灌排洗鹽條件下吉林西部灌區(qū)地下水水質(zhì)演變特征分析

摘 要：為了明晰吉林西部鹽漬灌區(qū)地下水水質(zhì)演變特征和地下水化學(xué)組分來源，選?。玻埃保病玻埃保?年和２０１９—２０２０ 年地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、圖解法、熵權(quán)貝葉斯、因子分析、絕對(duì)因子得分－多元線性回歸（ＡＰＣＳ－ＭＬＲ）模型，開展吉林西部灌區(qū)地下水化學(xué)特征、水質(zhì)評(píng)價(jià)和水化學(xué)組分溯源解析研究。結(jié)果表明：灌區(qū)及周邊地下水Ｆｅ、Ｆ、Ｍｎ、三氮化合物嚴(yán)重超標(biāo)；水化學(xué)類型主要為ＨＣＯ－３ －Ｎａ＋ －Ｃａ２ ＋型的弱堿性水，受巖石溶濾和蒸發(fā)結(jié)晶作用影響，長期灌排洗鹽使灌區(qū)及周邊鹽堿化現(xiàn)象得到改善；研究期內(nèi)灌區(qū)及周邊潛水Ⅳ、Ⅴ類水占比共增加５．３ 個(gè)百分點(diǎn)，承壓水中Ⅳ、Ⅴ類水占比共減少４．０ 個(gè)百分點(diǎn)；溶濾－次生富集作用對(duì)地下水水質(zhì)的影響最大，使水中可溶性離子、ＴＤＳ、總硬度等組分濃度上升；鹽堿地開發(fā)水田灌區(qū)導(dǎo)致區(qū)域農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下水化學(xué)組分的影響加大。

關(guān)鍵詞：鹽漬灌區(qū)；ＡＰＣＳ－ＭＬＲ 模型；水化學(xué)特征；水質(zhì)評(píng)價(jià)；溯源解析；吉林西部

中圖分類號(hào)：Ｘ５２３；Ｘ８２４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０４．０１８

引用格式：陳彩蝶，王宇，卞建民，等．灌排洗鹽條件下吉林西部灌區(qū)地下水水質(zhì)演變特征分析［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（４）：１１２－１１９．

０ 引言

灌排洗鹽是吉林西部鹽漬土改良的重要手段。近年來吉林西部先后興建和擴(kuò)建了大安灌區(qū)、前郭灌區(qū)和松原灌區(qū)，對(duì)原有鹽堿荒地以及中低產(chǎn)田進(jìn)行改良治理。隨著水田面積增大，農(nóng)業(yè)化肥的大量施用造成地下水水質(zhì)惡化。因此，需要重視和開展變化環(huán)境下灌域尺度地下水水質(zhì)分布特征研究，明晰該區(qū)典型污染物，結(jié)合地下水化學(xué)組分溯源解析，為實(shí)現(xiàn)田間農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理和水資源高效利用提供基礎(chǔ)信息與理論依據(jù)。

目前，常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有ＷＱＩ 水質(zhì)指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)法等。近年來，以隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)模型發(fā)展迅速，其具有高效性、準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)，引起了水資源領(lǐng)域眾多學(xué)者的關(guān)注［１－３］ 。其中貝葉斯是一種生成式模型，具有可解釋性強(qiáng)、分類精度高、克服數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳等優(yōu)點(diǎn)，相較于隨機(jī)森林、ＢＰ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法更具優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的貝葉斯分類是一種等權(quán)重模型，本文將熵權(quán)法與貝葉斯分類進(jìn)行耦合，以更客觀真實(shí)評(píng)價(jià)各水質(zhì)指標(biāo)的重要性。

