸鹽氮

硝酸鹽氮是地下水中氮污染的主要形式，同時(shí)也是地下水中最普遍、污染面積最大的污染因子，其來源主要是人為來源，包括化學(xué)肥料、農(nóng)家肥、生活污水及生活垃圾等，一般農(nóng)業(yè)區(qū)中化肥或者農(nóng)家肥是地下水的重要硝酸鹽氮污染源，而城市地區(qū)硝酸鹽氮污染源則主要是生活污水和生活垃圾。本研究第二聚類中的15口監(jiān)測井覆蓋了盆地區(qū)絕大部分范圍，其中有11口井出現(xiàn)了硝酸鹽氮超標(biāo)情況，說明硝酸鹽氮污染在盆地區(qū)比較普遍。從監(jiān)測井分布的區(qū)域來看，這些井全部位于城市周邊農(nóng)村，并且忻州屬于以農(nóng)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)體系，農(nóng)業(yè)用地占全市土地面積的80%以上，據(jù)此可推知硝酸鹽氮超標(biāo)與氮肥的使用有較大關(guān)系。另外，村民生活污水和生活垃圾也會(huì)對地下水硝酸鹽氮超標(biāo)有一定影響。

4 結(jié)語

鑒于忻州盆地當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分布以及地下水的污染特征，建議今后加大對氮素空間分布特征以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、大面積的農(nóng)業(yè)區(qū)中氮肥合理使用和低污染新型肥料等的研究。除此之外，忻州盆地工業(yè)分布區(qū)政府應(yīng)督促企業(yè)做好污染物無害化處置，嚴(yán)格控制污染物的排放，以減少人類活動(dòng)對水資源的影響，最終實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開發(fā)利用。