輝縣地區(qū)地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)評價

崔夜晨，劉久潭，高宗軍，蔡五田

（1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590；2.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東青島266590；3.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071000）

0 引 言

地下水是重要的自然資源，在社會經(jīng)濟的發(fā)展中扮演著極其重要的角色[1]。近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技的進步，農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水量與日俱增，地下水量以及水質(zhì)的變化對社會、環(huán)境，人類生活產(chǎn)生了巨大的影響。尤其是農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，工業(yè)聚集區(qū)以及人類聚居區(qū)，對于地下水的用量需求迅速增加，造成了地下可用水量減少，水位下降等問題。地下水的水化學(xué)特征受多種因素影響，如：地質(zhì)背景、水文地質(zhì)條件、氣象氣候以及人類活動等[2]。地下水在徑流過程中不斷與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，水化學(xué)特征和水質(zhì)也相應(yīng)地發(fā)生改變，水質(zhì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到當?shù)鼐用竦挠盟踩珕栴}[3-5]。因此，查明一個地區(qū)的地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)狀況，確定其污染來源，對區(qū)域地下水的污染防治及水資源保護有重要實際意義[5-7]。然而，目前有關(guān)輝縣地區(qū)地下水水化學(xué)特征、水質(zhì)及污染源解析方面的相關(guān)研究十分有限。因此，本次基于輝縣地區(qū)的56 件地下水樣品的水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析其水化學(xué)特征、評估水質(zhì)狀況，解析其污染來源，研究結(jié)果為輝縣地區(qū)地下水資源的開發(fā)利用和管理保護提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

輝縣地區(qū)位于太行山前新鄉(xiāng)市西北地區(qū)，區(qū)內(nèi)村鎮(zhèn)眾多?？傮w地勢呈北高南低，北為太行山脈，南為山前沖洪積傾斜平原。研究區(qū)屬于暖溫帶大陸性氣候，四季分明，降水主要集中在雨季；區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，河流眾多，主要有石門河、黃水河、白泉河、南水北調(diào)渠和共產(chǎn)主義渠等。潛水在區(qū)內(nèi)廣泛分布，主要賦存于上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)（Q3+Q4）含水巖組，含水介質(zhì)主要是第四系松散的砂卵石層、砂層，水量較豐富，含水層底板埋深50～150 m，含水層厚度15～70 m，由北部山前沖洪積扇向南部扇前洼地漸厚。地下水補給來源主要是大氣降水入滲、汛期洪水滲透、渠系灌溉補給及北部基巖山區(qū)巖溶水側(cè)向補給；主要徑流方向是北西-南東向和北東-南西向，局部地區(qū)出現(xiàn)地下水下降漏斗；排泄方式主要是人工開采和地下水徑流排泄。地下水主要用于農(nóng)田灌溉、工業(yè)用水和生活用水。由1949-2011年，輝縣地區(qū)人口由35.93 萬人增加到了81萬人，生活用水量每年增加2 000萬m3；農(nóng)業(yè)有效灌溉面積增加了4.25萬hm2，灌溉需用水量約增加2.50億m3；根據(jù)有效估算，每年的工業(yè)用水量約5 500萬m3。輝縣地區(qū)地下水采樣點分布位置及流場圖見圖1。

圖1 輝縣地區(qū)地下水采樣點分布位置及流場圖Fig.1 Distribution of groundwater sampling points and flow field in Huixian Country

1.2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本文借助中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心“豫北山前沖洪積扇含水層水質(zhì)調(diào)查”項目（DD20160310），數(shù)據(jù)來源為2016年豐水期采集的56 件地下水樣品，樣品的采集、運輸和保存參照ISO 5667-3：1985《水質(zhì)—采樣—樣品保存和管理技術(shù)指導(dǎo)》，現(xiàn)場測試指標為pH、水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、氧化還原電位，37 項無機指標委托北京中科英曼環(huán)境檢測有限公司測試完成，主要是總硬度（TH）、TDS、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-和NO3-等。運用SPSS 20 進行數(shù)理統(tǒng)計分析水化學(xué)參數(shù)特征，利用Piper三線圖、Gibbs圖和趨勢分析法分析水化學(xué)類型及其演化特征，運用內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)綜合法進行水質(zhì)評價，最后運用主成分分析進行了地下水污染源解析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水水化學(xué)特征

