重慶市淺層地下水污染源解析與環(huán)境影響因素識(shí)別

張 虹, 魏興萍, 彭名濤

1.重慶師范大學(xué)， 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究重慶市高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331 2.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331

地下水作為重要的水資源，其環(huán)境安全是全球關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一[1]. 人類活動(dòng)對(duì)地下水質(zhì)量影響日趨嚴(yán)重，污染物負(fù)荷增加是導(dǎo)致地下水環(huán)境退化的重要原因之一[2]. 不同的水文地質(zhì)條件，污染物地下的遷移方式不同，進(jìn)入地下水的比例和對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)率也不同[3]. 解析污染源排放與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，從污染源、路徑等方面識(shí)別區(qū)域地下水污染的主要環(huán)境影響因素，對(duì)防控地下水環(huán)境污染及保護(hù)地下水安全具有重要意義.

快速準(zhǔn)確識(shí)別污染源是地下水污染防治的關(guān)鍵. 目前，基于“源-受體”污染特征的多元統(tǒng)計(jì)模型法是常用的快速污染源定量解析方法之一[4-7]. 如主成分分析法、因子分析法、多元回歸法及多種統(tǒng)計(jì)方法的聯(lián)合和改進(jìn)等，已廣泛應(yīng)用于湖泊[8-9]、河流[10-12]、地下水[4,13-14]等污染源解析和水質(zhì)空間分布研究中，定量反映了各污染因子對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率. 現(xiàn)有研究為識(shí)別地下水的污染源及分布提供了重要理論和方法. 但地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，污染影響因素眾多，除污染源強(qiáng)外，環(huán)境因素對(duì)地下水污染也有一定的影響. 目前地下水污染源解析研究中，少有考慮污染過(guò)程中環(huán)境因子的影響，而不同區(qū)域環(huán)境因子對(duì)地下水污染的影響差異顯著，在地質(zhì)條件復(fù)雜的山地地區(qū)表現(xiàn)尤為突出[15]. 該研究以地下水脆弱性為理論依據(jù)，選取地下水埋深、土壤介質(zhì)、含水層介質(zhì)、降水、地形坡度等自然和土地利用等人類活動(dòng)因子[16-18]，識(shí)別地下水污染路徑中的關(guān)鍵因素，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自然環(huán)境、水文地質(zhì)條件對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響，優(yōu)化地下水污染防控，實(shí)現(xiàn)地下水精細(xì)化監(jiān)測(cè)和管理.

重慶地處西南，地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水環(huán)境敏感，且重慶作為長(zhǎng)江流域重要生態(tài)屏障和全國(guó)水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫(kù)，其水資源安全事關(guān)重慶長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和國(guó)家戰(zhàn)略. 該研究采用重慶市82個(gè)淺層地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用絕對(duì)主成分-多元線性回歸(APCS-MLR)模型，解析淺層地下水污染源，量化污染因子貢獻(xiàn)率；借助地理探測(cè)器，識(shí)別污染物遷移關(guān)鍵環(huán)境影響因素，不僅對(duì)重慶水資源安全和應(yīng)急水源保障具有現(xiàn)實(shí)意義，也為淺層地下水資源的監(jiān)測(cè)和有效管理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

