安徽省馬鞍山市淺層地下水化學(xué)特征及影響因素*

吳世雄 董長春 孫亞婕 趙衛(wèi)東 馬 雷

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊(duì)；2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心；3.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

馬鞍山市在工礦企業(yè)較集中、人口稠密地區(qū)的地下水受工業(yè)三廢、農(nóng)藥、化肥等影響，造成了嚴(yán)重污染。此外，包括馬鞍山市在內(nèi)的整個(gè)皖江城市帶地下水總體形勢較為嚴(yán)峻［1］。

近年來，眾多學(xué)者在馬鞍山市開展了大量地下水研究工作，主要集中在地下水的資源分布［2］、地下水監(jiān)測等方面。曹陽、李連香等［3-4］利用主成分分析、因子分析和系統(tǒng)聚類等方法，對(duì)皖北、金積水源地下水水質(zhì)影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。部分學(xué)者采用單因子評(píng)價(jià)及內(nèi)梅羅指數(shù)、因子分析等方法對(duì)地下水水質(zhì)及水化學(xué)參數(shù)相關(guān)性等進(jìn)行了研究［5-6］。

綜上所述，馬鞍山市局部地下水污染較為嚴(yán)重，并且淺表層地下水的水化學(xué)特征及其影響因素尚未查清。為此，綜合運(yùn)用地下水主要成分分析等手段，闡明馬鞍山市淺層地下水化學(xué)特征的主要影響因素，為馬鞍山市地下水資源開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

馬鞍山市位于安徽省東部，位于長江下游長三角區(qū)，地處東經(jīng)117°53～118°52′、北緯31°24～32°02′，長江東西貫穿該市。本研究區(qū)范圍特指2011 年8 月22 日馬鞍山市行政區(qū)劃變動(dòng)之前的原馬鞍山市范圍，包含雨山區(qū)、花山區(qū)、博望區(qū)和當(dāng)涂縣。馬鞍山對(duì)外交通十分便利，區(qū)位優(yōu)勢明顯。

1.2 區(qū)域地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

馬鞍山區(qū)域?yàn)榍鹆昶皆瓍^(qū)，長江自西南向東北縱貫全區(qū)。長江西側(cè)丘陵呈條帶狀，北東向展布，一般海拔在250～300 m。長江東側(cè)丘陵與平原犬牙交錯(cuò)，山勢較平緩，一般海拔高度在150～250 m。丘陵以外為黃土質(zhì)黏性土組成的階地，其余為長江及各支流沖積平原、河湖平原。平原平均高程在10 m 以下，向長江微有傾斜。滁河、秦淮河平原分別在研究區(qū)西北，標(biāo)高在10～20 m。丹陽湖以西的低平原標(biāo)高為5～7 m。

研究區(qū)松散巖類孔隙水的砂層厚度和含水層組富水性自長江沿岸及主要支流河谷漫灘地帶向二、三級(jí)階地上逐步減小。碎屑巖裂隙水賦存于早第三世、白堊紀(jì)、中早侏羅世、中三疊世、泥盆世和志留世等地層。巖性為一套陸相及淺海相的礫巖、頁巖。裂隙一般不發(fā)育，富水性較弱，紅層更差。泉水多為季節(jié)性溢出，流量小于0.05 L/s，單井涌水量多小于1 m3/h?？紫端源髿饨邓a(bǔ)給為主，下游為河床側(cè)滲，以地表蒸發(fā)和植物蒸騰為主，農(nóng)村分散開采，橫向補(bǔ)充河道。目前，該地區(qū)的地下水流向從南到北分別向長江地區(qū)流動(dòng)，最后在長江地區(qū)結(jié)束。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 樣品采集與測試

本次馬鞍山市地下水污染調(diào)查研究覆蓋馬鞍山長江南岸全境，共完成馬鞍山市1∶5萬地下水污染調(diào)查 350 km2，1∶25 萬地下水污染調(diào)查 1 100 km2，共采集地下水及地表水樣品90 組，土壤樣品30 組。水文地質(zhì)鉆探進(jìn)尺100 m。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