2.1.1 水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計特征

輝縣地區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。如表1所示，地下水pH 值范圍為6.81～8.36，平均值為7.29，整體呈弱堿性；總硬度（TH）范圍為118.00～1 580 mg/L，平均值為470.88 mg/L，整體屬于硬水；TDS 范圍為211～2 320 mg/L，平均值為746.13 mg/L，整體屬于低礦化度水。地下水中主要陰陽離子是HCO3-、SO42-、Ca2+，陽離子濃度均值呈Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+的關(guān)系，陰離子濃度均值呈HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-的關(guān)系。從變異系數(shù)[15]方面分析，pH 變異系數(shù)為0.04，說明其在地下水中較為穩(wěn)定；而K+、Na+、Cl-、SO42-和NO3-的變異系數(shù)大于等于1.00，說明它們在地下水中空間變異性較強，局部地下水受到人為因素影響較大。

表1 輝縣地區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of groundwater hydrochemical parameters in Huixian Country

2.1.2 水化學(xué)類型及空間分布特征

輝縣地區(qū)地下水Piper 三線圖，如圖2所示。在陽離子三線圖中，大部分水樣點靠近Mg2+軸，且分布較為集中，但有1個水樣點靠近Ca2+軸和Na++K+軸相交端；在陰離子三線圖中，水樣點主要分布于HCO3-+CO32-軸和Cl-軸相交端，且有向SO42-軸發(fā)散趨勢。根據(jù)舒卡列夫分類法[9]進行地下水化學(xué)類型分類，可知主要水化學(xué)類型是HCO3-Ca 型和HCO3-Ca·Mg 型水，占總樣品的67.9%。

圖2 地下水Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater

研究區(qū)地下水陽離子以Ca 型、Ca·Mg 型為主，空間分布較均勻，有1 個Na 型水點位于孟莊鎮(zhèn)孟莊村，主要受到金屬加工企業(yè)廢水影響。陰離子類型分布示意圖見圖3，HCO3型水全區(qū)分布廣泛，主要受北部太行山區(qū)HCO3-Ca 型巖溶水側(cè)向補給影響，是研究區(qū)天然水質(zhì)；HCO3·SO4型水位于趙固鄉(xiāng)北部、云門鎮(zhèn)北部、縣城、峪河鎮(zhèn)和占城鎮(zhèn)局部地區(qū)；HCO3·Cl 型水位于占城鎮(zhèn)東北、孟莊鎮(zhèn)東南和洪洲鄉(xiāng)局部地區(qū)；HCO3·SO4·Cl 型水位于孟莊鎮(zhèn)局部地區(qū)；SO4·HCO3型水位于薄壁鎮(zhèn)東部、云門鎮(zhèn)東部和占城鎮(zhèn)以南衛(wèi)河沿線局部地區(qū)。根據(jù)野外調(diào)查資料可知，HCO3·SO4型、HCO3·Cl 型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水主要位于村鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)田區(qū)和養(yǎng)殖場附近，受人為因素影響明顯。

圖3 地下水陰離子類型分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the distribution of groundwater anion types

2.1.3 地下水水化學(xué)時間變化規(guī)律

近幾十年來，在自然和人為兩大因素的綜合影響下，輝縣地區(qū)的地下水化學(xué)特征發(fā)生了明顯的變化，本文以1990年、2000年的水化學(xué)資料對研究區(qū)地下水水化學(xué)演化規(guī)律進行分析。根據(jù)《河南省輝縣市黃水河沖積扇供水水文地質(zhì)勘察報告（1990年）》[10]，90年代研究區(qū)的地下水受人為的影響較小，主要是HCO3型水，局部地區(qū)出現(xiàn)HCO3·SO4型水；隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人類活動對地下水的影響不斷加強[11]，縣城地區(qū)HCO3·SO4型水覆蓋區(qū)域有所擴大，且在衛(wèi)河沿線部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)HCO3·Cl 型水，但是研究區(qū)地下水仍以HCO3型水為主；對比本次研究結(jié)果與早期的結(jié)論，不僅縣城地區(qū)HCO3·SO4型水覆蓋區(qū)域繼續(xù)擴大，在峪河鎮(zhèn)和占城鎮(zhèn)局部地區(qū)也出現(xiàn)HCO3·SO4型水，而且研究區(qū)的局部地區(qū)出現(xiàn)了HCO3·Cl型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水；不過HCO3型水仍然是研究區(qū)主要的水類型，但其覆蓋面積有所減小?？偟膩碚f，研究區(qū)地下水化學(xué)類型演化趨向復(fù)雜，受到人為因素影響逐年增大。