重慶市地處四川盆地東緣，面積8.24×104km2，地貌類型多樣，以中、低山地為主，占市域的75%以上. 區(qū)域地形起伏大，總體呈現(xiàn)東、東南、南部地勢(shì)高，中、西部地勢(shì)低. 重慶屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年均降雨量 1 000～1 400 mm，但時(shí)空分布不均，降雨時(shí)間集中(5—10月)，雨熱同季. 土壤類型多樣，黃壤、紫色土和水稻土占主導(dǎo)，集中分布于中、西平行嶺谷之間丘陵地區(qū)，構(gòu)成重慶市農(nóng)業(yè)基本生產(chǎn)力的基礎(chǔ). 重慶市土地利用類型包括耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地等，其中，林地面積(3.81×104km2)最大，占市域的46.22%；耕地次之，面積2.43×104km2，占29.51%，主要分布在中西部丘陵地區(qū)[19]. 境內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，地跨揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地和秦嶺褶皺系兩大地質(zhì)構(gòu)造單元，地層自震旦系板溪群至第四系均有出露. 重慶地下水資源量約為160.7×108m3/a，空間分布差異大. 區(qū)內(nèi)碳酸鹽分布廣，面積約3.0×104km2，占市域的36.5%. 地下水類型以碳酸鹽巖溶水為主，見(jiàn)圖1，約118.4×108m3/a，占比73.7%，分布在渝東北大巴山褶皺山地，渝東南巫山—大婁山褶皺山地及中西部平行嶺谷區(qū)的背斜軸部，化學(xué)類型以Ca-HCO3型或Ca(Mg)-HCO3型為主[20]. 巖溶區(qū)地貌破碎、表層土壤薄，缺少天然過(guò)濾層，污染物易通過(guò)裂隙、落水洞直接進(jìn)入地下含水層或地下河，造成地下水污染[21]. 除巖溶水外，其余多屬紅層區(qū)地下水，包括基巖裂隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、松散巖孔隙水等地下水類型，主要分布在渝西北丘陵區(qū)及中部平行嶺谷地區(qū)，該地區(qū)受到人類活動(dòng)影響地下水呈Na+Ca-HCO3型、Na+Ca-SO4型、Na+Ca-Cl型或Ca-SO4+HCO3型[20]. 渝西人口集聚，人口密度約400人/km2，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化程度高，生產(chǎn)生活污染負(fù)荷高，且地下水資源相對(duì)短缺，屬重慶市地下水污染重點(diǎn)防控區(qū).

圖1 重慶市淺層地下水類型及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling points and groundwater type in Chongqing

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究涉及自然環(huán)境要素、人類活動(dòng)要素和水質(zhì)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，具體包括：2016年重慶市月均降雨數(shù)據(jù)(中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心，http://data.cma.cn)；ASTER GDEM 30M(地理空間數(shù)據(jù)云，http://www.gscloud.cn)；重慶市1∶200 000 水文地質(zhì)圖及調(diào)查報(bào)告(重慶市地質(zhì)勘測(cè)院)；重慶市1∶250 000 土壤類型數(shù)據(jù)，2015年重慶市30 m土地覆被數(shù)據(jù)(國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，http://www.geodata.cn/)；重慶市土壤質(zhì)地(中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，http://www.resdc.cn)；2016年7—12月重慶市82個(gè)淺層地下水采樣點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心)；2020年10—11月重慶市34個(gè)地下水采樣點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(重慶市生態(tài)環(huán)境局). 根據(jù)重慶地下水環(huán)境差異性特征，同時(shí)參照GT/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，該文選取的水質(zhì)指標(biāo)包括NH3-N、CODMn、F-(氟化物)、NO3-、Mn、Fe、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-、TH(總硬度)、TDS(溶解性總固體)、總大腸桿菌群共15項(xiàng).

2.2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

2.2.1基于APCS-MLR的源解析

APCS-MLR模型是對(duì)原始地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和因子分析，提取主成分得分；計(jì)算絕對(duì)真實(shí)因子得分(APCS)，即主成分因子得分和絕對(duì)零值因子得分之差[8,14]；最后以實(shí)測(cè)水質(zhì)濃度為因變量，以APCS為自變量，基于多元線性回歸模型(MLR)，計(jì)算各公因子對(duì)水體指標(biāo)的貢獻(xiàn)率.

(1)

APCSjk=(Az)jk-(A0)j

(2)

(3)

式中，akf為回歸系數(shù)，bk為回歸常數(shù)項(xiàng)，akf×APCSkf為污染源f對(duì)污染指標(biāo)濃度Ck的貢獻(xiàn),v為污染源個(gè)數(shù).