地下水的化學(xué)成分在長期的地質(zhì)歷史時(shí)期過程中，通過溶濾、交替吸附、混合等一系列極為復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物化學(xué)的組合作用生成，它受自然地理?xiàng)l件、地質(zhì)、水文、生物及人為等諸多因素制約。本研究使用了馬鞍山市范圍內(nèi)的60組潛水樣的化學(xué)指標(biāo)測試結(jié)果，采用舒卡列夫分類方法，對(duì)其進(jìn)行了分類，綜合利用主成分分析和聚類分析等方法揭示馬鞍山淺層地下水水化學(xué)類型的分布特征及其影響因素。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水化學(xué)特征

通過對(duì)馬鞍山市60組潛水樣的水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1），可以看出，除了pH 值以外，其他各項(xiàng)指標(biāo)均存在著很大變異，這表明該研究區(qū)離子濃度存在著很大的空間分布；特別是Mn、Fe、Al、NH4+、濁度、Zn、F-、NO2-、NO3-、K+的變異系數(shù)均大于120%，反映了這些離子存在較強(qiáng)的空間變異性。HCO3-、Cl-、SO42-、Na+和Ca2+含量平均水平和標(biāo)準(zhǔn)差均比較大。結(jié)果表明：馬鞍山地區(qū)淺層地下水中存在大量的上述離子，它們決定著地下水的水化學(xué)類型，是地下水中的主要離子組分。

?

根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GBT 14848—2017），對(duì)區(qū)內(nèi)淺層地下水中的主要離子含量進(jìn)行地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在超III 類水中，主要以IV 類水為主，主要超標(biāo)指標(biāo)為錳、砷、硝酸鹽、硫酸鹽、總硬度和TDS等。錳指標(biāo)的Ⅳ類水較多，硝酸鹽指標(biāo)的V類水較多。IV、V 類水主要集中分布在2 個(gè)區(qū)域，分別位于馬鞍山市區(qū)與向山鎮(zhèn)一帶和護(hù)河、塘南、大攏一帶。V類水主要分布在霍里鎮(zhèn)、護(hù)河鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)和塘南鎮(zhèn)區(qū)附近。其余大部分地區(qū)為III類水分布區(qū)。在潛水中錳的分布范圍中（圖1（a）），大部分地區(qū)水質(zhì)較好，尤以馬鞍山東部護(hù)河鎮(zhèn)以東，包括博望、丹陽、新市、薛津一帶水質(zhì)為佳，基本為一類水。IV 類水集中分布在市區(qū)西部沿江地帶和當(dāng)涂東南部馬橋、黃池、烏溪一帶。向山鎮(zhèn)東南部南山礦區(qū)范圍出現(xiàn)V類水。其他地區(qū)為III類水分布區(qū)。

在潛水中砷的分布范圍中（圖1（b）），大部分地區(qū)砷未超III 類標(biāo)準(zhǔn)，砷的檢出濃度呈現(xiàn)北低南高的規(guī)律。I 類水主要分布在采石河以北，III 類水則分布在姑溪河南側(cè)一帶。IV、V 類水主要出現(xiàn)在新橋鎮(zhèn)、馬橋鎮(zhèn)周邊和烏溪鎮(zhèn)及其東部等局部地區(qū)。

從淺層地下水中硝酸鹽的水質(zhì)超標(biāo)情況看，硝酸鹽超III類水分布較廣，IV類和V類水較多。其中，東北部及沿江地帶及向山、佳山一帶多為IV 類水，市區(qū)及慈湖鎮(zhèn)一帶V類水居多。此外，護(hù)河鎮(zhèn)、新豐鄉(xiāng)、大攏鄉(xiāng)沿河地區(qū)，IV、V類水分布較多。I、II類水主要分布在新市、博望一帶及當(dāng)涂—太白—石橋—塘南一線以南的廣大地區(qū)，其他地區(qū)基本以III類水為主。

