輝縣地區地下水水化學特征及水質評價

崔夜晨，劉久潭，高宗軍，蔡五田

（1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島266590；2.山東科技大學能源與礦業工程學院，山東青島266590；3.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北保定071000）

0 引 言

地下水是重要的自然資源，在社會經濟的發展中扮演著極其重要的角色[1]。近年來，隨著經濟發展和科技的進步，農業、工業用水量與日俱增，地下水量以及水質的變化對社會、環境，人類生活產生了巨大的影響。尤其是農業灌溉區，工業聚集區以及人類聚居區，對于地下水的用量需求迅速增加，造成了地下可用水量減少，水位下降等問題。地下水的水化學特征受多種因素影響，如：地質背景、水文地質條件、氣象氣候以及人類活動等[2]。地下水在徑流過程中不斷與周圍環境發生反應，水化學特征和水質也相應地發生改變，水質的優劣直接關系到當地居民的用水安全問題[3-5]。因此，查明一個地區的地下水水化學特征及水質狀況，確定其污染來源，對區域地下水的污染防治及水資源保護有重要實際意義[5-7]。然而，目前有關輝縣地區地下水水化學特征、水質及污染源解析方面的相關研究十分有限。因此，本次基于輝縣地區的56 件地下水樣品的水質數據，分析其水化學特征、評估水質狀況，解析其污染來源，研究結果為輝縣地區地下水資源的開發利用和管理保護提供一定的科學依據和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

輝縣地區位于太行山前新鄉市西北地區，區內村鎮眾多。總體地勢呈北高南低，北為太行山脈，南為山前沖洪積傾斜平原。研究區屬于暖溫帶大陸性氣候，四季分明，降水主要集中在雨季；區內水系發育，河流眾多，主要有石門河、黃水河、白泉河、南水北調渠和共產主義渠等。潛水在區內廣泛分布，主要賦存于上更新統、全新統（Q3+Q4）含水巖組，含水介質主要是第四系松散的砂卵石層、砂層，水量較豐富，含水層底板埋深50～150 m，含水層厚度15～70 m，由北部山前沖洪積扇向南部扇前洼地漸厚。地下水補給來源主要是大氣降水入滲、汛期洪水滲透、渠系灌溉補給及北部基巖山區巖溶水側向補給；主要徑流方向是北西-南東向和北東-南西向，局部地區出現地下水下降漏斗；排泄方式主要是人工開采和地下水徑流排泄。地下水主要用于農田灌溉、工業用水和生活用水。由1949-2011年，輝縣地區人口由35.93 萬人增加到了81萬人，生活用水量每年增加2 000萬m3；農業有效灌溉面積增加了4.25萬hm2，灌溉需用水量約增加2.50億m3；根據有效估算，每年的工業用水量約5 500萬m3。輝縣地區地下水采樣點分布位置及流場圖見圖1。

圖1 輝縣地區地下水采樣點分布位置及流場圖Fig.1 Distribution of groundwater sampling points and flow field in Huixian Country

1.2 數據來源與分析方法

本文借助中國地質調查局水文地質環境地質調查中心“豫北山前沖洪積扇含水層水質調查”項目（DD20160310），數據來源為2016年豐水期采集的56 件地下水樣品，樣品的采集、運輸和保存參照ISO 5667-3：1985《水質—采樣—樣品保存和管理技術指導》，現場測試指標為pH、水溫、溶解氧、電導率、氧化還原電位，37 項無機指標委托北京中科英曼環境檢測有限公司測試完成，主要是總硬度（TH）、TDS、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-和NO3-等。運用SPSS 20 進行數理統計分析水化學參數特征，利用Piper三線圖、Gibbs圖和趨勢分析法分析水化學類型及其演化特征，運用內梅羅指數法和模糊數學綜合法進行水質評價，最后運用主成分分析進行了地下水污染源解析。

