安徽省马鞍山市浅层地下水化学特征及影响因素*

吴世雄 董长春 孙亚婕 赵卫东 马 雷

（1.安徽省地质矿产勘查局322地质队；2.中国地质调查局南京地质调查中心；3.合肥工业大学资源与环境工程学院）

马鞍山市在工矿企业较集中、人口稠密地区的地下水受工业三废、农药、化肥等影响，造成了严重污染。此外，包括马鞍山市在内的整个皖江城市带地下水总体形势较为严峻［1］。

近年来，众多学者在马鞍山市开展了大量地下水研究工作，主要集中在地下水的资源分布［2］、地下水监测等方面。曹阳、李连香等［3-4］利用主成分分析、因子分析和系统聚类等方法，对皖北、金积水源地下水水质影响因素进行评价。部分学者采用单因子评价及内梅罗指数、因子分析等方法对地下水水质及水化学参数相关性等进行了研究［5-6］。

综上所述，马鞍山市局部地下水污染较为严重，并且浅表层地下水的水化学特征及其影响因素尚未查清。为此，综合运用地下水主要成分分析等手段，阐明马鞍山市浅层地下水化学特征的主要影响因素，为马鞍山市地下水资源开发利用提供参考依据。

1 研究区概况

1.1 自然概况

马鞍山市位于安徽省东部，位于长江下游长三角区，地处东经117°53～118°52′、北纬31°24～32°02′，长江东西贯穿该市。本研究区范围特指2011 年8 月22 日马鞍山市行政区划变动之前的原马鞍山市范围，包含雨山区、花山区、博望区和当涂县。马鞍山对外交通十分便利，区位优势明显。

1.2 区域地质与水文地质概况

马鞍山区域为丘陵平原区，长江自西南向东北纵贯全区。长江西侧丘陵呈条带状，北东向展布，一般海拔在250～300 m。长江东侧丘陵与平原犬牙交错，山势较平缓，一般海拔高度在150～250 m。丘陵以外为黄土质黏性土组成的阶地，其余为长江及各支流冲积平原、河湖平原。平原平均高程在10 m 以下，向长江微有倾斜。滁河、秦淮河平原分别在研究区西北，标高在10～20 m。丹阳湖以西的低平原标高为5～7 m。

研究区松散岩类孔隙水的砂层厚度和含水层组富水性自长江沿岸及主要支流河谷漫滩地带向二、三级阶地上逐步减小。碎屑岩裂隙水赋存于早第三世、白垩纪、中早侏罗世、中三叠世、泥盆世和志留世等地层。岩性为一套陆相及浅海相的砾岩、页岩。裂隙一般不发育，富水性较弱，红层更差。泉水多为季节性溢出，流量小于0.05 L/s，单井涌水量多小于1 m3/h。孔隙水以大气降水补给为主，下游为河床侧渗，以地表蒸发和植物蒸腾为主，农村分散开采，横向补充河道。目前，该地区的地下水流向从南到北分别向长江地区流动，最后在长江地区结束。

2 数据来源与研究方法

2.1 样品采集与测试

本次马鞍山市地下水污染调查研究覆盖马鞍山长江南岸全境，共完成马鞍山市1∶5万地下水污染调查 350 km2，1∶25 万地下水污染调查 1 100 km2，共采集地下水及地表水样品90 组，土壤样品30 组。水文地质钻探进尺100 m。

2.2 数据分析方法

地下水的化学成分在长期的地质历史时期过程中，通过溶滤、交替吸附、混合等一系列极为复杂的物理、化学和生物化学的组合作用生成，它受自然地理条件、地质、水文、生物及人为等诸多因素制约。本研究使用了马鞍山市范围内的60组潜水样的化学指标测试结果，采用舒卡列夫分类方法，对其进行了分类，综合利用主成分分析和聚类分析等方法揭示马鞍山浅层地下水水化学类型的分布特征及其影响因素。

