滹沱河冲洪积扇浅层地下水水质外界胁迫作用分析

张小文，何江涛，刘丹丹，倪泽华，张昌延

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境工程北京市重点实验室，北京 100083；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)

地下水具有水质良好、便于利用等优点，滹沱河冲洪积扇地区以地下水作为主要供水水源，地下水对当地的社会稳定及人民身体健康有着至关重要的作用[1]。近些年随着工农业生产的发展、人口增长和人民生活水平的提高，水资源的需求量越来越大，地下水不合理开发，各种人类活动产生的污染物质也直接作用于地下水，对研究区地下水水质造成了严重威胁[2]。为解决本区地下水资源面临的问题，有效遏制地下水水质的进一步恶化，必须掌握滹沱河冲洪积扇地区地下水水质变化的关键影响因素及影响方式。这对地下水污染防控工作的科学开展以及当地居民的安全供水具有现实意义。

地下水水质胁迫因素的研究开始于20世纪90年代。美国地调局开展第一轮国家水质计划(NAWQA)，致力于回答“人为活动与自然因素如何影响地表水和地下水”的问题[3]。同时期，张宗祜等人也提出应积极开展人类活动影响下地下水环境演化及发展的研究[4]，并进行了华北平原第四系地下水系统在自然因素叠加人为因素的条件下地下水演化规律及趋势预测研究[5]。随着对地下水污染问题的重视，越来越多的学者进行了深入研究。张光辉等应用数理统计相关分析方法分析了滹沱河流域平原区地下水流场异常变化与原因[6]；王金哲等选取7个影响地下水变化的变量指标，采用综合指数法和MAPGIS技术量化了人类活动对滹沱河浅层地下水干扰程度[7]；黄冠星等应用多元统计方法区分东莞地区地下水水质的天然与人为影响因素[8]；国外苏格兰、葡萄牙等一些学者利用累积频率曲线图、模糊聚类及多元统计等方法剔除地下水异常数据，研究人为与天然因素对地下水影响[9～10]。

地下水受到不同胁迫作用会在地下水水化学特征中反映出来，如何科学区分不同作用类型影响的地下水点对于地下水污染防控具有重大意义。本文尝试基于背景值进行劣质劣变水评估，并结合水文地质资料、土地利用类型以及地下水污染评价对评估结果进行可靠性验证。在此基础上，从多元统计学的角度出发，进一步归纳分析研究区地下水水质的主要胁迫作用及胁迫方式，为研究区地下水供水安全提供更加科学合理的依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省中南部滹沱河冲洪积扇中上部，行政区划包括石家庄市辖区、藁城区、正定县、无极县以及晋州市等县市。滹沱河是区内主要河流，为该区地下水重要补给源之一，发源于山西省繁峙县，经岗南、黄壁庄水库流入华北平原，横穿整个研究区。滹沱河冲洪积扇地区属温带半湿润、半干旱大陆季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。多年平均气温约13 ℃，年降水量450～750 mm，主要集中在6—9月。区内主要农作物有玉米、小麦、梨、枣、核桃等，农业集约化和产业化水平较高。畜牧业以饲养畜禽为主，畜类主要为马、牛、猪、羊等，禽类主要是鸡、鸭等，另有渔业生产。工业主要以纺织、医药、化工、机电、建材为主的综合工业体系，并向规模性、超大型经济发展。

