山西省忻州盆地地下水污染特征研究

文_李鵬強 山西省煤炭地質資源環(huán)境調查院

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

此次研究數(shù)據(jù)來源于2019年忻州市地下水動態(tài)監(jiān)測工程，由于人口和工農業(yè)主要分布在盆地區(qū)，所以選擇監(jiān)測井的原則是盡量覆蓋盆地區(qū)，然后選擇了17口符合要求的淺層監(jiān)測井的水質數(shù)據(jù)進行分析，各監(jiān)測井井深均小于120m。本次研究中的水質檢測指標共22項，包括pH、溶解性總固體（TDS）、總硬度、懸浮物、氨氮、鐵、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物、氰化物、揮發(fā)酚、汞、砷、六價鉻、銅、鉛、鋅、錳、鎘、高錳酸鹽指數(shù)。

1.2 研究方法

對水質的分析采用多元統(tǒng)計方法，包括主成分分析、聚類分析和相關分析。主成分分析用于提取水質主要影響指標；聚類分析是根據(jù)主成分分析提取出的指標，計算17口監(jiān)測井的水質相似程度，進而對監(jiān)測井進行分類；相關分析是通過計算指標之間的關聯(lián)度，以識別各指標在水質演化過程中的聯(lián)系。通過多元統(tǒng)計分析結果，并結合水文地球化學理論來探討不同聚類地下水污染的特征因子及來源，進而對水質分布區(qū)域進行劃分。

主成分分析是通過線性變換將多個變量簡化為少數(shù)幾個變量的一種方法，該方法可以識別水質指標中的信息重疊，從而減少不必要的信息干擾，在篩選水質指標方面應用很多；聚類分析是根據(jù)類之間的相關性，將相似度最高的因子結合為一類，并且不斷反復，直到所有分類聚合成一類；相關分析是通過變量間的相關性計算，研究變量間關聯(lián)方向及關聯(lián)度的一種方法。

2 多元統(tǒng)計分析結果

2.1 主成分分析結果

從檢測后的水質結果來看，淺層地下水中懸浮物未見異常，氨氮、鐵、氰化物、揮發(fā)酚、汞、銅、鋅、鎘8項指標均低于檢出限，對水質的影響可忽略。因此，選取剩下的13項指標進行主成分分析，得到相應的成分矩陣，見表1。

表1 成分矩陣

由表1可看出，共提取出4個主成分，成分1主要與TDS、硫酸鹽、總硬度、氯化物、硝酸鹽、氟化物六項指標相關，總方差達到41.234%；成分2主要與錳、六價鉻相關，總方差為21.293%；成分3和成分4分別與亞硝酸鹽和高錳酸鹽指數(shù)相關，總方差分別為11.456%、10.248%。4個主成分累計方差為84.231%。

2.2 聚類分析結果

利用主成分分析方法篩選出的10項主要水質指標，可以構建出表征研究區(qū)地下水水質的17×10水質矩陣，然后進行聚類分析。由于事先不確定分成幾類，所以選擇系統(tǒng)聚類中的個案聚類對研究區(qū)水質監(jiān)測井進行分類，研究區(qū)中的監(jiān)測井被明顯劃分為兩個聚類。第一聚類超標情況比較復雜，有TDS、總硬度、氯化物、硝酸鹽、氟化物等超標項；第二聚類主要以硝酸鹽氮超標為特征。

2.3 相關性分析結果

為了更進一步探尋兩種聚類地下水水質形成原因，這里采用雙變量相關分析方法對系統(tǒng)聚類分析中的10項水質指標進行相關性分析，得到各水質指標的pearson相關系數(shù)，見表2。

表2 水質指標Pearson相關系數(shù)

從表2中的數(shù)據(jù)可知，TDS與總硬度呈極顯著正相關（p＜0.01），且二者與氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽呈極顯著正相關（p＜0.01）；另外TDS與氟化物呈極顯著正相關（p＜0.01），而與亞硝酸鹽呈顯著相關（p＜0.05），而總硬度則與TDS相反。除此之外，六價鉻與錳呈極顯著正相關（p＜0.01）。