3 结果分析与讨论

3.1 水化学特征

通过对马鞍山市60组潜水样的水化学指标进行统计（表1），可以看出，除了pH 值以外，其他各项指标均存在着很大变异，这表明该研究区离子浓度存在着很大的空间分布；特别是Mn、Fe、Al、NH4+、浊度、Zn、F-、NO2-、NO3-、K+的变异系数均大于120%，反映了这些离子存在较强的空间变异性。HCO3-、Cl-、SO42-、Na+和Ca2+含量平均水平和标准差均比较大。结果表明：马鞍山地区浅层地下水中存在大量的上述离子，它们决定着地下水的水化学类型，是地下水中的主要离子组分。

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根据地下水质量标准（GBT 14848—2017），对区内浅层地下水中的主要离子含量进行地下水质量评价。评价结果表明，在超III 类水中，主要以IV 类水为主，主要超标指标为锰、砷、硝酸盐、硫酸盐、总硬度和TDS等。锰指标的Ⅳ类水较多，硝酸盐指标的V类水较多。IV、V 类水主要集中分布在2 个区域，分别位于马鞍山市区与向山镇一带和护河、塘南、大拢一带。V类水主要分布在霍里镇、护河镇镇区和塘南镇区附近。其余大部分地区为III类水分布区。在潜水中锰的分布范围中（图1（a）），大部分地区水质较好，尤以马鞍山东部护河镇以东，包括博望、丹阳、新市、薛津一带水质为佳，基本为一类水。IV 类水集中分布在市区西部沿江地带和当涂东南部马桥、黄池、乌溪一带。向山镇东南部南山矿区范围出现V类水。其他地区为III类水分布区。

在潜水中砷的分布范围中（图1（b）），大部分地区砷未超III 类标准，砷的检出浓度呈现北低南高的规律。I 类水主要分布在采石河以北，III 类水则分布在姑溪河南侧一带。IV、V 类水主要出现在新桥镇、马桥镇周边和乌溪镇及其东部等局部地区。

从浅层地下水中硝酸盐的水质超标情况看，硝酸盐超III类水分布较广，IV类和V类水较多。其中，东北部及沿江地带及向山、佳山一带多为IV 类水，市区及慈湖镇一带V类水居多。此外，护河镇、新丰乡、大拢乡沿河地区，IV、V类水分布较多。I、II类水主要分布在新市、博望一带及当涂—太白—石桥—塘南一线以南的广大地区，其他地区基本以III类水为主。

硫酸盐主要的IV、V 类水集中分布区为向山镇、霍里镇和慈湖镇。基本上为沿慈湖河矿区源头向下游沿河分布，具有明显的规律性。其他地区基本无超III 类现象，大多为I～III 类水。这种分布特征具有明显的污染特点，与矿区含硫铁矿开采和分选过程较为相关。

TDS 和总硬度是评价地下水质量优劣的重要指标，其水质评价结果表明，在马鞍山市区范围内TDS指标以Ⅳ类水为主，是马鞍山市超Ⅲ类水的主要分布区，其他如护河镇、塘南镇部分地区则小范围分布。东北部博望、新市一带和西南新桥、龙山、查湾、石桥一带是Ⅰ、Ⅱ类水分布区，约占全区面积1/3。其他大部分地区为Ⅲ类水，全区无Ⅴ类水。马鞍山市潜水中总硬度超Ⅲ类的水比例较高，其中，Ⅰ、Ⅱ类水主要分布在博望、新市镇及周边地区以及以太白镇为中心的龙山以东、查湾以北、石桥以东区域。IV、V 类水集中分布在2 个区域。其一分布在马鞍山市区及向山镇一带，其二分布在护河、塘南、大拢一带。V类水分布在霍里镇、护河镇镇区和塘南镇区附近。其余大部分地区为Ⅲ类水分布区。

3.2 水化学类型

对马鞍山市60 组潜水样按舒卡列夫分类法进行分类，结果见表1。该区潜水共有20 种水化学类型，以 HCO3-Ca·Mg 型水和 HCO3·SO4-Na·Ca 型水（占比均为17.5%）、HCO3-Na·Ca 型水和HCO3·SO4-Ca·Mg（占比均为10.0%）为主，其他类型的水占比均小于7.0%。