研究区含水层属河北平原第四系巨厚多层型含水层系统，为山前倾斜平原水文地质区。区内包气带岩性主要为粉质黏土和粉土，自冲洪积扇顶部至中部逐渐变厚，滹沱河河漫滩一带地表多覆盖细砂。滹沱河冲洪积扇顶部地下水埋深较浅，含水层主要岩性为砾卵石、砂砾卵石，厚度约20～35 m，导水性和富水性好。冲洪积扇中部浅层地下水埋深约30～40 m，含水层厚度25～60 m，主要岩性为砂砾石、含砾粗砂、中砂，导水性和富水性较好。研究区浅层地下水补给来源主要有大气降水入渗补给、西部山区侧向径流补给、地表水入渗补给以及农田灌溉回归补给。其中大气降水入渗补给为本区地下水最主要的补给方式。区内地下水的排泄以人工开采为主，蒸发量微乎其微。自20世纪70年代以来，由于人类严重超采地下水及气候因素影响，地下水水位持续下降出现降落漏斗，局部地下水流向发生了改变，地下水总体流向为自西北向东南。研究区水文地质图见图1(a)。

图1 研究区水文地质图和采样点及潜在污染调查点分布Fig.1 Hydrogeological map of the study area and distribution of sampling points and potential pollution survey points

1.2 数据来源

基于太行山前松散含水层多元污染水质调查项目，2015年6—7月对滹沱河冲洪积扇1 200 km2典型含水层开展了1∶5万水文地质调查工作。调查发现，研究区工业潜在污染源主要分布在正定县及藁城区，包括制药、建材、化肥、化工等行业，养殖场、固体废弃物堆放场零星遍布研究区。滹沱河河道局部地段存在附近工厂废水通过暗渠排入的现象，此外，区内部分企业废水和生活污水也有通过旱井渗入地下的现象。2015年8月依据前期调查工作及《水文地质调查规范(1∶50 000)》(DZ/T0282—2015)[12]相关要求开展采样工作。样品由国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心进行测试。对采样数据经过深浅层筛选、碳酸平衡、电荷平衡等预处理后共获得231组浅层地下水数据用于本次研究。采样点及潜在污染源调查点分布见图1(b)。

1.3 劣质劣变评价

据中国地质调查局开展的全国地下水污染调查评价结果，我国地下水普遍具有高溶解性总固体、高硬度、高铁锰、高砷、高氟等特征。这其中既有本身为天然劣质水的情况，也有天然劣质水在人类活动影响下进一步劣变恶化的情况，还有些优质地下水在人类活动影响下劣变为劣质水。为了解研究区的水质状况以及劣质地下水的成因贡献，基于研究区地下水背景值及《地下水水质标准》(GB/T 14848—2017)[13]进行劣质、劣变水划分。

首先依据前期研究成果对不同地下水组分进行背景值建立[14～15]。其次定义天然劣质组分，所谓天然劣质组分是指背景值上限高于Ⅲ类饮用水标准、主要受天然地质环境影响的地下水组分。对于天然劣质组分，本文将组分浓度值符合地下水Ⅲ类饮用水标准的水样点划分为天然低背景水；将组分浓度值大于Ⅲ类水标准且小于背景值上限的水样点划分为天然高背景劣质水；在人类活动影响下天然劣质组分进一步发生劣变导致组分浓度值高于背景值上限的水样点划分为劣变水。

对于其他背景值上限未超过Ⅲ类饮用水标准的非天然劣质组分，将组分浓度值低于背景值上限的水样点划分为天然背景水；受人类活动影响，改变了地下水赋存状态或污染物质输入含水层引起水质恶化导致组分浓度值高于背景值上限的水样点划分为劣变水，且根据不同程度的人类活动影响，组分浓度值是否超过Ⅲ类水标准将劣变水划分为一级劣变水和二级劣变水，见表1。

表1 劣质劣变水评价分级表Table 1 Gradation method of inferior and deterioration water

1.4 因子分析

地下水化学特征可以反映其赋存环境的特点，当地下水赋存环境受到外界胁迫作用而改变时，这种改变也会在地下水化学特征中反映出来[16]。因子分析技术(FA)可以识别出那些地下水化学特征中反映出来的受不同人类活动影响控制或天然因素影响控制的数据组，把许多具有内在联系的水化学组分归纳为少数几个公共因子[17]。本文基于SPSS 19.0软件，利用主成分法提取特征值进行R型因子分析，并计算各采样点的因子得分，结合水文地质调查资料及劣质劣变水评价结果进一步分析研究区地下水水质的主要胁迫因素以及胁迫方式。