根據(jù)2016-2018年多組枯豐期水質(zhì)資料，選取3 個典型長期監(jiān)測井JC04（位于洪洲鄉(xiāng)西-沖洪積扇頂區(qū)），JC05（位于趙固鄉(xiāng)東-沖洪積扇中區(qū)）和JC01（位于大塊鎮(zhèn)東-沖洪積扇緣區(qū)），對其中的Cl-、NO3-等離子進行對比分析。如圖4(a)所示，隨著時間變化，TH 整體呈下降趨勢，但在2017年JC05觀測井中出現(xiàn)極大值，這是由于此地當年的降水量減少較大，Ca2+、HCO3-離子濃度異常偏大所致；如圖4(b)所示，JC01 觀測井中TDS 起伏不大，而JC05 觀測井中TDS 變化幅度較大，在2017年枯水期和2018年豐水期濃度極高，可能是由于JC05附近水文交替條件較差，使得地下水中的Ca2+、SO42-增大造成的；如圖4(c)所示，SO42-在JC04 和JC01 中的觀測值變化不大，但2017年JC05中觀測值異常偏大，于2017年豐水期達到最大值，推測是人為污染以及降水量增大直接導(dǎo)致地下水中SO42-濃度增大；如圖4(d)所示，NO3-濃度不是很高，整體均呈減小的趨勢，但根據(jù)JC05 的觀測曲線可知，NO3-呈現(xiàn)枯水期濃度高，豐水期濃度低的特點，推測在豐水期降水量偏高，以及白泉河的滲漏補給所致，而在枯水期，因為農(nóng)業(yè)施肥，污水灌溉導(dǎo)致濃度偏高；如圖4(e)、圖4(f)所示，Na+、Cl-濃度整體呈減小的趨勢，且基本一致，這是因為研究區(qū)近年來環(huán)保強度較高，一定程度上導(dǎo)致了水中離子濃度的減小，2016年JC01中Cl-濃度陡增，這是因為工業(yè)生產(chǎn)的影響。

圖4 3個典型監(jiān)測井水質(zhì)隨時間變化規(guī)律Fig.4 The water quality of 3 typical monitoring wells changes with time

總體來看，各離子濃度隨著時間的變化均呈減小的趨勢，說明研究區(qū)的水質(zhì)情況在逐漸變好；整體上，各離子相對應(yīng)的濃度大小根據(jù)觀測井來排序是JC05＞JC01＞JC04，因為JC04受北部太行山區(qū)基巖水影響，加之所處地形切割強烈，水文交替好，水質(zhì)較好。JC01 受上游化工企業(yè)生產(chǎn)活動的影響較大，在一定時間內(nèi)離子濃度有不用幅度的增大。而JC05 所在地區(qū)地勢較平坦，水文交替條件較差，可能受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較大?？梢姡煌瑓^(qū)域地下水水質(zhì)的季節(jié)變化和年際變化有較大差異，人類活動強度、降水量及水巖作用對其有不同程度的影響。

2.1.4 地下水水化學(xué)控制因素分析

通常用Gibbs 模型圖解[12,13]來分析地下水主要化學(xué)組分的控制因素，主要是大氣降水控制、水巖作用控制和蒸發(fā)-結(jié)晶作用控制。如圖5所示，地下水點TDS 范圍為211～2 320 mg/L，大部分樣品的Na+/(Na++Ca2+)比值小于0.5，Cl-/(Cl-+HCO3-)比值也小于0.5，水樣點大都落在水巖作用控制區(qū)，說明研究區(qū)地下水水化學(xué)主要受水巖作用控制，而大氣降水作用和蒸發(fā)結(jié)晶作用影響較小。