3.3 水化学控制过程

按照《地下水质量标准》（GB 14848—2017）中地下水水质评价指标，选取19项常规无机化学指标，利用SPSS19.0软件对样品的19种无机指标进行描述性统计分析、主成分分析和聚类分析，可以科学地对指标进行筛选，消除冗余。

地下水的质量变化与人类的生产和生活息息相关，随着人类活动的加剧，地下水质量指数的离散度和波动性也就越来越显著。为此，对研究区所选取的地下水水质指标进行数理统计（表1），第1 类影响因子 Mn、Fe、Al、NH4+、Zn、F-、NO2-其相对极差为11.89～39.62，变异系数为127.25～457.06，显示了最大的离散度和最大的波动性，说明这些指标受到人为影响程度最大，也就是第1 类影响因子对人类活动的影响最为敏感。第2 类影响因子NO3-、耗氧量、Cl-、SO42-、Na+、总硬度和TDS 的相对极差为 1 050.15～1 618.00，变异系数为51.35～53.63，数据的离散程度较低，波动性较小，表明第2 类影响因子对人类活动的影响较敏感。

为避免数据冗余，采用主成分和聚类方法，对研究区77 个浅层地下水中14 项人工影响较大的水化学指标进行了系统聚类分析。用欧式距离法计算试样之间的间距，评价标准参照《地下水质量标准GB 14848—2017》。对研究区地下水化学指标的进行主成分分析，获得地下水化学指标的主成份得分系数矩阵，并进行水化学指标聚类分析。分析发现，5 个主成分特征值均在1 以上，累计方差贡献率为78.045%。其中，在第一主成分中，Cl、SO4-、总硬度、TDS、Na+的因子载荷都比较高；在第二主成分中，Fe和Al 载荷较高；在第三主成分中，Mn 和耗氧量的载荷较高；在第四主成分中，具有较高载荷的指标是F-；在第五主成分中，NO2-的载荷较高。

在距离为20 的情况下，聚类分析将所选指标分为 5 类：Cl-、总硬度、SO4-、NO3-、TDS、Na+为一类，Fe、Zn 和 Al 为一类，Mn、耗氧量和 NH4+为一类，F-为一类，NO2-为一类。这一结果与主成分分析结果中的5个主成分中的主要荷载完全一致。

3.4 地下水化学特征的主要影响因素

对马鞍山市孔隙潜水的V 类水水质指标及其样本个数进行统计，结果表明，硝酸盐是Ⅴ类水贡献度最大的影响因子，其余指标按照影响因子贡献大小依次为总硬度、砷、硫酸盐、氯化物、铝、碘化物。对比前述潜水质量综合评价V类水的分布特征，可以得出以下结论：马鞍山南部的长江及各支流冲积平原、河湖平原地带的V类水主要受到了硝酸盐、总硬度和砷的影响，其中硝酸盐含量较高代表了该区域农业养殖活动的影响，总硬度和砷含量较高指示了该区域地下水水动力条件较弱，地下水主要排泄方式为蒸发排泄。马鞍山北部采矿区、矿业冶炼等矿业活动密集的地区的V类水主要是受到硫酸盐的影响，指示了人类的矿业开采活动已经较大程度影响到了马鞍山地区的地下水质量。

对马鞍山市孔隙潜水的Ⅳ类水水质指标及其样本个数的统计结果表明，总硬度为Ⅳ类水贡献度最大的影响因子，其余指标按照贡献度由大到小依次为铝、硝酸盐、锰、砷、铵氮、氯化物、碘化物、耗氧量。总硬度是Ⅳ类水贡献度最大的因子，Ⅳ类水主要分布在马鞍山南部的长江及各支流冲积平原、河湖平原地带，水动力条件弱，地下水以蒸发排泄为主。锰、砷等重金属指标对Ⅳ类水有一定的贡献，锰含量高可能是天然背景值较高导致的，砷的出现可能指示地下水受到了矿山开采、冶炼、养殖等人为活动的影响。

