福建省典型工業(yè)區(qū)地下水化學特征與源解析研究

Chemical Characteristics and Source Analysis of Groundwater in Typical Industrial Zone of Fujian Province.

Hu Qichao1，2

（1.Fujian Academy of Environmental Sciences，F(xiàn)uzhou 35o013，China； 2.Fujian Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering，F(xiàn)uzhou 35oo13，China）

Abstract：AnindustrialzoneinFuzhouwasselectedastheresearcharea.Bycolectingshalowgroundwater，surfacewaterand seawatersamples，tegoundwatermonitoringindicatorsereanalzedusingmethodssuchashydrochemicalanalysis，ndmultivaratesta tisticsanalysis，toevealtedrochemicalcharacteristicsofgroundwateandtesourcesofpolutionTeesultsidicatedtatthpro portion of Cland Na⁺ in the total amount of anions and cations in groundwater were 71.8% and 66.3% ，respectively. Through the Piper diagram，the groundwater hydrochemical type mainly evolved from Cl o HCO₃ Nao Ca type to CloNa type，with the survey area graduallshiftefrondtosaougorelatioalysisricialompotalsisndustalysisisevaledte talhardess，totaldoledlds，ulfate，odedmanganeofodatereeinlyetedyawater，ihrbdity monianitrogen，ndNitriteweremainlyrelatedtothesourceofhouseholdlife，whilealuminumwasmainlyrelatedtotheproductionac tivities of industrial enterprises.

Keywords：groundwater；hydrochemical characteristics；source apportionment；industrial zone

前言

地下水是重要的戰(zhàn)略水資源，在保障飲用水供給和生態(tài)環(huán)境安全方面具有重要的現(xiàn)實和長遠意義。伴隨著經(jīng)濟和人口的快速增長，城市化和工業(yè)化得到了快速提升，由于工業(yè)廢物、農(nóng)業(yè)廢物和城市生活垃圾等的大量排放，導致了地下水環(huán)境質(zhì)量受到了嚴重的威脅。地下水化學組分易受地形地貌、地層巖性、地下水補給徑流排泄條件等自然因素以及土地利用、農(nóng)業(yè)活動、工業(yè)活動等人為因素影響[1]。國內(nèi)外眾多學者采用水化學類型分析法[2]、多元統(tǒng)計分析[3]等方法對區(qū)域地下水化學特征及來源開展了系列研究，但綜合地下水超標因子、地下水化學組成特征以及地表水、海水的研究相對較少。

福州市某工業(yè)區(qū)位于沿海地區(qū)，水文地質(zhì)條件較復雜，地下水易受到海水影響，此研究通過評價該工業(yè)園區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況，綜合地下水－地表水-海水水質(zhì)，分析地下水超標因子及化學組成特征并進行溯源，以期為研究區(qū)地下水資源保護及管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福州市福清市，行業(yè)以紡織化纖、能源精化、電鍍等企業(yè)為主。區(qū)內(nèi)氣候為典型的南亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫為 20.1^°C ，年平均降水量約1 535.5mm 。

研究區(qū)地下水以殘坡積層、沖洪積層和沉積層上層滯水、基巖風化裂隙潛水為主，地下水主要補給來源為大氣降水。區(qū)內(nèi)地形總體北高南低，補給區(qū)與排泄區(qū)無明顯分界線，一般地形較高處為相對補給區(qū)，南部福清灣為排泄區(qū)，地下水徑流主要受地形、裂隙及含水層埋藏深度等因素制約。

1.2樣品采集與分析

2023年9月至10月在研究區(qū)系統(tǒng)開展了地下水建井與樣品采集工作，共采集淺層地下水樣品27件，同時采集園區(qū)內(nèi)地表水樣品1件、福清灣海水樣品3件。監(jiān)測指標為《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848-2017）的35項常規(guī)指標（扣除微生物指標和放射性指標），以及鉀、鈣、鎂、碳酸根、重碳酸鹽、總鉻、鈦、錫、銻、鎳、鈷、乙苯、二甲苯、苯乙烯、苯并（a）芘、多氯聯(lián)苯、總石油烴、總磷、丙酮、甲醇、硝基苯、異丙基苯、正丙苯、乙腈、苯胺、甲醛、二噁英等指標共計62項。樣品的采集、保存流轉(zhuǎn)、分析測試步驟嚴格按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ164-2020）執(zhí)行。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Origin2023軟件對地下水化學組成數(shù)據(jù)進行分析和繪圖，采用SPSS16.0軟件對地下水超標數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析與繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1地下水環(huán)境質(zhì)量

