基于正定矩陣因子分析模型的滹沱河沖洪積扇地下水污染源解析*

孟瑞芳 孟舒然

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

地下水質(zhì)量對(duì)于人類健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。近年來，隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)地下水環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重。地下水質(zhì)量惡化已成為重要的水環(huán)境問題。地下水質(zhì)量主要受控于自然因素(含水層巖性、補(bǔ)給水源質(zhì)量、土壤特點(diǎn)及水巖交互作用)和人類活動(dòng)因素(農(nóng)業(yè)活動(dòng)、工業(yè)污水排放、城市發(fā)展、地下水源開采等)[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，湔江沖洪積扇地下水化學(xué)演化過程主要受溶濾作用的控制，人類活動(dòng)亦有一定的影響[3]。YANG等[4]研究發(fā)現(xiàn)，影響濱海含水層淺層地下水質(zhì)量的因素是鹽堿化、水巖交互作用和人類活動(dòng)。ZHANG等[5]對(duì)珠江三角洲地區(qū)地下水硝酸鹽污染的驅(qū)動(dòng)機(jī)制開展研究，發(fā)現(xiàn)城市建設(shè)，第二、三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人口增長(zhǎng)共同驅(qū)動(dòng)地下水硝酸鹽的污染。

有效防止和控制地下水持續(xù)惡化的關(guān)鍵是識(shí)別污染來源。正定矩陣因子分析(PMF)模型是一種操作簡(jiǎn)單有效的新型源解析方法，在對(duì)因子載荷和得分做非負(fù)約束時(shí)，可賦予每組數(shù)據(jù)一定的不確定性估計(jì)，使得模型解析結(jié)果較準(zhǔn)確。近年來，PMF模型已廣泛用于大氣[6-7]和土壤[8-10]環(huán)境源解析工作中，并取得了很好的溯源結(jié)果，但該模型很少被用于水環(huán)境源解析研究領(lǐng)域。

滹沱河沖洪積扇地區(qū)位于華北平原西部，近年來由于人類活動(dòng)的影響，地下水質(zhì)量逐年惡化，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎踩偷貐^(qū)的發(fā)展造成了影響[11-13]。本研究重點(diǎn)探討了滹沱河沖洪積扇地區(qū)地下水水化學(xué)特征和主要控制因素，應(yīng)用PMF模型識(shí)別影響該地區(qū)地下水質(zhì)量的主要污染源并且量化各來源對(duì)水化學(xué)組分的貢獻(xiàn)率，對(duì)控制該地區(qū)地下水水質(zhì)持續(xù)惡化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本特征

滹沱河沖洪積扇位于河北西南部。選取滹沱河沖洪積扇的石家莊段作為主要研究區(qū)，西起崗南水庫(kù)，東至藁城西界，流域面積2 442 km2。研究區(qū)屬于半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，多年平均氣溫13.3～15.0 ℃，平均降雨量400～750 mm，降雨主要集中在6—8月，主要的土地使用類型為耕地、住宅用地、水域和空休地(山體和未開發(fā)地區(qū))。

1.2 水文地質(zhì)條件

含水層屬于河北平原第四紀(jì)多層含水層系統(tǒng)，地層巖性主要包括沙礫石、鵝卵石、粗砂和細(xì)砂，地下水的富水性較好。根據(jù)含水層特點(diǎn)和地下水的補(bǔ)徑排條件將研究區(qū)分為3個(gè)水文地質(zhì)單元：(1)溝谷平原區(qū)，位于崗南水庫(kù)和黃壁莊水庫(kù)之間，地處山區(qū)向平原區(qū)的過渡地帶。該單元地下水水位埋深較淺(4.2～12.4 m)，其富水性和水力傳導(dǎo)能力均較好，含水層與其他地區(qū)保持緊密聯(lián)系。(2)沖洪積扇頂部，包括鹿泉縣、石家莊市、正定縣和靈壽縣，含水層巖性主要是沙卵礫石。該單元地下水主要以孔隙水為主，水位埋深9.2～42.3 m。(3)沖洪積扇中部，包括正定縣和鹿泉縣的一部分、藁城縣和無極縣。該單元地下水水位埋深較深(40.0～50.3 m)，含水層巖性主要包括沙卵礫石、粗砂和中砂為主。

2 樣品采集和分析

2.1 樣品采集

2017年9月采集滹沱河沖洪積扇地區(qū)33組地下水樣品。水樣均取自民用井和農(nóng)田灌溉井，地下水水位埋深4.19～43.03 m。所用采樣瓶為1.5、0.5 L的聚乙烯塑料瓶各1個(gè)，分別用于陰陽(yáng)離子分析，其中用于陽(yáng)離子分析的水樣加入HNO3，使水樣的pH<2。

2.2 分析指標(biāo)和方法

2.3 襯度系數(shù)方差

由于地下水各化學(xué)組分檢測(cè)值可能相差很大，因此本研究定義了襯度系數(shù)(Vi，見式(1))，然后求襯度系數(shù)方差(Vσ2，見式(2))進(jìn)行對(duì)比，其中變量單位根據(jù)各化學(xué)組分而定。

(1)

(2)