2 结果与讨论

2.1 背景值范围

依据研究区水文地质条件，将研究区分为滹沱河冲洪积扇顶部地下水单元和滹沱河冲洪积扇中部单元两个亚区，结合数理统计和水化学图法分区进行地下水主要组分、次要组分及微量组分的异常数据识别[14～15]。计算剩余数据累计频率得到研究区地下水背景值范围，并将累计频率95%对应浓度值作为背景值上限，按照《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)[13]对其进行单指标水质级别划分。以滹沱河冲洪积扇中部地下水单元为例，见表2。

表2 滹沱河冲洪积扇中部地下水单元无机组分背景值上限Table 2 Upper limited of the background value of inorganic components in the Hutuo River alluvial fan

注：pH指标无量纲；其余指标单位为mg·L-1

2.2 劣质劣变评价结果

结果显示，天然高背景劣质水主要分布于冲洪积扇中部藁城区周围、无极县南部区域，冲洪积扇顶部分布较少。高铁劣变水表示天然劣质水受人类活动的影响其组分浓度值持续升高发生了进一步劣变，主要分布于冲洪积扇顶部灵寿县、正定县一带，中部无极县及藁城等区域。

对其他非天然劣质组分进行综合评价显示，一级劣变水区分布面积最大，占整个研究区面积65.9%，表示研究区大部分地下水在人为因素影响下水质朝恶化方向发展。二级劣变水区表示地下水水质在较强人为影响下超出Ⅲ类饮用水标准的区域，占研究区面积15.7%，主要分布在灵寿县南部、藁城城区附近、以及无极县张段固镇、正定镇附近等人口密度较大区域。

2.3 评价结果验证

人类活动对地下水水质的影响方式大致可总结为两个方面：一是不合理的补排地下水改变了原有的地下水循环途径，水岩作用受到影响，致使地下水水化学特征发生改变。二是污染物的输入直接导致地下水污染。结合研究区人类活动要素及污染评价验证劣质劣变水评价结果的可靠性。

由于长期以来对区内地下水资源的过量开采，地下水水位持续下降出现降落漏斗，冲洪积扇顶部区域等水位线明显变密(图1a)。分析劣质劣变评价结果，等水位线密集，水力梯度较大区域均处于一级劣变水区，由于地下水超采使天然状态下的水盐均衡遭到破坏，一方面含水层被疏干，氧化还原环境发生变化，增强了一些矿物岩盐的溶解度；另一方面入渗途径的增长和降落漏斗的形成造成盐分的积累以及含水层变薄对离子稀释作用减弱。这些都导致地下水含盐水平的增加，使其水质朝恶化方向发展。

表3 污染评价分级表Table 3 Classification method of pollution assessment

注：C—指标浓度值/(mg·L-1)；NBL—背景值；GQS(Ⅲ)—地下水质量标准Ⅲ类限值；TDF—目标检出限

图3 污染评价综合分级图Fig.3 Comprehensive classification of pollution assessment

有机组分污染评价结果表明，主要检出的有机组分为卤代烃类，超标水样点较少，超标组分主要为三氯甲烷，检出有机物的水样点大多分布在二级劣变水区。无机组分中污染区和重污染区主要分布在灵寿县南部、无极县南部、藁城区滹沱河河道及正定镇附近区域，与非天然劣质组分二级劣变水区域吻合度较高，且疑似污染区和轻污染区的分布与一级劣变水区较好吻合。并结合水文地质调查资料(图2)分析发现，局部滹沱河河段已成为区内工业废水、生活垃圾的纳污场所，且河漫滩一带地表多为细砂，为污染物质的下渗提供天然优势。这也解释了二级劣变水区大多分布在滹沱河河道附近，同时也处于县镇等人口密度较大区域以及主要工业分布区域。