研究區(qū)地下水超《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848-2017）IV類標準限值的指標主要包括：渾濁度、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氨氮、亞硝酸鹽、錳、鈉、鋁等10個指標，地下水高錳酸鹽指數(shù)（耗氧量）檢測值范圍為未檢出 -9.3mg/L ，均未超過V類標準限值，對地下水、地表水和海水樣品的超標指標和常規(guī)水化學指標進行統(tǒng)計，如表1所示。地下水 pH 值 6.0～8.9 ，平均值7.6;海水pH值8.5～8.6 ，平均值8.5;地表水 pH 值為8.3，整體屬于弱堿性水。地下水陽離子平均濃度關(guān)系為： Na⁺gt; Ca²⁺gt;Mg²⁺gt;K⁺ ，均值濃度分別為467、95、59、29mg/L ；地下水陰離子平均濃度關(guān)系為： Cl^-gt; HCO₃^-gt;SO₄^2-gt;CO₃^2- ，均值濃度分別為758、226、140，18mg/L ?？傮w來看，地下水中Cl和 Na⁺ 占絕對優(yōu)勢，Cl和 Na⁺ 占陰陽離子總量的比例分別為71.8%.66.3% 。

從變異系數(shù)上看，除地下水pH值的變異系數(shù)較小外，渾濁度、總硬度、溶解性總固體、錳、鋁、氨氮、亞硝酸鹽、鉀、鈉、鈣、鎂、碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽的變異系數(shù)均較大，分別為0.89、1.10、1.13、1.52、2.38、0.80、2.71、1.06、1.73、1.02、1.39、0.55、0.56、1.74、1.10，屬于高度變異，特別是錳、鋁、亞硝酸鹽、鈉、氯化物監(jiān)測濃度波動性較高，空間差異性較強，指示在空間上具有較為顯著的變異性和離散性。

2.2地下水化學組分特征

通過對比地下水、地表水和海水化學組成發(fā)現(xiàn)，海水和地表水中 K⁺?Na⁺?Ca²⁺?Mg²⁺?Cl^-?SO₄^2- 、TDS平均濃度均遠遠高于地下水，地下水中 CO₃^2- ！HCO₃^-，NO₂^- 平均濃度相對較高，地下水中各離子濃度的變異系數(shù)普遍大于海水，表明地下水水化學組分相對不穩(wěn)定。通過各水化學組分的濃度變化情況反映不同水化學演化過程的相似性，研究區(qū)地下水、地表水和海水中主要陰、陽離子和 TDS平均濃度變化趨勢基本一致（如圖1所示），表明區(qū)域地下水、 地表水和海水水化學組分來源具有同源性。

水化學三線圖可以解釋水體的主要離子組成及演化特征[4]。研究區(qū)從陸向海，地下水主要陽離子由Ca²⁺ 逐漸向 Na⁺ 變化，陰離子由 HCO₃^- 向 Cl^- 變化，如圖2所示，樣品點位向海水點位趨近，地下水水化學類型主要為 Cl?HCO₃^-Na?Ca 型逐漸向Cl-Na型演化，近海地表水水化學類型全部為 Cl-Na 型，受海水混合作用影響明顯。侯國華[5]等人研究發(fā)現(xiàn)黃河三角洲區(qū)域淺層地下水水化學類型及鹽分受到海洋因素影響。此研究與相關(guān)沿海地區(qū)研究結(jié)論較一致。通過分析各地下水監(jiān)測點離子濃度關(guān)系，其中7個地下水監(jiān)測點位中 HCO₃^- 含量占主導地位，除3個距離海岸線相對較近外，其他點位相對海岸線較遠。海水和地表水中Cl和 Na⁺ 含量占主導地位，地下水總體呈現(xiàn)高Cl和 Na⁺ 特征。

2.3地下水超標指標成因分析

相關(guān)系數(shù)是揭示變量之間關(guān)系的常用度量，通過相關(guān)性分析可以判斷地下水各化學組分的同源性和差異性，如表2所示，地下水總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、錳、鈉具有很高的相關(guān)性，亞硝酸鹽和氨氮、渾濁度相關(guān)性較高，說明具有一致的來源性，鋁除了和錳相關(guān)性較高外，與其他指標相關(guān)性均較低。主成分分析是對原始數(shù)據(jù)進行分類的多元統(tǒng)計方法，主成分分析可以得出變量之間的一般關(guān)系，可以合理地解釋地下水各組分的來源[6]，對研究區(qū)地下水超標指標進行主成分分析（如表3所示），通過主成分和最大方差正交旋轉(zhuǎn)因子分析，找到變量中具有代表性的因子。研究共提取3個因子，其中因子1方差貢獻率為 48.61% ，得分較高指標包括總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、錳、鈉，與相關(guān)性分析結(jié)果一致，主要與海水影響有關(guān)；因子2方差貢獻率為 16.83% ，得分較高指標包括：渾濁度、氨氮、亞硝酸鹽，與相關(guān)性分析結(jié)果一致，2017年園區(qū)東部片區(qū)地下水監(jiān)測發(fā)現(xiàn)硝酸鹽和亞硝酸鹽超V類標準限值，推測可能與居民生活源等相關(guān)；因子3方差貢獻率為 11.54% ，主要為鋁，氨氮的得分也相對較高，可能與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)活動相關(guān)。