硫酸鹽主要的IV、V 類水集中分布區(qū)為向山鎮(zhèn)、霍里鎮(zhèn)和慈湖鎮(zhèn)?；旧蠟檠卮群拥V區(qū)源頭向下游沿河分布，具有明顯的規(guī)律性。其他地區(qū)基本無超III 類現(xiàn)象，大多為I～I(xiàn)II 類水。這種分布特征具有明顯的污染特點(diǎn)，與礦區(qū)含硫鐵礦開采和分選過程較為相關(guān)。

TDS 和總硬度是評(píng)價(jià)地下水質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，其水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在馬鞍山市區(qū)范圍內(nèi)TDS指標(biāo)以Ⅳ類水為主，是馬鞍山市超Ⅲ類水的主要分布區(qū)，其他如護(hù)河鎮(zhèn)、塘南鎮(zhèn)部分地區(qū)則小范圍分布。東北部博望、新市一帶和西南新橋、龍山、查灣、石橋一帶是Ⅰ、Ⅱ類水分布區(qū)，約占全區(qū)面積1/3。其他大部分地區(qū)為Ⅲ類水，全區(qū)無Ⅴ類水。馬鞍山市潛水中總硬度超Ⅲ類的水比例較高，其中，Ⅰ、Ⅱ類水主要分布在博望、新市鎮(zhèn)及周邊地區(qū)以及以太白鎮(zhèn)為中心的龍山以東、查灣以北、石橋以東區(qū)域。IV、V 類水集中分布在2 個(gè)區(qū)域。其一分布在馬鞍山市區(qū)及向山鎮(zhèn)一帶，其二分布在護(hù)河、塘南、大攏一帶。V類水分布在霍里鎮(zhèn)、護(hù)河鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)和塘南鎮(zhèn)區(qū)附近。其余大部分地區(qū)為Ⅲ類水分布區(qū)。

3.2 水化學(xué)類型

對(duì)馬鞍山市60 組潛水樣按舒卡列夫分類法進(jìn)行分類，結(jié)果見表1。該區(qū)潛水共有20 種水化學(xué)類型，以 HCO3-Ca·Mg 型水和 HCO3·SO4-Na·Ca 型水（占比均為17.5%）、HCO3-Na·Ca 型水和HCO3·SO4-Ca·Mg（占比均為10.0%）為主，其他類型的水占比均小于7.0%。

3.3 水化學(xué)控制過程

按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 14848—2017）中地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取19項(xiàng)常規(guī)無機(jī)化學(xué)指標(biāo)，利用SPSS19.0軟件對(duì)樣品的19種無機(jī)指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、主成分分析和聚類分析，可以科學(xué)地對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選，消除冗余。

地下水的質(zhì)量變化與人類的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，隨著人類活動(dòng)的加劇，地下水質(zhì)量指數(shù)的離散度和波動(dòng)性也就越來越顯著。為此，對(duì)研究區(qū)所選取的地下水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)（表1），第1 類影響因子 Mn、Fe、Al、NH4+、Zn、F-、NO2-其相對(duì)極差為11.89～39.62，變異系數(shù)為127.25～457.06，顯示了最大的離散度和最大的波動(dòng)性，說明這些指標(biāo)受到人為影響程度最大，也就是第1 類影響因子對(duì)人類活動(dòng)的影響最為敏感。第2 類影響因子NO3-、耗氧量、Cl-、SO42-、Na+、總硬度和TDS 的相對(duì)極差為 1 050.15～1 618.00，變異系數(shù)為51.35～53.63，數(shù)據(jù)的離散程度較低，波動(dòng)性較小，表明第2 類影響因子對(duì)人類活動(dòng)的影響較敏感。

為避免數(shù)據(jù)冗余，采用主成分和聚類方法，對(duì)研究區(qū)77 個(gè)淺層地下水中14 項(xiàng)人工影響較大的水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)聚類分析。用歐式距離法計(jì)算試樣之間的間距，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 14848—2017》。對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)指標(biāo)的進(jìn)行主成分分析，獲得地下水化學(xué)指標(biāo)的主成份得分系數(shù)矩陣，并進(jìn)行水化學(xué)指標(biāo)聚類分析。分析發(fā)現(xiàn)，5 個(gè)主成分特征值均在1 以上，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為78.045%。其中，在第一主成分中，Cl、SO4-、總硬度、TDS、Na+的因子載荷都比較高；在第二主成分中，F(xiàn)e和Al 載荷較高；在第三主成分中，Mn 和耗氧量的載荷較高；在第四主成分中，具有較高載荷的指標(biāo)是F-；在第五主成分中，NO2-的載荷較高。