2.2.2基于地理探測(cè)器的影響因素識(shí)別

基于“源—路徑—受體”的地下水污染過(guò)程和地下水脆弱性理論，針對(duì)巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)參照不同的脆弱性評(píng)價(jià)模型選取環(huán)境影響因子. 巖溶區(qū)參照COP(徑流-覆蓋層-降雨)模型[22]，以土地利用類型、坡度、表層巖溶發(fā)育度、土壤、含水層巖性及降雨強(qiáng)度因子6個(gè)指標(biāo)識(shí)別地下水污染的影響因素，指標(biāo)分級(jí)參照表1[22-23]；針對(duì)非巖溶區(qū)(紅層區(qū))參照考慮人為影響的DRASTIC改進(jìn)模型[24-25]，從地下水位埋深、凈補(bǔ)給量、含水層介質(zhì)類型、土壤介質(zhì)類型、地形坡度、滲流區(qū)介質(zhì)類型、含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)及土地利用類型8個(gè)指標(biāo)識(shí)別地下水污染影響因素，分級(jí)參照見(jiàn)表2[24-26]，空間分布見(jiàn)圖2～4，并利用ArcGIS軟件中Extract Value to Points工具，獲取采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的影響因素值. 借助地理探測(cè)器中的因子探測(cè)和交互探測(cè)分析以上各因子對(duì)不同區(qū)域淺層地下水污染是否有影響及其大小. 地理探測(cè)器是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探測(cè)事件空間分異性及驅(qū)動(dòng)因素的工具，其中因子探測(cè)是用q值度量自變量(X)對(duì)因變量(Y)空間分異的影響程度，即解釋力.q的計(jì)算公式[27]：

圖2 土地利用類型、坡度分布及表層巖溶發(fā)育度分布Fig.2 Land use types, slope gradient and development of surface karst

表1 巖溶區(qū)地下水污染環(huán)境影響因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22-23]

表2 非巖溶區(qū)地下水污染環(huán)境影響因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[24-26]

(4)

式中，q是衡量各環(huán)境要素與淺層地下水污染空間分布相關(guān)性的值，N、σ2分別為樣本量和方差，Nh和σh2分別為h層樣本量和方差.q∈[0,1]，q值越大，相關(guān)性越強(qiáng)，反之越弱.

圖3 土壤類型分布、含水層巖性分布及降雨分布Fig.3 Soil types, lithologic features and rainfall distribution

交互探測(cè)是評(píng)估不同因子X(jué)1、X2共同作用時(shí)，是否增加或者減弱了對(duì)Y的解釋力，具體包括獨(dú)立、非線性增強(qiáng)、非線性減弱、單因子非線性減弱、雙因子增強(qiáng)[27].

3 結(jié)果與討論

3.1 重慶市淺層地下水水質(zhì)分析

重慶作為典型的人口密集山地城鎮(zhèn)，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下水類型多樣，天然化學(xué)特性差異大. 淺層地下水受原生地質(zhì)環(huán)境限制和人類活動(dòng)長(zhǎng)期影響，組分復(fù)雜，水質(zhì)空間異質(zhì)性高. 重慶市82個(gè)淺層地下水采樣點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表3)顯示：Cl-、Na+、Ca2+、TH及TDS等水質(zhì)參數(shù)變異系數(shù)均高于3，變異性大；同時(shí)，受人類活動(dòng)影響，NH3-N、NO3-、總大腸桿菌群等水質(zhì)參數(shù)，也存在不同程度的異質(zhì)性(變異系數(shù)>1).

表3 重慶市淺層地下水水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

以GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，重慶市淺層地下水總大腸桿菌群、Fe超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)率分別為92%和80.72%，其中，總大腸桿菌最高超標(biāo)170倍，F(xiàn)e最高超標(biāo)99倍，其次是Mn、CODMn，超標(biāo)率均達(dá)20%. 重慶市淺層地下水受人類活動(dòng)影響明顯，農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題突出.

3.2 污染源解析

通過(guò)極差法對(duì)原始水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，采用KMO-Bartlett球形檢驗(yàn)變量間的相關(guān)程度，KMO值為0.674，顯著性P值接近0，表明數(shù)據(jù)適合進(jìn)行因子分析，且因子間具有相關(guān)性. 借助SPSS的因子分析工具，提取出5個(gè)公因子(特征大于1)，累積貢獻(xiàn)率為80.34%(見(jiàn)表4)；以旋轉(zhuǎn)后的因子荷載矩陣突出各公因子載荷的典型指標(biāo)變量(見(jiàn)表5)；基于APCS-MLR模型，計(jì)算各公因子對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率(見(jiàn)表6)；利用ArcGIS空間插值模塊繪制公因子分布圖(見(jiàn)圖5～6).