2 結果與分析

2.1 地下水水化學特征

2.1.1 水化學參數統計特征

輝縣地區地下水水化學參數統計結果見表1。如表1所示，地下水pH 值范圍為6.81～8.36，平均值為7.29，整體呈弱堿性；總硬度（TH）范圍為118.00～1 580 mg/L，平均值為470.88 mg/L，整體屬于硬水；TDS 范圍為211～2 320 mg/L，平均值為746.13 mg/L，整體屬于低礦化度水。地下水中主要陰陽離子是HCO3-、SO42-、Ca2+，陽離子濃度均值呈Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+的關系，陰離子濃度均值呈HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-的關系。從變異系數[15]方面分析，pH 變異系數為0.04，說明其在地下水中較為穩定；而K+、Na+、Cl-、SO42-和NO3-的變異系數大于等于1.00，說明它們在地下水中空間變異性較強，局部地下水受到人為因素影響較大。

表1 輝縣地區地下水水化學參數統計表Tab.1 Statistics of groundwater hydrochemical parameters in Huixian Country

2.1.2 水化學類型及空間分布特征

輝縣地區地下水Piper 三線圖，如圖2所示。在陽離子三線圖中，大部分水樣點靠近Mg2+軸，且分布較為集中，但有1個水樣點靠近Ca2+軸和Na++K+軸相交端；在陰離子三線圖中，水樣點主要分布于HCO3-+CO32-軸和Cl-軸相交端，且有向SO42-軸發散趨勢。根據舒卡列夫分類法[9]進行地下水化學類型分類，可知主要水化學類型是HCO3-Ca 型和HCO3-Ca·Mg 型水，占總樣品的67.9%。

圖2 地下水Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater

研究區地下水陽離子以Ca 型、Ca·Mg 型為主，空間分布較均勻，有1 個Na 型水點位于孟莊鎮孟莊村，主要受到金屬加工企業廢水影響。陰離子類型分布示意圖見圖3，HCO3型水全區分布廣泛，主要受北部太行山區HCO3-Ca 型巖溶水側向補給影響，是研究區天然水質；HCO3·SO4型水位于趙固鄉北部、云門鎮北部、縣城、峪河鎮和占城鎮局部地區；HCO3·Cl 型水位于占城鎮東北、孟莊鎮東南和洪洲鄉局部地區；HCO3·SO4·Cl 型水位于孟莊鎮局部地區；SO4·HCO3型水位于薄壁鎮東部、云門鎮東部和占城鎮以南衛河沿線局部地區。根據野外調查資料可知，HCO3·SO4型、HCO3·Cl 型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水主要位于村鎮區、農田區和養殖場附近，受人為因素影響明顯。

圖3 地下水陰離子類型分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the distribution of groundwater anion types

2.1.3 地下水水化學時間變化規律

近幾十年來，在自然和人為兩大因素的綜合影響下，輝縣地區的地下水化學特征發生了明顯的變化，本文以1990年、2000年的水化學資料對研究區地下水水化學演化規律進行分析。根據《河南省輝縣市黃水河沖積扇供水水文地質勘察報告（1990年）》[10]，90年代研究區的地下水受人為的影響較小，主要是HCO3型水，局部地區出現HCO3·SO4型水；隨著社會經濟的飛速發展，人類活動對地下水的影響不斷加強[11]，縣城地區HCO3·SO4型水覆蓋區域有所擴大，且在衛河沿線部分區域發現HCO3·Cl 型水，但是研究區地下水仍以HCO3型水為主；對比本次研究結果與早期的結論，不僅縣城地區HCO3·SO4型水覆蓋區域繼續擴大，在峪河鎮和占城鎮局部地區也出現HCO3·SO4型水，而且研究區的局部地區出現了HCO3·Cl型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水；不過HCO3型水仍然是研究區主要的水類型，但其覆蓋面積有所減小。總的來說，研究區地下水化學類型演化趨向復雜，受到人為因素影響逐年增大。