在距離為20 的情況下，聚類分析將所選指標(biāo)分為 5 類：Cl-、總硬度、SO4-、NO3-、TDS、Na+為一類，F(xiàn)e、Zn 和 Al 為一類，Mn、耗氧量和 NH4+為一類，F(xiàn)-為一類，NO2-為一類。這一結(jié)果與主成分分析結(jié)果中的5個(gè)主成分中的主要荷載完全一致。

3.4 地下水化學(xué)特征的主要影響因素

對(duì)馬鞍山市孔隙潛水的V 類水水質(zhì)指標(biāo)及其樣本個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，硝酸鹽是Ⅴ類水貢獻(xiàn)度最大的影響因子，其余指標(biāo)按照影響因子貢獻(xiàn)大小依次為總硬度、砷、硫酸鹽、氯化物、鋁、碘化物。對(duì)比前述潛水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)V類水的分布特征，可以得出以下結(jié)論：馬鞍山南部的長江及各支流沖積平原、河湖平原地帶的V類水主要受到了硝酸鹽、總硬度和砷的影響，其中硝酸鹽含量較高代表了該區(qū)域農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖活動(dòng)的影響，總硬度和砷含量較高指示了該區(qū)域地下水水動(dòng)力條件較弱，地下水主要排泄方式為蒸發(fā)排泄。馬鞍山北部采礦區(qū)、礦業(yè)冶煉等礦業(yè)活動(dòng)密集的地區(qū)的V類水主要是受到硫酸鹽的影響，指示了人類的礦業(yè)開采活動(dòng)已經(jīng)較大程度影響到了馬鞍山地區(qū)的地下水質(zhì)量。

對(duì)馬鞍山市孔隙潛水的Ⅳ類水水質(zhì)指標(biāo)及其樣本個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，總硬度為Ⅳ類水貢獻(xiàn)度最大的影響因子，其余指標(biāo)按照貢獻(xiàn)度由大到小依次為鋁、硝酸鹽、錳、砷、銨氮、氯化物、碘化物、耗氧量?？傆捕仁洽纛愃暙I(xiàn)度最大的因子，Ⅳ類水主要分布在馬鞍山南部的長江及各支流沖積平原、河湖平原地帶，水動(dòng)力條件弱，地下水以蒸發(fā)排泄為主。錳、砷等重金屬指標(biāo)對(duì)Ⅳ類水有一定的貢獻(xiàn)，錳含量高可能是天然背景值較高導(dǎo)致的，砷的出現(xiàn)可能指示地下水受到了礦山開采、冶煉、養(yǎng)殖等人為活動(dòng)的影響。

馬鞍山市目前已探明的鐵礦儲(chǔ)量超過16 億t，是馬鞍山市的支柱工業(yè)。因此，專門開展針對(duì)馬鞍山典型的凹山礦區(qū)的地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)。南山礦是凹山礦區(qū)最具代表性的礦場之一，居于眾礦山占地面積最大、擴(kuò)張速度最快。該礦區(qū)現(xiàn)有大型尾礦庫2座，大型排土場2 座，總規(guī)模達(dá)5.733 km2。礦山的開采是引發(fā)區(qū)內(nèi)各類地質(zhì)災(zāi)害主要誘因。