地下水污染源的精準(zhǔn)識(shí)別一直是水環(huán)境管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。溯源解析方法包括清單分析法、擴(kuò)散模型和受體模型。清單分析法和擴(kuò)散模型具有計(jì)算繁冗、不確定性較高、精確度低等缺點(diǎn)，而受體模型能夠克服這些不足，是目前有效的溯源解析技術(shù)，得到國內(nèi)外眾多學(xué)者青睞［４－７］ ?，F(xiàn)階段受體模型主要有化學(xué)質(zhì)量平衡（ＣＭＢ）、正定矩陣因子分解（ＰＭＦ）、主成分分析／ 因子分析（ＰＣＡ／ ＦＡ）與多元線性回歸耦合的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等，其中ＡＰＣＳ－ＭＬＲ 模型是一種量化不同組分來源貢獻(xiàn)率的有效方法，在水環(huán)境影響因素復(fù)雜的地區(qū)被廣泛使用。對(duì)于吉林西部地下水溯源解析問題，已有學(xué)者開展了大量研究，但如何在分析鹽漬灌區(qū)地下水化學(xué)特征和水質(zhì)分布基礎(chǔ)上，進(jìn)行原生地質(zhì)背景與長期灌排洗鹽環(huán)境的地下水溯源有待研究［８－９］ 。

本文基于吉林西部２０１２—２０１４ 年及２０１９—２０２０年地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Ｄｕｒｏｖ 圖、Ｇｉｂｂｓ 圖和熵權(quán)貝葉斯方法開展地下水化學(xué)特征分析和水質(zhì)評(píng)價(jià)，應(yīng)用克里金插值法進(jìn)行水質(zhì)時(shí)空分布研究，分析灌排洗鹽對(duì)地下水水質(zhì)的影響；采用皮爾遜相關(guān)性分析法、因子分析法和ＡＰＣＳ－ＭＬＲ 模型，定量解析長期灌排洗鹽影響下灌區(qū)地下水化學(xué)組分來源，以期為灌區(qū)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理、鹽漬化防治提供參考。

１ 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

１．１ 研究區(qū)概況

選取吉林西部作為研究區(qū)，其地處松嫩平原西南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)１２３°０３′—１２４°２２′，北緯４４°５７′—４５°４６′，屬北溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，降水量小、蒸發(fā)量大。區(qū)內(nèi)地貌主要為松嫩低平原、洮兒河沖積扇、松拉河間地塊，總地勢(shì)為東、西、南三面高，中部和北部低（見圖１），是典型的半封閉蓄水盆地構(gòu)造。地下水系統(tǒng)主要由第四系松散巖類孔隙潛水含水層和孔隙裂隙承壓水含水層組成，是一個(gè)巨大的開放系統(tǒng)。第四系松散巖類孔隙潛水含水層包括全新統(tǒng)孔隙含水層、上更新統(tǒng)孔隙含水層、中更新統(tǒng)孔隙含水層、下更新統(tǒng)孔隙含水層。第四系孔隙裂隙承壓水含水層主要包括中更新統(tǒng)孔隙含水層、下更新統(tǒng)孔隙含水層。潛水含水層主要補(bǔ)給方式為降水入滲和地下潛流側(cè)向補(bǔ)給，徑流速度較慢，蒸發(fā)和人工開采是主要排泄途徑。承壓含水層補(bǔ)給方式為大氣降水入滲補(bǔ)給，以側(cè)向徑流的方式匯向盆地中心，人工開采是主要的排泄方式。地層巖性呈下粗上細(xì)的特征，主要由泥巖和頁巖組成，厚度大且連續(xù)分布，構(gòu)成區(qū)域性的隔水底板。

全?。梗福サ柠}漬化土地集中在該研究區(qū)，分布在白城市的大安市、鎮(zhèn)賚縣、通榆縣，松原市的長嶺縣、乾安縣等地［１０－１１］ 。２０１０ 年后大部分鹽堿地、荒地開發(fā)為水田灌區(qū)，其中松原灌區(qū)總面積３．４４ 萬ｋｍ２，設(shè)計(jì)灌溉面積１．８９ 萬ｋｍ２，劃分為大安龍海灌片、乾安灌片、前郭灌片，灌溉退水排入查干湖［１２］ 。

１．２ 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來自本課題組對(duì)２０１２—２０１４ 年、２０１９—２０２０ 年吉林西部灌區(qū)及周邊區(qū)域采集樣品的檢測(cè)數(shù)據(jù)，潛水水樣共計(jì)３３４ 個(gè)、承壓水水樣共計(jì)１１２ 個(gè)。地下水樣品采集方法嚴(yán)格按照《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（ＨＪ １６４—２０２０）進(jìn)行，水樣檢測(cè)按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》（ＧＢ／ Ｔ ５７５０—２００６）進(jìn)行，檢測(cè)指標(biāo)包括ｐＨ 值、電導(dǎo)率、ＴＤＳ、總硬度、Ｋ＋、Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、ＨＣＯ－３ 、ＣＯ２－３ 、Ｃｌ－、ＳＯ２－４ 、Ｆｅ、Ｆ、Ｍｎ、Ａｌ、ＮＨ＋４ 、ＮＯ－３ 、ＮＯ－２共計(jì)１９ 種，樣品送至中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所檢測(cè)。