马鞍山市目前已探明的铁矿储量超过16 亿t，是马鞍山市的支柱工业。因此，专门开展针对马鞍山典型的凹山矿区的地下水污染调查评价。南山矿是凹山矿区最具代表性的矿场之一，居于众矿山占地面积最大、扩张速度最快。该矿区现有大型尾矿库2座，大型排土场2 座，总规模达5.733 km2。矿山的开采是引发区内各类地质灾害主要诱因。

为了进一步阐明影响马鞍山市孔隙潜水水质的主要因素，制作出马鞍山市地下水超标水质样本点的空间分布及地下水流向图（图2）。从该图中可以看出，TDS为Ⅴ类水的区域（粉红色填充区域）主要分布在西北与东南方向，在凹山矿区附近尤为明显，污染最严重（在1、15、11号样本点附近区域）。此外，锰污染区域也在该矿附近分布，表明矿山开采是造成该区域锰污染的重要因素。护河、塘南、大拢一带存在小范围的污染分布，污染情况相对严重（在2、13、16、3、12、14 号样本点附近区域）。相对而言，博望、新市镇及周边地区以及以太白镇为中心的龙山以东、查湾以北、石桥以东区域地下水水质相对较好。综上所述，马鞍山市的矿石开采改变了原有的地下水流系统，导致矿井排水成为地下水排泄的主要方式，进而改变了地下水化学类型。随着地下水的运移，含水层中易溶盐不断被溶解，总硬度含量不断升高。尾砂矿和废渣等在雨水的淋滤下也会导致潜水中亚硝酸盐含量升高。同时，矿区内人类活动产生的生活垃圾、粪便、生活废水任意排放渗入地下水也是总硬度、pH、亚硝酸盐3 个指标呈现升高趋势的主要原因。

综上所述，以凹山矿区等为代表的马鞍山市的矿山开采活动是造成马鞍山孔隙潜水的硫酸盐、硝酸盐、锰等污染的重要影响因素，应针对矿区的矿业活动密集、潜在污染源较多且防污性能较差的特征，采取相应的措施，控制与矿业开采或冶炼相关的企业的“三废”排放。建议马鞍山市加强主要矿区的污染源治理，采用新技术、新工艺减少排污量，改进排放方式，切断污染源。

4 结 论

（1）马鞍山市浅层地下水的化学类型主要为HCO3-Ca 型和 HCO3-Na 型水。Mn、Fe、F-、NH4+、浊度、NO3-、Al、Zn、K+、NO2-等离子存在较强空间变异性。SO42-、HCO3-、Cl-、Ca2+和 Na+含量较大，是地下水主要离子组分，决定地下水化学类型。

（2）对区内浅层地下水中的成分指标进行主成分分析和聚类分析的结果表明，第一主成分主要包含SO42-、Cl、TDS、总硬度、Na+因子；第二主成分主要包含Fe和Al因子；第三主成分主要包含Mn和耗氧量因子；第四主成分主要包含F-因子；第五主成分主要包含NO2-因子。筛选出第一～第五主成分中因子载荷最大的指标，得到5个人类活动影响指标：TDS、F-、Fe、Mn、NO2-，其中，F-、NO2-、Mn、Fe容易受人为活动，特别是人类采矿活动的影响，TDS较易受人为活动影响。

（3）马鞍山市部分地区的潜水受到较为严重的污染，V 类水主要分布在沿长江及各支流冲积平原、河湖平原地带及马鞍山市北部矿区。长江及各支流冲积平原地区的V类水的主要污染因子是硝酸盐、总硬度和砷，其中硝酸盐含量较高代表了该区域水产养殖活动的影响。矿区V 类水的主要污染因子是硫酸盐，主要受到马鞍山市矿业活动的影响。在马鞍山市主要矿区附近，基岩裂隙发育，包气带的防污性能差，且矿业活动密集，存在潜在的地下水污染源。