圖5 研究區(qū)地下水化學(xué)Gibbs圖解Fig.5 Gibbs diagram of groundwater hydrochemistry in the study area

2.1.5 地下水水化學(xué)相關(guān)性分析

如表2所示，TDS與Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-的相關(guān)性較好，其中TDS 與Ca2+、Mg2+、HCO3-呈高度相關(guān)，說明Ca2+、Mg2+、HCO3-含量對TDS 貢獻較大。Cl-與Na+呈高度相關(guān)，說明可能存在巖鹽礦物的溶解，而Cl-和Na+也可能來源于化工及金屬加工企業(yè)廢水；HCO3-與Mg2+、Ca2+相關(guān)性較好，說明存在灰?guī)r等碳酸鹽巖礦物的風(fēng)化溶解；SO42-與Ca2+、Mg2+相關(guān)性較好，說明存在石膏等含硫礦物的溶解，SO42-也可能來源于化工廠或農(nóng)田含硫化肥使用。其他水化學(xué)組分間相關(guān)性較弱。

表2 地下水水化學(xué)組分間相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of groundwater water chemical components

2.2 地下水質(zhì)量評價

通過水質(zhì)評價能夠科學(xué)客觀的了解研究區(qū)地下水質(zhì)量狀況，有利于地下水污染防治和水資源保護[14]。依據(jù)《地下水質(zhì)量標準》（GBT 14848-2017），選取TH、TDS、Na+、SO42-、Cl-、NO3-、NH4+、Fe 和Pb 9 項評價因子，運用內(nèi)梅羅指數(shù)法[15]和模糊數(shù)學(xué)綜合法[16]對輝縣地區(qū)地下水進行水質(zhì)評價，結(jié)果見表3。內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果表明，地下水水樣水質(zhì)較好及以上的有29 個，約占總樣品的51.8%，水質(zhì)較差及以下的有27 個，約占48.2%，認為研究區(qū)地下水質(zhì)量相對一般，主要影響指標是TH、TDS和SO42-，此外NH4+、Fe和Pb對局部地下水水質(zhì)也有影響；模糊數(shù)學(xué)綜合法評價結(jié)果表明，地下水Ⅲ類及以上水質(zhì)的有44 個，約占78.6%，而Ⅵ、Ⅴ類水的有12個，約占21.4%，認為研究區(qū)地下水水質(zhì)整體較好。模糊數(shù)學(xué)綜合評價結(jié)果相比內(nèi)梅羅指數(shù)法整體偏好，這是由于前者充分考慮到地下水中諸多指標對水質(zhì)的綜合影響，使評價結(jié)果科學(xué)客觀。

表3 地下水質(zhì)量評價結(jié)果Tab.3 Groundwater quality evaluation results

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)綜合評價結(jié)果繪制地下水水質(zhì)分區(qū)圖(圖6)。如圖6所示，輝縣地區(qū)大部分地下水是Ⅲ類水，Ⅳ類水位于占城鎮(zhèn)以北、孟王莊鎮(zhèn)以南的局部地區(qū)，Ⅴ類水主要位于薄壁鎮(zhèn)以東、孟莊鎮(zhèn)西南、趙固鄉(xiāng)以南及占城鎮(zhèn)以北的條帶區(qū)域，也在衛(wèi)河沿線及大塊鎮(zhèn)地區(qū)呈條帶狀出現(xiàn)。經(jīng)野外調(diào)查可知Ⅵ、Ⅴ類水主要位于農(nóng)田區(qū)、工業(yè)區(qū)或人口聚集區(qū)，受到人為因素污染較大。此外，根據(jù)研究區(qū)地表水水質(zhì)數(shù)據(jù)可知，衛(wèi)河水的TH、TDS 和SO42-濃度較高，其對周邊地下水水質(zhì)有影響。

圖6 地下水質(zhì)量分區(qū)圖Fig.6 Distribution diagram of groundwater quality

2.3 地下水污染源解析

多元統(tǒng)計-因子分析主要用于復(fù)雜環(huán)境下污染源解析，通過對水質(zhì)污染數(shù)據(jù)進行降維處理，從具有同源關(guān)系或相似水化學(xué)意義的多項指標中提取代表性因子，來解釋影響水質(zhì)的污染源情況[17，18]。本次研究對前文9項評價因子數(shù)據(jù)進行標準化處理，經(jīng)KOM 檢驗值為0.567，Bartlett 球形檢驗中Sig 值為0，說明具有顯著性，可以做因子分析。根據(jù)主成分分析中特征值大于1的原則，利用最大方差法進行成分旋轉(zhuǎn)，共提取了3 個公因子，累計方差共解釋了73.068%的信息量，說明可以較好地解析污染源情況（表4）。

