C市地下水水质及污染来源分析

刘姝媛，李云祯，，王 涛，高 程，于 茵

(1.四川省生态环境科学研究院，四川 成都 610041；2.西华师范大学 环境科学与工程学院，四川 南充 637002)

1 引言

地下水作为重要的生活、生产用水水源，在我国的经济社会生活中有着重要的作用。由于长期受到人类活动的影响，地下水水质有不断恶化的趋势，合理开发利用和保护地下水资源显得愈发重要。地下水水质的优劣不仅影响着社会经济的可持续发展，更关系到人体健康和水环境系统的稳定。因此，研究地下水水质特征及其污染影响因素，是确保水质安全，切实有效地进行地下水污染防控的必要手段。本文收集C市不同区域的地下水水质监测数据，通过相关分析、主成分分析等方法，研究该市地下水水质状况，分析潜在的污染影响因素，力求揭示该市地下水主要污染来源，保障地下水供水安全。

2 材料与研究方法

2.1 研究区概况

研究区是我国西部重要的特大城市C市，全市东西长192 km，南北宽166 km，总面积14335 km2，地势由西北向东南倾斜海拔大多在750～3000 m之间。该市降水丰沛，年均水资源总量为304.72亿m3，其中地下水31.58亿m3，过境水184.17亿m3，基本上能满足该市人民生活和生产建设用水的需要。该市大部分地区均覆盖有第四系松散堆积层，地下水类型主要为松散堆积砂砾卵石层孔隙潜水和侏罗—白垩系砂泥岩裂隙孔隙水。地下水的补给来源主要有降雨入渗补给和地下水侧向径流补给，河流、渠系、农灌也是重要补给。地下水的排泄主要以向区外侧向排泄、人工开采和施工降水为主。

2.2 数据来源

本次收集该市不同区域的地下水监测数据，选取的主要监测项目为酸碱度(pH值)、钾(K+)、钠(Na+)、钙(Ca2+)、镁(Mg2+)、硫酸盐(SO42-)、氯化物(Cl-)、氨氮(NH4+)、硝酸盐(NO3-)、亚硝酸盐(NO2-)、总溶解性固体(TDS)、总硬度、氟化物(F-)、铁(Fe2+)、锰(Mn2+)等15项水质指标。其中pH值采用玻璃电极法，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+采用原子吸收分光光度法，SO42-、Cl-、NO3-、F-采用离子色谱法，NH4+采用纳氏试剂分光光度法，NO2-采用分光光度法，TDS采用称量法，总硬度采用EDTA滴定法。

2.3 研究方法

利用EXCEL2010软件、SPSS22.0软件对水质监测数据进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 地下水水质指标统计特征

对地下水的15项水质指标进行统计分析，统计结果见表1。地下水的pH值范围在7.01～8.02之间，平均值为7.45，呈弱碱性，变异系数为3.98%。地下水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+浓度范围分别在0.557～47.9 mg/L、1.75～62.2 mg/L、0.491～153.0 mg/L、0.325～21.7 mg/L和0～0.513 mg/L之间，平均值分别为14.14 mg/L、33.27 mg/L、73.17 mg/L、8.45 mg/L和0.037 mg/L，Ca2+>Na+>K+>Mg2+>NH4+。地下水中SO42-、Cl-、F-、NO3-、NO2-浓度范围5.33～183.0 mg/L、6.0～65.1 mg/L、0.173～0.942 mg/L、0.765～13.3 mg/L和0～0.012 mg/L之间，平均值分别为91.11 mg/L、24.76 mg/L、0.629 mg/L、6.53 mg/L和0.004 mg/L， SO42->Cl->NO3->F->NO2-。地下水中Fe2+、Mn2+的浓度范围在0～0.4 mg/L和0～0.26 mg/L之间。地下水中的总硬度在236.0～448.0 mg/L，平均值为343.5 mg/L，低于饮用水限值(450 mg/L)。TDS 是水中溶解组分的总量，浓度在316.0～732.0 mg/L，平均值为505.45 mg/L，远低于地下水质量标准中的Ⅲ类标准1000 mg/L的限值。变异系数能在一定程度上定量反映出物质在空间尺度上的波动程度[1]。从表1可以看出，地下水pH值变异系数较小，空间异质性不明显。其余地下水水质指标的变异系数较大，空间异质性明显。以《地下水质量标准》( GB /T 14848-2017)Ⅲ类标准的指标限值为依据，判断各监测指标的超标情况，地下水中超标的水质指标有NH4+、Fe2+和Mn2+，超标率分别为5%、5%和15%。NH4+超标可能是地下水水质已受到工农业生产及生活污染排放的影响。