根據2016-2018年多組枯豐期水質資料，選取3 個典型長期監測井JC04（位于洪洲鄉西-沖洪積扇頂區），JC05（位于趙固鄉東-沖洪積扇中區）和JC01（位于大塊鎮東-沖洪積扇緣區），對其中的Cl-、NO3-等離子進行對比分析。如圖4(a)所示，隨著時間變化，TH 整體呈下降趨勢，但在2017年JC05觀測井中出現極大值，這是由于此地當年的降水量減少較大，Ca2+、HCO3-離子濃度異常偏大所致；如圖4(b)所示，JC01 觀測井中TDS 起伏不大，而JC05 觀測井中TDS 變化幅度較大，在2017年枯水期和2018年豐水期濃度極高，可能是由于JC05附近水文交替條件較差，使得地下水中的Ca2+、SO42-增大造成的；如圖4(c)所示，SO42-在JC04 和JC01 中的觀測值變化不大，但2017年JC05中觀測值異常偏大，于2017年豐水期達到最大值，推測是人為污染以及降水量增大直接導致地下水中SO42-濃度增大；如圖4(d)所示，NO3-濃度不是很高，整體均呈減小的趨勢，但根據JC05 的觀測曲線可知，NO3-呈現枯水期濃度高，豐水期濃度低的特點，推測在豐水期降水量偏高，以及白泉河的滲漏補給所致，而在枯水期，因為農業施肥，污水灌溉導致濃度偏高；如圖4(e)、圖4(f)所示，Na+、Cl-濃度整體呈減小的趨勢，且基本一致，這是因為研究區近年來環保強度較高，一定程度上導致了水中離子濃度的減小，2016年JC01中Cl-濃度陡增，這是因為工業生產的影響。

圖4 3個典型監測井水質隨時間變化規律Fig.4 The water quality of 3 typical monitoring wells changes with time

總體來看，各離子濃度隨著時間的變化均呈減小的趨勢，說明研究區的水質情況在逐漸變好；整體上，各離子相對應的濃度大小根據觀測井來排序是JC05＞JC01＞JC04，因為JC04受北部太行山區基巖水影響，加之所處地形切割強烈，水文交替好，水質較好。JC01 受上游化工企業生產活動的影響較大，在一定時間內離子濃度有不用幅度的增大。而JC05 所在地區地勢較平坦，水文交替條件較差，可能受農業生產的影響較大。可見，不同區域地下水水質的季節變化和年際變化有較大差異，人類活動強度、降水量及水巖作用對其有不同程度的影響。

2.1.4 地下水水化學控制因素分析

通常用Gibbs 模型圖解[12,13]來分析地下水主要化學組分的控制因素，主要是大氣降水控制、水巖作用控制和蒸發-結晶作用控制。如圖5所示，地下水點TDS 范圍為211～2 320 mg/L，大部分樣品的Na+/(Na++Ca2+)比值小于0.5，Cl-/(Cl-+HCO3-)比值也小于0.5，水樣點大都落在水巖作用控制區，說明研究區地下水水化學主要受水巖作用控制，而大氣降水作用和蒸發結晶作用影響較小。

圖5 研究區地下水化學Gibbs圖解Fig.5 Gibbs diagram of groundwater hydrochemistry in the study area

2.1.5 地下水水化學相關性分析

如表2所示，TDS與Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-的相關性較好，其中TDS 與Ca2+、Mg2+、HCO3-呈高度相關，說明Ca2+、Mg2+、HCO3-含量對TDS 貢獻較大。Cl-與Na+呈高度相關，說明可能存在巖鹽礦物的溶解，而Cl-和Na+也可能來源于化工及金屬加工企業廢水；HCO3-與Mg2+、Ca2+相關性較好，說明存在灰巖等碳酸鹽巖礦物的風化溶解；SO42-與Ca2+、Mg2+相關性較好，說明存在石膏等含硫礦物的溶解，SO42-也可能來源于化工廠或農田含硫化肥使用。其他水化學組分間相關性較弱。

表2 地下水水化學組分間相關性分析Tab.2 Correlation analysis of groundwater water chemical components