综上所述，一级劣变水区与地下水开采区以及代表输入型污染的疑似污染区、轻污染区较好吻合，二级劣变水区则与输入型污染的中污染区、重污染区较好吻合。因此初步分析一级劣变水的分布主要与地下水超采引起的水化学场改变有关，且污染物的直接输入也有一定贡献。而二级劣变水的分布主要受工业废水和垃圾渗滤液等点状污染物输入的影响。

2.4 外界胁迫作用分析

表4 旋转成份矩阵Table 4 Matrix of rotated factors loading

图4 因子F1、F2、F3得分分级图Fig.4 Factor F1、F2 and F3 score grading maps

图5 因子F1、F2、F3得分点各指标浓度箱型图Fig.5 Each index concentration box plot of factor F1、F2 and F3 with different score points

综上所述，F1代表水样点的含盐水平，主要受人类对地下水资源的过度开采影响，其次也受到工业及生活污水等污染物直接输入的影响。为研究区地下水水质最主要的胁迫作用。

综上所述，说明F2代表垃圾场渗滤液及农村生活污水等人类活动对地下水的点状污染输入。受天然的地质条件以及潜在污染源分布位置的影响。

主因子F3的贡献率为11.05%，其中Fe、Mn的因子载荷较大，与F3呈正相关。结合劣质劣变水评估结果，F3得分值大于0的点均分布于天然高背景劣质水区以及高Fe劣变水区(图4c)，主要集中在冲洪积扇中部单元。结合水文地质资料，研究区含水层黏土、亚砂土中含有一定的铁锰结核[22]，冲洪积扇顶部含水层主要岩性为砾卵石、砂砾卵石，径流条件好，在氧化环境中易形成难溶铁锰化合物，不易迁移。中部单元岩性变细，水力梯度变小易形成还原条件是导致Fe集中在中部单元的天然优势。其次F3得分高值点与高Fe劣变水区较好吻合，不仅表现为铁锰的超标，Cl-和耗氧量也呈增高趋势(图5f)。这主要与人为污染输入导致地下水氧化还原环境改变有关，污染物中有机质在微生物作用下分解产生二氧化碳和硫化氢等还原性物质，使高价铁锰氧化物还原成低价的铁锰易溶盐[23]，最终导致地下水中铁锰含量持续升高，甚至高于其背景值上限发生进一步劣变。另外过量开采地下水造成强氧化条件也是导致顶部单元铁锰含量较低的重要原因。

综上所述，F3代表水体中Fe、Mn共存的氧化还原环境。含水介质及土壤中的铁锰结核是研究区浅层地下水Fe、Mn来源的物质基础，其分布主要受水文地质条件、地下水超采以及污染物输入造成的氧化还原环境改变影响。

3 结论

(1)劣质劣变评价结果表明区内Fe属于天然劣质组分。天然高Fe劣质水的形成主要受地层中铁锰矿物、水文地质条件等天然因素控制，并在人为污染输入的影响下部分地区浓度值超过背景值上限出现了高Fe劣变水。

(2)非天然劣质组分评价结果显示，一级劣变水区面积占整个研究区的65.9%，二级劣变水区占15.7%。表明研究区大部分区域在人为活动影响下其地下水水质明显朝恶化方向发展，灵寿县南部、藁城城区附近等二级劣变水分布区地下水水质在较强人为影响下已超出Ⅲ类饮用水标准。评价结果与水文地质资料及污染评价结果有很好的一致性，证实劣质劣变评价可行可靠。

(3)结合因子分析结果，一级劣变水表示为人类活动影响下地下水主要组分浓度值的增高，其主要胁迫作用为人类活动对地下水资源的不合理开采。而二级劣变水的主要胁迫作用为工业和生活废水、垃圾场和养殖场渗滤液等人类活动对地下水的点状污染输入。