為了進(jìn)一步闡明影響馬鞍山市孔隙潛水水質(zhì)的主要因素，制作出馬鞍山市地下水超標(biāo)水質(zhì)樣本點(diǎn)的空間分布及地下水流向圖（圖2）。從該圖中可以看出，TDS為Ⅴ類水的區(qū)域（粉紅色填充區(qū)域）主要分布在西北與東南方向，在凹山礦區(qū)附近尤為明顯，污染最嚴(yán)重（在1、15、11號(hào)樣本點(diǎn)附近區(qū)域）。此外，錳污染區(qū)域也在該礦附近分布，表明礦山開采是造成該區(qū)域錳污染的重要因素。護(hù)河、塘南、大攏一帶存在小范圍的污染分布，污染情況相對(duì)嚴(yán)重（在2、13、16、3、12、14 號(hào)樣本點(diǎn)附近區(qū)域）。相對(duì)而言，博望、新市鎮(zhèn)及周邊地區(qū)以及以太白鎮(zhèn)為中心的龍山以東、查灣以北、石橋以東區(qū)域地下水水質(zhì)相對(duì)較好。綜上所述，馬鞍山市的礦石開采改變了原有的地下水流系統(tǒng)，導(dǎo)致礦井排水成為地下水排泄的主要方式，進(jìn)而改變了地下水化學(xué)類型。隨著地下水的運(yùn)移，含水層中易溶鹽不斷被溶解，總硬度含量不斷升高。尾砂礦和廢渣等在雨水的淋濾下也會(huì)導(dǎo)致潛水中亞硝酸鹽含量升高。同時(shí)，礦區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)產(chǎn)生的生活垃圾、糞便、生活廢水任意排放滲入地下水也是總硬度、pH、亞硝酸鹽3 個(gè)指標(biāo)呈現(xiàn)升高趨勢的主要原因。

綜上所述，以凹山礦區(qū)等為代表的馬鞍山市的礦山開采活動(dòng)是造成馬鞍山孔隙潛水的硫酸鹽、硝酸鹽、錳等污染的重要影響因素，應(yīng)針對(duì)礦區(qū)的礦業(yè)活動(dòng)密集、潛在污染源較多且防污性能較差的特征，采取相應(yīng)的措施，控制與礦業(yè)開采或冶煉相關(guān)的企業(yè)的“三廢”排放。建議馬鞍山市加強(qiáng)主要礦區(qū)的污染源治理，采用新技術(shù)、新工藝減少排污量，改進(jìn)排放方式，切斷污染源。

4 結(jié) 論

（1）馬鞍山市淺層地下水的化學(xué)類型主要為HCO3-Ca 型和 HCO3-Na 型水。Mn、Fe、F-、NH4+、濁度、NO3-、Al、Zn、K+、NO2-等離子存在較強(qiáng)空間變異性。SO42-、HCO3-、Cl-、Ca2+和 Na+含量較大，是地下水主要離子組分，決定地下水化學(xué)類型。

（2）對(duì)區(qū)內(nèi)淺層地下水中的成分指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和聚類分析的結(jié)果表明，第一主成分主要包含SO42-、Cl、TDS、總硬度、Na+因子；第二主成分主要包含F(xiàn)e和Al因子；第三主成分主要包含Mn和耗氧量因子；第四主成分主要包含F(xiàn)-因子；第五主成分主要包含NO2-因子。篩選出第一～第五主成分中因子載荷最大的指標(biāo)，得到5個(gè)人類活動(dòng)影響指標(biāo)：TDS、F-、Fe、Mn、NO2-，其中，F(xiàn)-、NO2-、Mn、Fe容易受人為活動(dòng)，特別是人類采礦活動(dòng)的影響，TDS較易受人為活動(dòng)影響。

（3）馬鞍山市部分地區(qū)的潛水受到較為嚴(yán)重的污染，V 類水主要分布在沿長江及各支流沖積平原、河湖平原地帶及馬鞍山市北部礦區(qū)。長江及各支流沖積平原地區(qū)的V類水的主要污染因子是硝酸鹽、總硬度和砷，其中硝酸鹽含量較高代表了該區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)的影響。礦區(qū)V 類水的主要污染因子是硫酸鹽，主要受到馬鞍山市礦業(yè)活動(dòng)的影響。在馬鞍山市主要礦區(qū)附近，基巖裂隙發(fā)育，包氣帶的防污性能差，且礦業(yè)活動(dòng)密集，存在潛在的地下水污染源。