如表4所示，第一公因子（F1）解釋了46.926%的信息量，其與TH、TDS、Na+、Cl-、SO42-和NO3-相關(guān)性較好，而SO42-和NO3-主要來源于研究區(qū)農(nóng)業(yè)中硫肥和氮肥，故F1 可以解析為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響。輝縣地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達，農(nóng)田面積較廣且集中分布，根據(jù)水質(zhì)測試數(shù)據(jù)及野外現(xiàn)場調(diào)查資料可知，薄壁鎮(zhèn)東部、占城鎮(zhèn)西北部、云門鎮(zhèn)東部、孟莊鎮(zhèn)地區(qū)及衛(wèi)河、峪河沿線局部農(nóng)田區(qū)地下水中SO42-、NO3-濃度超標，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用氮肥和硫肥導(dǎo)致地下水水質(zhì)污染。第二公因子（F2）解釋了13.886%的信息量，其與NH4+呈高度相關(guān)，由于人類生活污水和養(yǎng)殖場污水經(jīng)微生物作用會釋放出NH4+，因此F2 可以解析為生活廢水和養(yǎng)殖廢水影響。NH4+異常高值區(qū)位于孟莊鎮(zhèn)、大塊鎮(zhèn)、占城鎮(zhèn)及衛(wèi)河沿線村鎮(zhèn)，居民生活廢水和養(yǎng)殖場污水隨意排放造成了局部地下水污染。第三公因子（F3）解釋了12.256%的信息量，其與Fe 呈高度相關(guān)，F(xiàn)e 主要來源于冶煉、工礦和電鍍等，因此F3 可以解析為工礦企業(yè)活動影響。Fe 異常高值區(qū)出現(xiàn)在洪洲鄉(xiāng)北部、占城鎮(zhèn)西部及薄壁鎮(zhèn)西北局部，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)該類水井附近有金屬廠、礦山或固廢堆，工業(yè)活動排放的廢水廢渣對地下水造成了污染。

表4 主成分分析特征表Table 4 Principal component analysis feature table

3 結(jié) 論

（1）輝縣地區(qū)地下水中主要陰陽離子是HCO3-和Ca2+，陽離子濃度均值呈Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+的關(guān)系，陰離子表現(xiàn)為HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-。地下水樣品pH 均值為7.29，整體呈弱堿性；TH 均值為470.88mg/L，TDS 平均值為746.13 mg/L，屬于低礦化硬水。

（2）地下水水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca 和HCO3-Ca·Mg型。不同時期水質(zhì)數(shù)據(jù)對比表明水化學(xué)類型由簡單演化到復(fù)雜， HCO3型水的區(qū)域面積減小，受人為因素影響的HCO3·SO4型、HCO3·Cl 型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水面積增大。水化學(xué)主要受水巖作用控制，同受到地表水和人為因素影響。

（3）基于內(nèi)梅羅指數(shù)和模糊數(shù)學(xué)綜合評價法，研究區(qū)地下水質(zhì)整體較好，主要影響因素有TH、TDS 和SO42-。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用到水量各地區(qū)比較均勻，用化肥農(nóng)藥對地下水水質(zhì)有影響。大量的生活供水，會造成地下水位下降，生活排放的污水可能會污染水質(zhì)，兩者主要是影響淺層水，基本不影響深層水。在城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展過程中需要加強地下水水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測，控制污染源，減少廢水排放，合理使用農(nóng)藥化肥。

（4）主成分分析共提取3 個公因子，能夠解釋73.068%的污染源信息。公因子F1 方差貢獻率46.926%，解析為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響，公因子F2 方差貢獻率13.886%，代表生活廢水和養(yǎng)殖廢水影響，公因子F3 方差貢獻率12.256%，表征為工礦企業(yè)活動影響。