表4 重慶市淺層地下水成分解釋總方差

表5 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

表6 公因子污染貢獻(xiàn)率

圖5 重慶市淺層地下水污染主導(dǎo)因子F1、F2、F3的空間分布Fig.5 Spatial distribution of F1, F2, F3 of shallow groundwater pollution in Chongqing

圖6 重慶市淺層地下水污染主導(dǎo)因子F4、F5和F的空間分布Fig.6 Spatial distribution of F4, F5 and F of shallow groundwater pollution in Chongqing

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果(見(jiàn)表4～6)和公因子空間分布(見(jiàn)圖5～6)來(lái)看，F(xiàn)1特征值為6.30，方差貢獻(xiàn)率達(dá)42.00%，主要載荷為Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+、TH、TDS、CODMn，對(duì)各指標(biāo)貢獻(xiàn)率接近或超過(guò)60%. 主要分布于重慶西部九龍坡、大渡口等人口集聚的都市核心區(qū)，合川區(qū)渭沱組團(tuán)污水處理場(chǎng)、銅梁城市污水處理場(chǎng)周邊丘陵區(qū). 區(qū)域?qū)亳薨櫂?gòu)造，為基本骨架形成多層平行嶺谷式地貌，地下水以基巖(紅層)孔隙裂隙水為主，并有背斜軸部及兩側(cè)的碳酸鹽巖溶水和零星分布的松散堆積層孔隙水[28]. 山地軸部巖性以石灰石、方解石、白云石等碳酸鹽巖為主，受地形、氣候濕熱和雨量充沛影響，含水層孔隙、裂隙發(fā)育和徑流條件好，強(qiáng)烈的溶濾作用使得Ca2+、Mg2+、Na+等離子從背斜山地地帶向兩翼的丘陵地區(qū)遷移，隨水力坡度和水巖作用減弱，在丘陵地區(qū)富集，區(qū)域地下水礦化度一般在0.1～0.5 g/L，TDS、TH值較高. 此外，采樣點(diǎn)多集中在洼地、河谷等主要生產(chǎn)生活區(qū)，Cl-、CODMn濃度較高，主要來(lái)源于城鎮(zhèn)生活廢水、下水管泄露、化糞池、垃圾填埋場(chǎng)、污水處理場(chǎng)滲漏等，F(xiàn)1主要屬于淋溶富集-城鎮(zhèn)生活污染因子.

F2特征值為2.06，方差貢獻(xiàn)率為13.74%，主要載荷為NH3-N、Fe、SO42-，貢獻(xiàn)率分別為57.22%、55.87%和38.38%，對(duì)CODMn的貢獻(xiàn)率為9.62%. F2高值區(qū)主要集中在渝西大足、周邊榮昌、銅梁等地區(qū)，區(qū)域交通便利、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好. 受自然條件影響，重慶母質(zhì)巖土普遍含F(xiàn)e，且分布廣，在長(zhǎng)期水巖作用下，淋溶進(jìn)入地下水，使得地下水Fe元素含量高；SO42-主要源于硫酸鹽沉積物的溶濾-富集，且SO42-具有良好的遷移性，易進(jìn)入地下水；NH3-N來(lái)源以點(diǎn)源為主，區(qū)域采煤、火電廠建設(shè)等工礦活動(dòng)頻繁[29]，加之煤系含硫量高，煤炭堆積、采礦廢水等處置不當(dāng)?shù)染赡軐?dǎo)致NH3-N、SO42-等超標(biāo)；另外，重慶市冶金、汽車、摩托車、機(jī)械制造、生物工程、自然氣深加工、煤礦等產(chǎn)業(yè)集中分布于西部方山丘陵地區(qū)，如工業(yè)廢水池泄露、傳輸管道破裂等，均會(huì)使NH3-N含量較高的工業(yè)廢水排放到附近河流，經(jīng)地表-地下水力交換導(dǎo)致地下水污染. 除受地質(zhì)環(huán)境影響外，F(xiàn)2主要屬于工業(yè)污染因子.