２ 研究方法

２．１ 熵權(quán)貝葉斯模型評(píng)價(jià)水質(zhì)

英國學(xué)者貝葉斯于１８ 世紀(jì)提出的貝葉斯定理，可描述兩個(gè)條件概率之間的關(guān)系。熵的概念源自熱力學(xué)，其本質(zhì)上是序，表示一種混亂、無序的程度。將熵值理論與貝葉斯方法相結(jié)合，形成熵權(quán)貝葉斯模型，將該模型應(yīng)用在水質(zhì)評(píng)價(jià)中，能夠減少人為主觀判斷意識(shí)所形成的偏差。

２．１．１ 貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)模型

貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)模型是一種基于傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，計(jì)算公式如下：

式中：ｘｊ為第ｊ（ｊ ＝１，２，…，ｍ）個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值，ｙｊｚ為第ｊ 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)各等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值，Ｐ（ｘｊ ｙｊｚ ）為第ｊ 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)屬于第ｚ 等級(jí)（ｚ ＝１，２，…，５）條件下監(jiān)測(cè)值為ｘｊ的概率，Ｐ（ｙｊｚ ｘｊ ）為監(jiān)測(cè)值為ｘｊ 條件下第ｊ 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)屬于第ｚ 等級(jí)的概率，Ｌｊｚ為ｘｊ與ｙｊｚ差值的絕對(duì)值。

水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)的加權(quán)概率Ｐｚ計(jì)算公式如下：

式中：ωｊ 為第ｊ 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)概率最大原則，Ｐｚ 中最大值所屬的水質(zhì)等級(jí)即為區(qū)域的水質(zhì)等級(jí)。

２．１．２ 熵權(quán)法確定權(quán)重

熵權(quán)法基于信息熵計(jì)算各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)決策結(jié)果的貢獻(xiàn)度，進(jìn)而確定權(quán)重［１３－１５］ 。選定ｎ 個(gè)評(píng)價(jià)樣本以及ｍ 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，構(gòu)建ｎ 行ｍ 列的原始矩陣。水質(zhì)指標(biāo)單位往往不統(tǒng)一，采用歸一化方式對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。熵值計(jì)算公式為

式中：Ｈｊ為第ｊ 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的熵值；ｋ 為常數(shù)，用于標(biāo)準(zhǔn)化熵值；ｔ 為評(píng)價(jià)對(duì)象的總數(shù)；ｐｉｊ為第ｉ 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第ｊ個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重ωｊ計(jì)算公式為

２．２ 地下水溯源解析

２．２．１ 因子分析（ＦＡ）

因子分析方法是對(duì)已有的眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分類，在減小數(shù)據(jù)維度的同時(shí)提取共性因子，其本質(zhì)思想是依靠提取具有代表性的因子來反映原始變量蘊(yùn)含的信息［１６－１７］ ，原始變量與因子的關(guān)系式為

式中：Ｆｋ為公因子分類，ａｊｋ為水質(zhì)指標(biāo)隸屬于公因子分類的系數(shù)，εｊ為除公因子外的其他影響因素。

因子分析方法思路如下：１）對(duì)原始變量是否適用因子分析法進(jìn)行初步確認(rèn)，檢查待分析原始變量以及取樣點(diǎn)數(shù)是否滿足因子分析的限制條件；２）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；３）使用ＫＭＯ 檢驗(yàn)和Ｂａｒｔｌｅｔｔ 球形檢驗(yàn)方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)ＫＭＯ ＞ ０． ５ 或者Ｂａｒｔｌｅｔｔ 球形檢驗(yàn)Ｐ＜０．０５ 時(shí)，可以使用因子分析法檢驗(yàn)變量是否具有相關(guān)性；４）構(gòu)造因子變量，采用主成分分析法提取數(shù)據(jù)特征值，當(dāng)特征值＞１ 時(shí)，可以作為確定公因子的依據(jù)對(duì)主成分進(jìn)行提?。唬担┯米畲蠊罘▽?duì)因子載荷矩陣進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)變換，使因子變量具有更高解釋性；６）計(jì)算因子的綜合得分。