表1 地下水水质指标统计分析 mg/L(pH值无量纲)

3.2 地下水水质指标相关性分析

从表2中可以看出，K+、Ca2+、Cl-、TDS与SO42-之间，Ca2+、NO3-与K+之间，Ca2+与Cl-之间均有显著的相关关系。K+、Na+、Ca2+、Cl-、NO3-、总硬度与TDS相关性较高，表明地下水水化学成分受这些离子影响显著。NO3-与NO2-之间呈显著正相关关系，表明地下水中“三氮”的相互转化。NO3-与K+之间的显著相关关系，表明地下水的水质受到农业生产的影响。

3.3 地下水水质分析

3.3.1 地下水水质评价

地下水水质评价是根据国家制定的水质等级和标准限值将不同水质指标定量分析并划分类别的过程，可清楚的揭示水质的健康状况，为地下水资源的利用、规划和管理提供依据[2,3]。以《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)作为本次地下水水质的评价标准，内梅罗指数法是当前国内外计算综合污染最常用的方法之一，是一种突出最大污染因子作用的计权型多因子环境质量评价方法，它特别考虑了污染最严重的因子，同时还可以反映出污染因子对环境的综合作用，具有很好的适用性和优越性[3]，计算公式为：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：P为监测点位i的综合污染指数；Pi为地下水化学指标评分值(表3)；PiAve为监测点位i所有参评地下水化学指标评分值的算术平均值；PiMax为监测点位i的地下水化学指标评分值的最大值。通过P值判断地下水水质级别(表4)。

表2 主要水质指标相关关系

表3 地下水各单项化学指标不同等级评分值

表4 内梅罗综合评分值与水质级别

选取pH值、总硬度、TDS、NH4+、F-、NO3-、NO2-、SO42-、Cl-、Na+、Fe2+、Mn2+12个指标进行地下水质量评价(表5)。结果表明，本次评估的地下水水质整体较好，水质为优良和良好的比例总体达到80%。

表5 地下水内梅罗综合评分值统计

3.3.2 地下水水质主成分分析

主成分分析(PCA)是一种多元统计方法，在水质分析中，可以通过提取数据集中的主要成分，识别影响水质的重要指标，确定主要污染源类型及不同污染源的贡献程度[4]。在本研究中，共提取出3个主成分PC1、PC2和PC3，每个主成分的贡献率依次递减，累计方差贡献率为81.518%，可反映整体样本信息。由图1 可知，第一主成分PC1主要由pH值、TDS、NO3-、NO2-、SO42-、Cl-、Na+共7项水质指标组成，同时TDS与NO3-、SO42-、Cl-、Na+呈显著正相关关系，这些水质指标对PC1的贡献可以看作是地下水环境自然演化及水岩介质相互作用的结果，同时，也反映出区域内地下水水质受到了农业生产活动的影响。第二主成分PC2主要由总硬度、F-、Fe2+、Mn2+共4项水质指标组成，反映了研究区的原生地质条件。第三主成分PC3主要是由总硬度和NO2-这2项水质指标组成，可能主要受工业生产或生活因素的影响。

图1 地下水主成分旋转因子荷载

4 结论

(1)某市地下水水质指标除pH值以外，变异系数均较大，空间异质性明显。本次采集的水样超标的水质指标有NH4+、Fe2+和Mn2+，超标率分别为5%、5%和15%。NH4+超标可能是地下水水质已受到工农业生产及生活污染排放的影响。本次评估的地下水水质整体较好，水质为优良和良好的比例总体达到80%。

(2)各指标间的相关性分析结果表明，NO3-与NO2-呈正相关，体现出“三氮”间相互转化关系；NO3-与K+呈显著正相关关系，表明地下水的水质受到农业生产的影响。

(3)主成分分析结果表明，地下水水质是原生地质条件、工业生产、农业活动和日常生活等多种影响因素共同作用下的结果。