3 污染物來源分析

結合相關分析結果，由于TDS和總硬度兩項指標與氯化物、硝酸鹽、氟化物等指標相關性很強，可以看出第一聚類雖然超標項復雜，但以TDS和總硬度超標為特征。而由聚類結果，第二聚類主要以硝酸鹽氮超標為特征。另外，氟化物超標僅出現(xiàn)在4口監(jiān)測井中（最大超標倍數(shù)1.52倍），并且都集中在忻府區(qū)及定襄南部地區(qū)，主要由于當?shù)靥厥獾牡刭|構造等因素造成。下文將結合水文地球化學基本理論以及相關分析結果重點對TDS、總硬度和硝酸鹽氮的超標原因進行分析。

3.1 TDS和總硬度

TDS和總硬度超標主要出現(xiàn)在XG21和XG36-1兩處，二者呈極顯著正相關關系（p＜0.01），其濃度的增加主要受人類活動的影響，一般由于地表污染物淋濾入滲以及污水入滲引起。

兩口井位于定襄縣南部及東部附近，根據(jù)調查資料，近年來定襄周邊各村經濟增長迅速，鍛造加工業(yè)發(fā)達，特征污染物廢砂數(shù)量激增，并且由于鍛造加工業(yè)發(fā)展迅猛，務工人口數(shù)量也不斷增長，這些因素導致進入地下水中的污染物數(shù)量增加。表2顯示出TDS和總硬度二者與氯離子呈極顯著正相關關系，一般氯離子含量增加是人為輸入的結果，氯離子遷移性很強且性質穩(wěn)定，在下滲過程中很少因吸附或者化學反應而導致其質量減少，所以地下水中氯離子濃度變化常被作為評價地表污染物影響地下水水質的重要指標。由此推斷研究區(qū)中TDS和總硬度升高的重要原因是地表污染物淋濾入滲。此外，TDS和總硬度與硝酸鹽呈極顯著正相關系，也有學者通過室內土柱試驗證實了氮素轉化遷移過程會影響地下水酸堿性條件，從而促進鈣鎂礦物從土壤中溶解或者通過置換反應進入地下水，導致地下水TDS和總硬度增加，由此推斷兩口井TDS和總硬度增加與硝酸鹽污染也存在聯(lián)系。

3.2 硝酸鹽氮

硝酸鹽氮是地下水中氮污染的主要形式，同時也是地下水中最普遍、污染面積最大的污染因子，其來源主要是人為來源，包括化學肥料、農家肥、生活污水及生活垃圾等，一般農業(yè)區(qū)中化肥或者農家肥是地下水的重要硝酸鹽氮污染源，而城市地區(qū)硝酸鹽氮污染源則主要是生活污水和生活垃圾。本研究第二聚類中的15口監(jiān)測井覆蓋了盆地區(qū)絕大部分范圍，其中有11口井出現(xiàn)了硝酸鹽氮超標情況，說明硝酸鹽氮污染在盆地區(qū)比較普遍。從監(jiān)測井分布的區(qū)域來看，這些井全部位于城市周邊農村，并且忻州屬于以農業(yè)為主的經濟體系，農業(yè)用地占全市土地面積的80%以上，據(jù)此可推知硝酸鹽氮超標與氮肥的使用有較大關系。另外，村民生活污水和生活垃圾也會對地下水硝酸鹽氮超標有一定影響。

4 結語

鑒于忻州盆地當前的產業(yè)結構分布以及地下水的污染特征，建議今后加大對氮素空間分布特征以及遷移轉化規(guī)律、大面積的農業(yè)區(qū)中氮肥合理使用和低污染新型肥料等的研究。除此之外，忻州盆地工業(yè)分布區(qū)政府應督促企業(yè)做好污染物無害化處置，嚴格控制污染物的排放，以減少人類活動對水資源的影響，最終實現(xiàn)地下水的可持續(xù)開發(fā)利用。