２．２．２ ＡＰＣＳ－ＭＬＲ 模型

ＡＰＣＳ－ＭＬＲ 是一種用于地下水溯源解析的受體模型。首先，采用ＡＰＣＳ 對(duì)多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，量化不同地下水組分來源與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系。然后，以ＡＰＣＳ 作為自變量，將多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)作為因變量，使用ＭＬＲ 建立回歸方程，通過擬合回歸模型推斷不同組分來源與地下水水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性。最后，計(jì)算地下水不同組分來源對(duì)特定水質(zhì)參數(shù)的貢獻(xiàn)率［１８］ 。

３ 結(jié)果分析

３．１ 吉林西部鹽漬灌區(qū)地下水化學(xué)組分特征

分別繪制２０１２—２０１４ 年和２０１９—２０２０ 年兩個(gè)時(shí)段研究區(qū)地下水Ｄｕｒｏｖ 圖，確定水化學(xué)類型，見圖２。

分析圖２ 可知，水化學(xué)類型主要為ＨＣＯ－３ －Ｎａ＋ －Ｃａ２＋型的弱堿性水，研究區(qū)水化學(xué)類型未發(fā)生明顯變化。

為探索時(shí)間尺度上水質(zhì)指標(biāo)的變異特征，采用箱線圖表示ｐＨ 值、電導(dǎo)率、Ｆｅ、Ｆ、Ｍｎ、三氮指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值，見圖３。ｐＨ 值可表征堿度，電導(dǎo)率可表征鹽分。分析圖３ 可知，２０１９—２０２０ 年較２０１２—２０１４ 年ｐＨ 值和電導(dǎo)率下降，堿性減弱，說明長期灌排洗鹽作用下，灌區(qū)及周邊地區(qū)鹽堿化現(xiàn)象得到改善。２０１９—２０２０ 年較２０１２—２０１４ 年潛水中Ｆｅ、Ｆ 含量增加，且數(shù)值范圍增大，承壓水變化則相反。兩個(gè)時(shí)段Ｆｅ、Ｆ、Ｍｎ 均值和中位數(shù)均超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／ Ｔ １４８４８—２０１７）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，可見區(qū)內(nèi)Ｆｅ、Ｆ、Ｍｎ 原生污染程度較高。２０１２—２０１４ 年潛水中三氮含量超標(biāo)嚴(yán)重，相比之下２０１９—２０２０ 年超標(biāo)現(xiàn)象更明顯。

Ｇｉｂｂｓ 圖可用于判斷蒸發(fā)結(jié)晶、巖石溶濾、多因素影響條件的地下水化學(xué)組分演化特征［１９］ ，分別繪制兩個(gè)時(shí)段潛水和承壓水Ｇｉｂｂｓ 圖，見圖４。巖石溶濾和蒸發(fā)結(jié)晶是影響研究區(qū)地下水化學(xué)組分演化特征的兩大因素。陽離子受巖石溶濾和蒸發(fā)結(jié)晶影響強(qiáng)烈，陰離子主要受巖石溶濾影響，潛水的蒸發(fā)結(jié)晶作用高于承壓水的。

３．２ 吉林西部鹽漬灌區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

選取Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｆ、ＴＤＳ、總硬度、ＮＨ＋４ 、Ｎａ＋、ＮＯ－２ 、ＮＯ－３ 、ＳＯ２－４ 、Ｃｌ－這１２ 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／ Ｔ １４８４８—２０１７），使用ＳＰＳＳＰＲＯ 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，基于熵權(quán)法計(jì)算各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重，見表１。

采用Ｍａｔｌａｂ Ｒ２０２１ａ 軟件編程貝葉斯公式，計(jì)算似然概率和后驗(yàn)概率，再采用最大概率原則確定水質(zhì)所屬類別，得到水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，見表２。２０１２—２０１４ 年潛水中Ⅳ、Ⅴ類水總占比３４．７％，承壓水中Ⅳ、Ⅴ類水總占比４．０％；２０１９—２０２０ 年潛水中Ⅳ、Ⅴ類水總占比４０％，承壓水中無Ⅳ、Ⅴ類水。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，承壓水水質(zhì)優(yōu)于潛水，２０１９—２０２０ 年相較于２０１２—２０１４ 年灌區(qū)及周邊潛水中Ⅳ、Ⅴ類水占比增加了５．３ 個(gè)百分點(diǎn)，而承壓水中Ⅳ、Ⅴ類水占比減少了４．０ 個(gè)百分點(diǎn)。

