青島西海岸新區地下水水化學特征及水質評價

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(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.青島地礦巖土工程有限公司，山東 青島 266100；3.青島地質工程勘察院，山東 青島 266100)

地下水是我國重要的供水水源，是支撐我國經濟社會和諧快速發展的重要戰略資源，對維持社會經濟的快速發展和維系良好的生態環境具有不可替代的作用[1-3]。地下水水質的好壞直接關系到當地居民的飲水安全和健康問題，影響社會的穩定和發展[4]。地下水化學組分的含量與分布特征受多種因素影響和控制，如：大氣降水、氣候、地形地貌、海拔、巖石風化以及人為因素等等，而且地下水還與周圍的環境發生各種復雜的水文地球化學作用[5-7]。因此，開展區域地下水水化學特征以及水質評價研究，對地下水資源的合理開發利用和生態環境的保護與建設具有重要實際意義。目前，有關青島市地下水水化學及水質的研究較多，如：李艷梅等[8]分析了青島市水質狀況，并進行了評價及污染趨勢研究；劉建霞等[9]對青島大沽河水源地地下水水質進行了數值模型預測；董少杰等[10〗對青島市18處地下水源地水質進行評價并分析了污染原因；劉貫群等[11]基于多種方法分析了青島大沽河平原區地下水硝酸鹽污染來源；方運海等[12]基于模糊綜合與可變模糊集耦合對青島大沽河水源地的地下水質量評價；尹子悅等[13]分析了青島市大沽河流域地下水水化學時空演化及影響因素。然而，針對青島西海岸新區地下水水化學特征以及水質評價的研究相對較少，如胡浩等[14]對青島西海岸地下水特征進行了分析，得出水質整體較差，但限于膠州灣地區；付佳妮等[15]對青島市黃島區潮河水源地地下水進行了數值模擬，表明地下水位降低在不同程度上影響周圍村民生活和農業生產，但缺少水質系統研究。因此，本研究利用青島西海岸新區2017年35處地下水水質監測資料，綜合運用數理統計、水化學方法、模糊綜合評價法以及因子分析對地下水水化學特征和水質進行綜合評價，并進行污染源解析，以期為該區地下水資源的合理開發與可持續利用提供一定的科學依據。

1 研究區概況

青島西海岸新區位于青島市膠州灣西岸(圖1)，地理坐標：北緯35°35′～36°08′，東經119°30′～120°18′，地處京津冀和長三角兩大都市圈之間，是山東半島藍色經濟區的核心地帶，區位優越，交通便捷。研究區屬溫帶季風氣候區，南臨黃海，空氣濕潤，氣候溫和，雨量較多，四季分明。年平均氣溫12.9 ℃，年平均降雨量755.13 mm(1991—2017年)。研究區屬東南沿海水系，均為季節性河流。因境內山水相連，形成了源短流急，單獨直接入海的特點。較大的河流有曹汶-島耳河、王戈莊河、白馬-吉利河、兩城河、辛安河、南辛安河、鐮灣河、獨垛子西河等。

研究區屬濱海低山丘陵區，境內山巒起伏，溝壑縱橫。地貌類型分為：低山區、丘陵區、山間平原區和微傾斜低平原區。地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和基巖裂隙水四種類型。地下水的賦存條件和分布與地層巖性、地形地貌、地質構造等因素密切相關。研究區屬魯東低山丘陵水文地質大區，膠南-嶗山中低山丘陵水文地質亞區。山體主要為不同時期巖漿侵入形成的花崗巖及少量變質巖、沉積巖組成，巖石致密堅硬，賦存風化、構造裂隙水；地下水主要受大氣降水補給，因所處地勢高，地形坡降大，補給源貧乏，地下水賦存條件差，富水性弱。低山丘陵前緣的侵蝕剝蝕臺地地區，地形坡度較緩，沖溝及基巖裂隙發育，表層不連續地覆蓋著0～3 m厚度不等的第四系松散堆積物；地下水除接受大氣降水補給外，還接受低山丘陵區基巖裂隙水補給，其賦存條件及補給源均比前者優越，富水性較前者好。在山間河谷及濱海地帶，廣泛分布著第四系松散堆積物，地形平坦、坡降小，主要巖性由粘質砂土、砂質粘土、砂、砂礫石、卵礫石組成，賦存孔隙水。河谷上游地段，含水層顆粒粗，含水層巖性為粗砂礫石；賦存條件好，但堆積物厚度較小，富水性弱；河流中游以及河流匯合地帶，地形坡度變緩，第四系沉積厚度增大，富水性中等。河谷下游即山前地帶地形平坦、第四系厚度大、分布廣，顆粒變細，分選性好，賦存條件好，富水性強。

圖1 研究區位置及取樣點分布圖

2 材料與方法

2.1 數據來源

2.2 樣品分析

2.3 數據處理

運用SPSS21.0軟件進行統計分析，用最大值(Max)、最小值(Min)、平均值(Mean)、標準偏差(SD)、變異系數(Cv)和箱線圖描述地下水主要化學組分的基本統計特征；采用AqQA軟件作Piper三線圖、Gibbs模型圖解探討地下水水化學的主要控制因素；運用內梅羅指數法和模糊綜合評價法對地下水水質進行評價，基于多元統計-因子分析法(factor analysis，FA)進行污染源解析。并運用MAPGIS6.7、Origin2017、Photoshop等軟件進行圖件繪制。