2.4 PMF模型

PMF模型是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署推薦使用的源解析方法之一，無需測(cè)定復(fù)雜的源成分譜，是一種操作簡(jiǎn)單、有效的新型源解析方法，基本計(jì)算見式(3)，詳細(xì)的描述和計(jì)算過程見文獻(xiàn)[14]，其中參數(shù)(除gik外)單位按照實(shí)際情況確定。

(3)

式中：Xij為第i個(gè)樣品中第j個(gè)元素測(cè)定值；k為污染源序號(hào)；gik為第k個(gè)污染源對(duì)第i個(gè)樣品的貢獻(xiàn)率，%；fkj為第k個(gè)污染源中第j個(gè)元素的測(cè)定值；eij為殘差。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水化學(xué)特點(diǎn)

表1 滹沱河沖洪積扇地下水質(zhì)量

3.2 地下水水化學(xué)類型

研究區(qū)地下水主要的水化學(xué)類型是HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4-Ca·Mg(見表2)，分別占到33.3%和27.3%。SO4型水在溝谷平原區(qū)、沖洪積扇頂部和中部出現(xiàn)的比例分別為77.8%、64.3%和80.0%。Cl型水在溝谷平原區(qū)、沖洪積扇頂部和中部出現(xiàn)的比例分別為33.3%、14.3%和40.0%。研究發(fā)現(xiàn)，1950年石家莊地區(qū)地下水的水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg[15]446。但近年來，地下水的水化學(xué)類型轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·SO4-Ca和HCO3·SO4-Ca·Mg為主，還出現(xiàn)了Cl型水，可見該地區(qū)地下水已受到了人類活動(dòng)的顯著影響。

表2 滹沱河沖洪積扇地區(qū)地下水水化學(xué)類型

3.3 水化學(xué)類型的控制作用

圖1 滹沱河沖洪積扇地區(qū)地下水Gibbs圖Fig.1 Gibbs diagram for the groundwater in Hutuo River alluvial-pluvial fan

3.4 地下水水化學(xué)組分的物源判斷

表3 滹沱河沖洪積扇地下水化學(xué)組分襯度系數(shù)方差

3.5 基于PMF模型的源解析

3.5.1 滹沱河沖洪積扇地下水污染源識(shí)別

本研究使用PMF 5.0模型對(duì)滹沱河沖洪積扇地區(qū)地下水進(jìn)行了定量源解析。當(dāng)設(shè)定因子數(shù)為3、選擇旋轉(zhuǎn)的峰值運(yùn)行強(qiáng)度值(Fpeak)是-0.5時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最小(103.7)，模型模擬結(jié)果較好，通過了Bootstrap方法檢驗(yàn)。

表4 PMF模型解析的各污染源成分譜

因子2解釋了總變量的5.6%，因子2中Fe和Mn的相對(duì)值較高。通常情況下，水環(huán)境中Fe和Mn主要來自于工業(yè)污染[21]。研究區(qū)上游(平山縣境內(nèi))有1個(gè)大型的鋼鐵廠，其生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的廢物和廢水在降雨徑流的驅(qū)動(dòng)下滲入地下水，引起地下水Fe和Mn濃度升高[22]。此外，在鋼鐵廠下游約500 m處采樣點(diǎn)的地下水樣品Fe和Mn均較高(0.430、0.053 mg/L)，進(jìn)一步證實(shí)了本研究的推論。因此，因子2代表了工業(yè)污染源。

3.5.2 滹沱河沖洪積扇地下水污染源貢獻(xiàn)率解析

圖2 污染源對(duì)滹沱河沖洪積扇地下水水質(zhì)參數(shù)的貢獻(xiàn)率Fig.2 Contribution rates of sources to hydrochemical parameters of groundwater in Hutuo River alluvial-pluvial fan

綜合分析認(rèn)為，點(diǎn)源污染(生活污水和工業(yè)污水)仍是滹沱河沖洪積扇地區(qū)地下水中的重要污染來源。因此，政府和水環(huán)境管理部門應(yīng)加快建設(shè)當(dāng)?shù)氐奈鬯芫W(wǎng)及提升污水處理能力，防止生活污水直接排放進(jìn)入滹沱河。此外，地下水超采誘發(fā)地下水水質(zhì)進(jìn)一步惡化，政府應(yīng)當(dāng)加大執(zhí)法力度，并且研發(fā)及推廣針對(duì)該地區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，有效防止該地區(qū)地下水過度開采。

4 結(jié) 論

(2) 巖石風(fēng)化是該地區(qū)地下水水化學(xué)的主要控制因素，地下水主要的水化學(xué)類型是HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4-Ca·Mg，分別占到33.3%和27.3%。SO4型水在溝谷平原區(qū)、沖洪積扇頂部和中部出現(xiàn)的比例分別為77.8%、64.3%和80.0%。該地區(qū)地下水已受到了人類活動(dòng)的顯著影響。

(3) 沖洪積扇頂部各組分襯度系數(shù)方差整體要大于溝谷平原區(qū)和沖洪積扇中部，沖洪積扇頂部?jī)?nèi)地下水受人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈。

(4) PMF源解析結(jié)果表明，該地區(qū)地下水主要污染源是生活污水和化肥、工業(yè)污染源和地下水超采誘發(fā)的水巖交互作用。