在上述熵權(quán)貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上分析研究區(qū)地下水水質(zhì)的空間變化狀況。運(yùn)用克里金法進(jìn)行插值，繪制研究區(qū)地下水水質(zhì)類別空間分布圖，見圖５。２０１２—２０１４ 年潛水中Ⅳ、Ⅴ類水主要集中在乾安縣、大安市和通榆縣接壤區(qū)及灌區(qū)附近，承壓水中Ⅳ、Ⅴ類水主要集中在通榆縣；２０１９—２０２０ 年潛水中Ⅳ、Ⅴ類水主要集中在大安灌區(qū)和松原灌區(qū)周邊，承壓水均為Ⅰ～ Ⅲ類水。２０１９—２０２０ 年與２０１２—２０１４ 年相比，灌區(qū)水質(zhì)較差范圍明顯增大。

３．３ 灌排洗鹽影響下地下水化學(xué)組分溯源解析

為了有效識(shí)別長期灌排洗鹽對(duì)研究區(qū)地下水化學(xué)組分的影響，對(duì)地下水化學(xué)組分溯源解析。采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析提高地下水化學(xué)組分來源的識(shí)別精度，相關(guān)系數(shù)越大表明不同水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，同源或者相似化學(xué)組分來源的可能性越高。繪制水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性熱圖，見圖６。

分析圖６ 可知，ＴＤＳ 與Ｎａ＋、ＳＯ２－４ 、Ｃｌ－顯著正相關(guān)，說明這４ 種水質(zhì)指標(biāo)具有相似或相同的化學(xué)組分來源，高ＴＤＳ 鹽水、咸水的形成與這３ 種離子相關(guān)。此外，Ｃｌ－ 與Ｎａ＋ 較顯著正相關(guān)。分析可知蒸發(fā)鹽巖礦物的溶解能夠加快地下水中鹽分的富集。Ｆｅ、Ｆ、Ｍｎ 相關(guān)性較強(qiáng)，說明這３ 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)也具有相似或相同的化學(xué)組分來源。

結(jié)合ＳＰＳＳ２５ 軟件，使用ＦＡ 與ＡＰＣＳ－ＭＬＲ 模型進(jìn)一步解析長期灌排洗鹽作用下研究區(qū)地下水化學(xué)組分來源的變化情況。對(duì)原始地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，選擇ＫＭＯ 和Ｂａｒｔｌｅｔｔ 球形檢驗(yàn)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)程度進(jìn)行檢驗(yàn)。２０１２—２０１４ 年潛水測(cè)度為０．５９１（大于０．５），承壓水測(cè)度為０．５７３；２０１９—２０２０ 年潛水測(cè)度為０．５９７，承壓水測(cè)度為０．５９０。Ｂａｒｔｌｅｔｔ 球形檢驗(yàn)Ｐ 值均為０（小于０．０５），符合因子分析條件。由因子分析中載荷系數(shù)的絕對(duì)值大小可判斷因子中的主要載荷指標(biāo)，絕對(duì)值越接近于１，水質(zhì)指標(biāo)與因子的相關(guān)性越強(qiáng)。２０１２—２０１４ 年研究區(qū)地下水化學(xué)組分來源共提取了４ 個(gè)因子（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４ ）；２０１９—２０２０ 年潛水共提取了４ 個(gè)因子（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ ），承壓水提取了３個(gè)因子（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ ）。２０１２—２０１４ 年潛水累計(jì)貢獻(xiàn)率為７０．７６３％、承壓水累計(jì)貢獻(xiàn)率為６５．３６０％；２０１９—２０２０ 年潛水累計(jì)貢獻(xiàn)率為７８．６３７％、承壓水累計(jì)貢獻(xiàn)率為６３．３１６％。基于因子分析，采用ＡＰＣＳ－ＭＬＲ 模型定量計(jì)算地下水各化學(xué)組分來源對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制貢獻(xiàn)率百分比堆積圖，見圖７。