F3主要載荷為CO32-、F-，對(duì)CO32-、F-的貢獻(xiàn)率分別為58.93%、63.19%. F4主要載荷為Mn，對(duì)其貢獻(xiàn)率為33.77%，對(duì)Fe、Ca、Na、SO42-等指標(biāo)貢獻(xiàn)率也超過(guò)10%. F3和F4空間分布相似，高值區(qū)集中在重慶西部、中部和東南局部. 重慶西部都市區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度大，加速山脊碳酸鹽溶解，并在丘陵緩坡富集，使得西部地區(qū)CO32-含量高；另外，重慶是我國(guó)重要的老工業(yè)基地，煤、鐵、石油、天然氣等礦產(chǎn)資源豐富，且原冶金和鋼鐵廠多集中于西部九龍坡、大渡口等都市區(qū)及周邊，導(dǎo)致地下水Fe、Mn、F-含量較高；重慶東南部為揚(yáng)子陸塊南部被動(dòng)邊緣褶皺帶，碳酸鹽巖分布廣，CO32-來(lái)源于碳酸鹽礦物溶解，由于燕山期蓋層褶皺發(fā)育，斷層產(chǎn)生，地下水熱液成礦條件好，形成規(guī)模較大的錳、硫鐵、汞、鉛鋅、螢石(CaF2)、重晶石等層控礦床[30]，在水巖作用下Fe、Mn、F-進(jìn)入地下水，導(dǎo)致區(qū)域地下水對(duì)應(yīng)水質(zhì)超標(biāo). 另外，重慶境內(nèi)大部分土壤母質(zhì)鐵、錳等元素含量高，有效鐵大于20 mg/kg的土壤占區(qū)域面積的57.1%，有效錳大于30 mg/kg占比在56.9%以上，集中分布于重慶西部、東南部及城口縣北部[31]，在紅層水偏酸性(pH為6.40～6.58)環(huán)境中，F(xiàn)e、Mn更易淋溶進(jìn)入地下水. F3和F4主要屬于地質(zhì)環(huán)境背景因子.

F5主要載荷為NO3-、總大腸菌群等，F(xiàn)5對(duì)NO3-、總大腸菌群、NH3-N、Na+等指標(biāo)貢獻(xiàn)率較大，分別為56.31%、33.65%、20.83%和11.21%，F(xiàn)5高值區(qū)主要分布在渝西丘陵區(qū)及中部平行嶺谷地區(qū). 區(qū)域地勢(shì)平坦，交通便利，土壤肥力較好，基本農(nóng)田連片分布，適合大面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是重慶主要的糧食生產(chǎn)地區(qū)[32]. 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，長(zhǎng)期使用農(nóng)藥化肥，氮污染物在土壤中與礦物反應(yīng)形成NO3-滲入地下水系統(tǒng)造成污染. 同時(shí)，區(qū)域承載了重慶市大部分規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)，農(nóng)業(yè)種植農(nóng)藥化肥的使用、農(nóng)村生活污水、農(nóng)村生活垃圾等無(wú)序排放[33]，畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的污水、動(dòng)物的糞便和病死的畜禽等廢棄物，未進(jìn)行處理和合理地資源化利用，污染物隨土壤、地表水遷移至地下，地下水總大腸桿菌群嚴(yán)重超標(biāo)，總氮污染負(fù)荷高，農(nóng)業(yè)面源污染較為突出. F5主要屬農(nóng)業(yè)生活生產(chǎn)污染因子.

以因子方差貢獻(xiàn)率大小(見(jiàn)表4)為基礎(chǔ)，貢獻(xiàn)率越大權(quán)重越大，貢獻(xiàn)率越小權(quán)重越小，計(jì)算因子權(quán)重，加權(quán)求得綜合污染指數(shù)(F). 結(jié)果顯示，渝西都市區(qū)及周邊合川、大足等地的淺層地下水綜合污染指數(shù)高，該區(qū)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷大，CODMn、NH3-N、總大腸桿菌群等指標(biāo)均超標(biāo)，而渝東南、渝東北地下水水質(zhì)相對(duì)較好.