聚類分析是一種根據(jù)不同數(shù)據(jù)集的相似度進行分類的聚類方法，其相似度是通過計算每一類數(shù)據(jù)點與所有數(shù)據(jù)點之間的距離來確定的[7]。聚類分析基于變量、聚類等順序配對，這種技術(shù)從更緊密、包容性更低的聚類到更大、包容性更強的聚類依次進行，直至所有變量都聚成一個大類?；诘叵滤瑯酥笜藬?shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類，采用平方歐式距離的組間連接法進行距離判定，結(jié)果以樹狀圖的形式展現(xiàn)，如圖3所示。當類距為20時可將各指標分為三類，第一類包含總硬度、溶解性總固體、氯化物、鈉、錳、硫酸鹽，第二類包括渾濁度、氨氮、亞硝酸鹽，第三類為鋁，與主成分分析中的3個因子相對應，綜合Piper圖、相關(guān)性和主成分分析，可以進一步明確的是由于研究區(qū)位于沿海地區(qū)，地下水總硬度、溶解性總固體、氯化物、鈉、錳、硫酸鹽等指標受到了海水影響，且樣品點位向海水點位越近受到海水影響越嚴重;地下水渾濁度、氨氮、亞硝酸鹽等指標主要與居民生活源相關(guān);鋁（檢測值 0.502mg/L ）的超標點位位于某凈水劑企業(yè)下游，該企業(yè)位于園區(qū)中部位置，主要產(chǎn)品為聚合氯化鋁，可能與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)活動有一定的關(guān)聯(lián)。

（注：提取方法為主成分分析法，a.提取的3種成分。）

3 結(jié)束語

研究區(qū)地下水 Cl^- 和 Na⁺ 占陰陽離子總量的比例分別為 71.8%.66.3% ，是地下水主要的化學組成成分。根據(jù)Piper圖顯示，從陸向海地下水水化學類型主要為 Cl?HCO₃^-Na?Ca 型逐漸向 Cl-Na 型演化，近海地表水水化學類型全部為Cl-Na型，受海水混合作用影響明顯。通過相關(guān)性和主成分分析，提取了3個主成分：海水影響、生活源和工業(yè)生產(chǎn)活動因子，它們對地下水指標來源的貢獻率分別為 48.61%.16.83% 和 11.54% 。進一步結(jié)合聚類分析，識別地下水總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、錳等指標主要受海水影響，渾濁度、氨氮、亞硝酸鹽等指標主要與居民生活源相關(guān)，鋁可能與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)活動相關(guān)。

參考文獻：

[1]金愛芳，殷秀蘭，李長青，等.張家口地區(qū)枯水期地下水水化學特征及其成因機制分析[J].環(huán)境科學，2024，45（2）：826-836.

[2]EwusiA，SunkariED，SeiduJ，etal.Hydrogeochemical characteristics，sources and human health risk assessment of heavymetal dispersion in the mine pit water- surface watergroundwater system in the largest manganese mine in Ghana[J]. Environmental Technology amp;Innovation，2O22，26.

[3]陳京鵬，閆燕，馮穎，等.黃河流域下游德州地區(qū)地下水水化學成因及生態(tài)環(huán)境影響[J].環(huán)境化學，2023，42（1）：1-13.

[4]MandalU，DharA，PandaSN，etal.Spatiotemporale valuation and assessment of shallow groundwater quality for irrigation of a tropical coastal groundwater basin[J].Environmental Scienceand PollutionResearch，2023，30（55）：116715-116740.

[5]侯國華，高茂生，葉思源，等.黃河三角洲淺層地下水鹽分來源及咸化過程研究[J].地學前緣，2022，29（3）：145-154.

[6]BishwakarmaK，WangGX，ZhangF，etal.Hydrochemical characterization and irrigation suitability of the Ganges Brahmaputra River System：review and assessment[J].Journal of Mountain Science，2022，19（2） ：388-402.

[7]ZhangX，ZhaoR，WuX，etal.Hydrogeochemistry，identification of hydrogeochemical evolution mechanisms，and assessment of groundwater quality in the southwestern Ordos Basin， China[J].Environmental Science and Pollution Research，2022， 29（1）：901-921.