如圖７ 所示，Ｆ１ 因子解釋了２０１２—２０１４ 年潛水（３０．３７４％）和承壓水（３５．１３０％）的水化學(xué)組分來源，Ｐ１因子解釋了２０１９—２０２０ 年潛水（３０． ２２１％） 和承壓水（３９．３６４％）的水化學(xué)組分來源。２０１２—２０１４ 年潛水、承壓水中Ｆ１ 因子主要載荷為總硬度、ＴＤＳ、Ｎａ＋、Ｃｌ－、ＮＯ－３ 、ＳＯ２－４ ，潛水Ｆ１因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為７１．４６％、５６．０７％、４３．３％、５０．２２％、５６．５２％、５４．９％，承壓水Ｆ１ 因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為４８．７１％、６２．０６％、９１． ０７％、６８．４６％、２９． ６３％、６６． １９％。２０１９—２０２０ 年潛水中Ｐ１ 因子主要載荷為總硬度、Ｎａ＋、Ｃｌ－、ＳＯ２－４ 、ＴＤＳ，Ｐ１ 因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為６５．５０％、５４．００％、５５．１９％、５５．０９％、５４．２９％；承壓水中Ｐ１因子主要載荷為Ｎａ＋、Ｃｌ－、ＴＤＳ，Ｐ１ 因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為５２．５８％、５３．１１％、９１．５０％。吉林西部地區(qū)受天然地球化學(xué)作用影響較大，區(qū)域地勢(shì)坡度較小，地下水流速緩慢，蒸發(fā)作用強(qiáng)，土壤鹽漬化問題嚴(yán)重，灌溉洗鹽過程中鹽分隨著地表水向下入滲以及地下水側(cè)向流動(dòng)，使水化學(xué)組分不斷淋溶、遷移和富集，進(jìn)一步導(dǎo)致該區(qū)域地下水可溶性鹽分離子、ＴＤＳ、總硬度等濃度上升。因此，Ｆ１ 和Ｐ１ 稱為溶濾－次生富集作用因子。

Ｆ２因子解釋了２０１２—２０１４ 年潛水（１６．３２４％）和承壓水（１１．４２３％）的水化學(xué)組分來源，Ｐ２ 因子解釋了２０１９—２０２０ 年潛水（２１．１％）和承壓水（８．７９７％）的水化學(xué)組分來源。２０１２—２０１４ 年潛水、承壓水Ｆ２因子主要載荷為Ｆｅ、Ｍｎ，潛水Ｆ２因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為５４．４９％、５９．６３％，承壓水Ｆ２因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為５５．０２％、６１．１６％。吉林西部地區(qū)受自然環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境等制約，地下水中Ｆｅ、Ｍｎ 等金屬元素濃度偏高。此外，該區(qū)地勢(shì)低洼，地下水流動(dòng)速度緩慢，金屬元素容易積聚。因此，Ｆ２稱為地質(zhì)環(huán)境背景因子。２０１９—２０２０ 年潛水中Ｐ２ 因子主要載荷為Ｆｅ、ＮＯ－２ ，Ｐ２ 因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為４６．２７％、５８．３５％；承壓水中Ｐ２因子的主要載荷為ＮＯ－３ 、ＮＨ＋４ ，Ｐ２因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為４６．１８％、４３．０％。研究區(qū)大量鹽堿荒地改良成水田，農(nóng)業(yè)化肥隨著灌排洗鹽進(jìn)入地下水，引起地下水中硝酸鹽、氨氮濃度上升。此外，灌溉洗鹽過程中鹽分隨著地表水向下入滲以及地下水的側(cè)向流動(dòng)，使水化學(xué)組分不斷淋溶、遷移和富集。因此，Ｐ２稱為農(nóng)業(yè)活動(dòng)－原生地質(zhì)背景－溶濾因子。