3.3 淺層地下水污染影響因素識(shí)別

通過(guò)地理探測(cè)器對(duì)重慶巖溶區(qū)、非巖溶區(qū)淺層地下水綜合污染指數(shù)(F)的空間分異進(jìn)行環(huán)境影響因子探測(cè)，巖溶區(qū)各環(huán)境因子對(duì)淺層地下水污染的解釋力(q值)表現(xiàn)為土地利用類型(0.913)>坡度(0.891)>土壤質(zhì)地(0.697)>降雨強(qiáng)度(0.525)>表層巖溶發(fā)育(0.357)>含水層巖性(0.232)(見(jiàn)表7)、非巖溶區(qū)表現(xiàn)為土地利用類型(0.956)>坡度(0.923)>土壤質(zhì)地(0.781)>含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)(0.423)>地下水水位埋深(0.344)>滲流區(qū)介質(zhì)類型(0.292)>含水層巖性(0.225)>凈補(bǔ)給量(0.168)(見(jiàn)表8). 全域土地利用類型、坡度和土壤與地下水污染程度具有強(qiáng)相關(guān)性，且顯著性水平均小于0.05. 土地利用類型直接反映人類活動(dòng)強(qiáng)度，間接反映污染源強(qiáng)，土地利用類型對(duì)淺層地下水污染程度具有較強(qiáng)的解釋力，從重慶市淺層地下水各采樣點(diǎn)的用地類型可見(jiàn)，建設(shè)用地和耕地是CODMn、NH3-N、NO3-、總大腸桿菌群等的重要來(lái)源，淺層地下水污染以城鎮(zhèn)生活因子為主導(dǎo). 坡度反映區(qū)域地形對(duì)污染物遷移的影響，在山地地區(qū)表現(xiàn)尤為突出，污染物沿坡面隨地表徑流遷移至坡度較緩的丘陵地區(qū)，并富集進(jìn)入地下水，表現(xiàn)出緩坡地區(qū)地下水綜合污染指數(shù)明顯高于陡坡地區(qū)，即重慶市淺層地下水綜合污染指數(shù)(F)高值區(qū)主要分布于西部丘陵緩坡地區(qū)(見(jiàn)圖5～6). 土壤質(zhì)地反映污染物從地表遷移進(jìn)入地下的難易程度，土壤粒徑越大，孔隙度越高，土壤黏度越小，對(duì)污染物吸附能力相對(duì)越弱，污染物越易通過(guò)土壤層進(jìn)入地下含水層，造成地下水污染，表現(xiàn)為礫石>砂土>壤土>黏土. 重慶西部土壤質(zhì)地以砂土為主(見(jiàn)圖4)，滲透性好，該區(qū)淺層地下水易受到人類活動(dòng)影響. 降雨對(duì)于渝東南、渝東北巖溶地區(qū)淺層地下水污染的解釋力高于渝中、西部非巖溶區(qū). 重慶巖溶地層以碳酸鹽巖為主，加之降水豐富，巖溶作用強(qiáng)烈，溶隙、裂隙、落水洞等發(fā)育度高，地表水-地下水交換強(qiáng)烈[34-35]，而在中、西部的非巖溶地區(qū)，土壤厚度大，大氣降水隨地形由高到低徑流，在低洼處匯集排出地表，故凈補(bǔ)給量直接對(duì)該區(qū)淺層地下水污染的解釋力不明顯，不具有顯著相關(guān)性；而地下水埋深，水力傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)該區(qū)淺層地下水污染具有一定解釋力，表現(xiàn)為埋深越小污染指數(shù)越高，巖石水力傳導(dǎo)系數(shù)越大污染指數(shù)越高.

圖4 地下水埋深, 水力傳導(dǎo)系數(shù)及土壤質(zhì)地Fig.4 Ground water depth of sampling sites, fluid conductivity and soil media types

因子交互探測(cè)結(jié)果顯示，在巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)，因子交互增強(qiáng)了對(duì)淺層地下水污染的解釋力，屬非線性增強(qiáng). 在巖溶區(qū)，相關(guān)性最強(qiáng)的3組交互因子分別為土地利用類型∩降雨強(qiáng)度(0.987)、土地利用類型∩坡度(0.965)、土壤∩坡度(0.954)(見(jiàn)表7). 在非巖溶區(qū)為土地利用類型∩坡度(0.979)、土地利用類型∩土壤質(zhì)地(0.974)，坡度∩土壤質(zhì)地(0.971)(見(jiàn)表8).