3 結果與討論

3.1 地下水水化學特征

3.1.1 地下水主要化學組分統計特征

表1 地下水主要化學組分統計特征

研究區地下水水樣pH值范圍為6.30～8.15，均值為7.22，整體上呈弱堿性。TDS含量100.20～1 498.60 mg/L，均值421.40 mg/L。水樣總硬度(TH)為57.66～850.14 mg/L，平均值248.23 mg/L。按硬度分類[15-16]：75～150 mg/L為軟水，150～300 mg/L為中硬水，300～450 mg/L為硬水，青島西海岸新區地下水為中硬水。pH變異系數較小，說明其在地下水中十分穩定，而NO3ˉ的變異系數較大，說明其在地下水中含量不穩定，這可能與人類活動有關。

圖2 地下水主要離子濃度箱圖

圖3 地下水Piper三線圖

3.1.2 地下水水化學類型

3.1.3 地下水水化學控制因素

3.2 地下水質量評價

圖4 地下水水化學Gibbs圖

類別ⅠⅡⅢⅣⅤFi013610

表3 地下水質量分級表

3.2.1 內梅羅指數法

內梅羅指數法[20]，先進行各單項組分評價，劃分組分質量類別確定單項組分評價分值(表2)，然后計算綜合評分值，最后劃分地下水質量級別(表3)。其方法如下：

(1)

(2)

3.2.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法基本思路為：建立地下水質量綜合判別隸屬度集，確定評價集，建立隸屬函數。首先建立隸屬函數，其方法如下：

1級水的隸屬函數，即j=1：

2級至第(m-1)級，即j=2，3，…(m-1)：

(4)

m級，即j=m：

其中：Xi是第i中水質污染因子的實測值；Sij是第i種因子第j級水的標準值。

各因子地下水質量的隸屬度可組成模糊矩陣R：

(6)

權重因子的確定：

(7)

其中：Wi是第i種污染物的權重因子；Ci是第i種污染因子的實測值；Si是第i種污染物標準值的平均值。

最后，得出地下水質量綜合判別模型：D=W·R。

3.2.3 評價結果

1) 水質評價結果

內梅羅指數法評價結果見表4，地下水水樣水質良好的有8個，而較差及其以下有27個，約占77%；由模糊綜合評價結果(表4)可知，研究區地下水水樣中質量達到Ⅲ級及以上的共有13個，其中水質為Ⅰ級的有7#、19#、30#、33#，評價結果為Ⅴ級的共有22個，約占63%。研究區東北膠州灣附近的2#和9#Cl-含量較高，這可能與海水入侵有關。

2) 評價結果分析

內梅羅指數法突出了主要污染因子對水質評價結果的影響，評價結果對水質變化的靈敏度較低。模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法。模糊綜合評價充分考慮了地下水水質分級界限的模糊性，數據具有連續性，并且計算了每種污染因子對各級標準的隸屬程度，評價結果更接近實際[19]。

基于模糊綜合評價法，對地下水水質進行分區，如圖5所示，總的來看，研究區地下水水質較差，這與胡浩[14]等研究結果較一致。在城市的快速發展中，應該科學、合理地開發和利用地下水資源。加強對研究區內各類工礦企業、養殖業和生活排污的監管，控制地下水污染源，提高污水處理效率，改善地下水水質；完善地下水環境監督管理，加強對地下水動態監測，從而實現地下水資源的可持續利用。

表4 地下水質量評價結果

圖5 地下水水質綜合評價圖

3.3 地下水污染源解析

多元統計是用于提取復雜數據中有用信息的有效方法，在地下水污染源解析的應用研究中已得到廣泛應用[21-23]。其方法是運用數學方法對地下水數據進行降維，提取地下水數據基本結構的代表性因子，來解釋污染物的污染源情況[22]。本次研究選取地下水水質評價的14項影響因子，基于多元統計——因子分析法[21-23]，借助SPSS 21.0軟件，對地下水進行污染源解析，以期為研究區地下水的合理開發和利用、科學保護與管理提供一定的參考。

因子分析具體數學模型如下：

X=AF+E,A=(aij)n×m，

(8)

即：

(9)

其中：Xn表示各地下水水質指標，Fm表示公因子分類，aij表示水質指標隸屬于公因子分類系數，εn表示特殊因子。

在進行因子分析之前，為消除各指標間的尺度范圍差異，首先需要將數據進行歸一化處理，公式如下：

(10)

其中，Ri為指標i歸一化處理后的結果，Fi為指標i的檢測指標，Fimax為指標i的最大值，Fimin為指標i的最小值。

對數據進行標準化處理后，采用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)檢驗和Bartlett球形檢驗，來檢驗地下水數據是否適合因子分析。KMO測度為0.594，Bartlett檢驗具有顯著性，可知適合進行因子分析(表5)。

表5 KMO 和 Bartlett 檢驗結果

表6 旋轉成分矩陣

通過SPSS軟件計算各水質監測點的公因子得分，運用SURFER進行Kriging插值并結合MAPGIS軟件繪制研究區因子得分等值線圖，如圖6所示。因子得分越高表明所受污染越嚴重。

圖6 因子得分等值線圖

4 結論

2) 地下水水化學類型主要為HCO3·SO4·Cl-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca、HCO3-Na·Ca型。地下水水化學組分主要受大氣降水和蒸發結晶作用影響微弱，水巖作用為主要的控制因素。

3) 基于內梅羅指數法和模糊綜合評價法分析，認為研究區地下水水質整體較差。在城市的快速發展中，應科學、合理地利用和開發地下水資源，控制污染源，提高污水處理效率，加強對地下水動態監測。

4) 基于因子分析法，共提取4個主因子，累積方差貢獻率73.747%。公因子F1解析為來自農業生產活動，F2主要與地質因素有關，F3表征為生活污水排放，F4代表工業生產活動。4個主因子方差貢獻率分別為：35.697%、15.148%、12.131%和10.771%。