Ｆ３因子解釋了２０１２—２０１４ 年潛水（１３．５６２％）和承壓水（１０．０３０％）的水化學(xué)組分來源，Ｐ３ 因子解釋了２０１９—２０２０ 年潛水（１４．７５８％）和承壓水（１５．１５５％）的水化學(xué)組分來源。２０１２—２０１４ 年潛水、承壓水中Ｆ３因子主要載荷為ＮＯ－２ ，對(duì)潛水、承壓水水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為５５．４７％、１．１３％。２０１９—２０２０ 年潛水Ｐ３因子主要載荷為ＮＯ－３ ， Ｐ３ 因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率為６１．８７％。承壓水Ｐ３因子主要載荷為總硬度、Ｆｅ，Ｐ３ 因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為２４．２５％、１８．３６。Ｆ３能反映地下水中氮元素的富集，稱為農(nóng)業(yè)活動(dòng)因子；Ｐ３稱為原生地質(zhì)背景因子。

Ｆ４因子解釋了２０１２—２０１４ 年潛水（１０．５０３％）和承壓水（８．７７７％）的水化學(xué)組分來源，Ｐ４ 因子解釋了２０１９—２０２０ 年潛水（１２．５５８％） 的水化學(xué)組分來源。２０１２—２０１４ 年潛水中Ｆ４ 因子主要載荷為Ａｌ、ＮＨ＋４ ，Ｆ４因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為５５．２９％、３９．３％，承壓水中Ｆ４因子主要載荷為Ａｌ、ＮＯ－２ ，Ｆ４因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為１７．６１％、２８．２２％。２０１９—２０２０ 年潛水中Ｐ４因子主要載荷為Ｆ、ＮＨ＋４ ，Ｐ４因子對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為５５．２９％、３９．３％。因此，Ｆ４、Ｐ４ 稱為農(nóng)業(yè)活動(dòng)－原生地質(zhì)背景因子。

４ 結(jié)論

以吉林西部２０１２—２０１４ 年和２０１９—２０２０ 年地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用Ｄｕｒｏｖ 圖、Ｇｉｂｂｓ 圖和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法分析地下水水化學(xué)類型及特征，應(yīng)用熵權(quán)貝葉斯方法對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，運(yùn)用皮爾遜相關(guān)性分析、因子分析和ＡＰＣＳ－ＭＬＲ 模型解析地下水化學(xué)組分來源及成因，闡釋鹽漬灌區(qū)長期灌排洗鹽對(duì)地下水化學(xué)組分的影響，結(jié)論如下。

１）研究區(qū)地下水中Ｆｅ、Ｍｎ、Ｆ 及三氮化合物超標(biāo)嚴(yán)重；研究期內(nèi)灌區(qū)及周邊潛水和承壓水中ｐＨ 值、電導(dǎo)率均呈下降趨勢(shì)，長期灌排洗鹽作用下，地下水鹽堿化現(xiàn)象得到改善。

２）研究區(qū)地下水水化學(xué)類型主要為ＨＣＯ－３ －Ｎａ＋ －Ｃａ２ ＋型，長期灌排洗鹽影響下，地下水水化學(xué)類型未改變；地下水水化學(xué)特征主要受巖石溶濾和蒸發(fā)結(jié)晶作用影響，２０１９—２０２０ 年相較于２０１２—２０１４ 年灌區(qū)及周邊蒸發(fā)結(jié)晶作用更加顯著。

３）研究區(qū)水質(zhì)總體較好，承壓水水質(zhì)優(yōu)于潛水；研究期內(nèi)灌區(qū)及周邊區(qū)域潛水中Ⅳ、Ⅴ類水占比共增加５．３ 個(gè)百分點(diǎn)，承壓水中Ⅳ、Ⅴ類水占比共減少４．０個(gè)百分點(diǎn)；通過繪制克里金插值水質(zhì)類別分布圖，對(duì)比兩個(gè)時(shí)段灌區(qū)及周邊水質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)２０１９—２０２０ 年相較于２０１２—２０１４ 年灌區(qū)水質(zhì)較差的范圍明顯增大。

４）研究區(qū)地下水化學(xué)組分主要來源為溶濾－次生富集、原生地質(zhì)條件和農(nóng)業(yè)活動(dòng)；溶濾－次生富集是Ｎａ＋、Ｃｌ－、ＳＯ２－４ 、ＴＤＳ 的主要來源，原生地質(zhì)條件是Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｌ 的主要來源，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是三氮化合物的主要來源。鹽堿地開發(fā)水田灌區(qū)導(dǎo)致區(qū)域農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下水化學(xué)組分的影響加大。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】

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