表7 巖溶區(qū)因子探測(cè)及交互探測(cè)結(jié)果

表8 非巖溶區(qū)因子探測(cè)及交互探測(cè)結(jié)果

土地利用類型間接反映污染源，是淺層地下水污染的關(guān)鍵因子，土地利用類型與坡度、土壤質(zhì)地等因子交互作用，增強(qiáng)了對(duì)淺層地下水污染的解釋，表明在相同土地利用類型下，淺層地下水污染空間分布與降雨、坡度、土壤、地下水埋深具有較強(qiáng)的相關(guān)性.

該文基于2016年的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)研究重慶市淺層地下水污染源和影響因素，為了驗(yàn)證研究結(jié)果與現(xiàn)狀淺層地下水污染是否存在較大差異. 采用重慶市生態(tài)環(huán)境局提供的2020年10—11月34個(gè)位置相同或相近的淺層地下水NH3-N、COMMn、NO3-、Mn、Fe、TH、TDS、總菌群8個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)存在一定差異，各采樣點(diǎn)水質(zhì)均值有所下降，總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)(見(jiàn)圖7)，但兩個(gè)年份各水質(zhì)指標(biāo)空間分布差異不明顯，如COMMn、NH3-N(見(jiàn)圖8). 淺層地下水污染仍以農(nóng)業(yè)面源污染最為普遍，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染相對(duì)集中于渝西都市區(qū)及周邊，這與重慶市老工業(yè)基地的歷史背景有一定關(guān)系. 重慶淺層地下水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，但水質(zhì)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于限定時(shí)間內(nèi)的地下水監(jiān)測(cè)，而溫度、降雨等實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)對(duì)地下水水質(zhì)有一定影響.

圖7 重慶市2016年和2020年淺層地下水采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比Fig.7 Water quality parameters comparison of shallow groundwater sampling points in 2016 and 2020, Chongqing

圖8 重慶市2016年和2020年淺層地下水采樣點(diǎn)NH3-N與CODMn濃度對(duì)比Fig.8 Comparison of NH3-N, CODMn of shallow groundwater sampling points in 2016 and 2020, Chongqing

4 結(jié)論

a) 重慶地區(qū)地下水水質(zhì)參數(shù)中，以總大腸桿菌群超標(biāo)最為嚴(yán)重，超標(biāo)率大于90%. 人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水水質(zhì)影響大；其次為Fe、Mn等元素，超標(biāo)率達(dá)50%. 主要是區(qū)域含F(xiàn)e、Mn元素的巖土受淋溶作用，同時(shí)受礦山開(kāi)采、煤炭產(chǎn)生等人類活動(dòng)地表擾動(dòng)影響，加速Fe、Mn元素進(jìn)入地下水；重慶地下水以巖溶水為主，地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-分布廣，水體礦化度高.

b) 基于APCS-MLR模型的源解析，可有效辨識(shí)淋溶富集-城鎮(zhèn)生活污染(F1)、工業(yè)污染(F2)、地質(zhì)環(huán)境(F3、F4)、農(nóng)業(yè)污染(F5)等因子及空間分布. 重慶市淺層地下水污染總體呈現(xiàn)西部都市區(qū)及周邊>中部>東南部>東北部的空間格局，與區(qū)域人類活動(dòng)強(qiáng)度分布一致.

c) 基于地下水固有脆弱性理論，選取巖溶區(qū)、非巖溶區(qū)等不同地質(zhì)條件的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的暴露要素，應(yīng)用地理探測(cè)器可以快速識(shí)別出污染物向地下水遷移過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)境影響因素. 土地利用類型、坡度、土壤質(zhì)地等3個(gè)因素對(duì)巖溶區(qū)、非巖溶區(qū)地下水污染均有較高的解釋力. 而交互探測(cè)中，含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)∩土地利用類型、降雨強(qiáng)度∩土地利用類型等明顯增強(qiáng)了非巖溶區(qū)、巖溶區(qū)土地利用類型單因子對(duì)地下水污染的解釋力. 即污染路徑因子與源強(qiáng)組合能更好地解釋地下水污染，且在不同區(qū)域其解釋力差異明顯. 故地理探測(cè)器為識(shí)別地下水污染影響因子、預(yù)測(cè)區(qū)域地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分布等研究提供了有效的探索方法.