2.2 地下水質量評價

通過水質評價能夠科學客觀的了解研究區地下水質量狀況，有利于地下水污染防治和水資源保護[14]。依據《地下水質量標準》（GBT 14848-2017），選取TH、TDS、Na+、SO42-、Cl-、NO3-、NH4+、Fe 和Pb 9 項評價因子，運用內梅羅指數法[15]和模糊數學綜合法[16]對輝縣地區地下水進行水質評價，結果見表3。內梅羅指數法評價結果表明，地下水水樣水質較好及以上的有29 個，約占總樣品的51.8%，水質較差及以下的有27 個，約占48.2%，認為研究區地下水質量相對一般，主要影響指標是TH、TDS和SO42-，此外NH4+、Fe和Pb對局部地下水水質也有影響；模糊數學綜合法評價結果表明，地下水Ⅲ類及以上水質的有44 個，約占78.6%，而Ⅵ、Ⅴ類水的有12個，約占21.4%，認為研究區地下水水質整體較好。模糊數學綜合評價結果相比內梅羅指數法整體偏好，這是由于前者充分考慮到地下水中諸多指標對水質的綜合影響，使評價結果科學客觀。

表3 地下水質量評價結果Tab.3 Groundwater quality evaluation results

根據模糊數學綜合評價結果繪制地下水水質分區圖(圖6)。如圖6所示，輝縣地區大部分地下水是Ⅲ類水，Ⅳ類水位于占城鎮以北、孟王莊鎮以南的局部地區，Ⅴ類水主要位于薄壁鎮以東、孟莊鎮西南、趙固鄉以南及占城鎮以北的條帶區域，也在衛河沿線及大塊鎮地區呈條帶狀出現。經野外調查可知Ⅵ、Ⅴ類水主要位于農田區、工業區或人口聚集區，受到人為因素污染較大。此外，根據研究區地表水水質數據可知，衛河水的TH、TDS 和SO42-濃度較高，其對周邊地下水水質有影響。

圖6 地下水質量分區圖Fig.6 Distribution diagram of groundwater quality

2.3 地下水污染源解析

多元統計-因子分析主要用于復雜環境下污染源解析，通過對水質污染數據進行降維處理，從具有同源關系或相似水化學意義的多項指標中提取代表性因子，來解釋影響水質的污染源情況[17，18]。本次研究對前文9項評價因子數據進行標準化處理，經KOM 檢驗值為0.567，Bartlett 球形檢驗中Sig 值為0，說明具有顯著性，可以做因子分析。根據主成分分析中特征值大于1的原則，利用最大方差法進行成分旋轉，共提取了3 個公因子，累計方差共解釋了73.068%的信息量，說明可以較好地解析污染源情況（表4）。

如表4所示，第一公因子（F1）解釋了46.926%的信息量，其與TH、TDS、Na+、Cl-、SO42-和NO3-相關性較好，而SO42-和NO3-主要來源于研究區農業中硫肥和氮肥，故F1 可以解析為農業生產活動影響。輝縣地區農業發達，農田面積較廣且集中分布，根據水質測試數據及野外現場調查資料可知，薄壁鎮東部、占城鎮西北部、云門鎮東部、孟莊鎮地區及衛河、峪河沿線局部農田區地下水中SO42-、NO3-濃度超標，農業生產中大量使用氮肥和硫肥導致地下水水質污染。第二公因子（F2）解釋了13.886%的信息量，其與NH4+呈高度相關，由于人類生活污水和養殖場污水經微生物作用會釋放出NH4+，因此F2 可以解析為生活廢水和養殖廢水影響。NH4+異常高值區位于孟莊鎮、大塊鎮、占城鎮及衛河沿線村鎮，居民生活廢水和養殖場污水隨意排放造成了局部地下水污染。第三公因子（F3）解釋了12.256%的信息量，其與Fe 呈高度相關，Fe 主要來源于冶煉、工礦和電鍍等，因此F3 可以解析為工礦企業活動影響。Fe 異常高值區出現在洪洲鄉北部、占城鎮西部及薄壁鎮西北局部，野外調查發現該類水井附近有金屬廠、礦山或固廢堆，工業活動排放的廢水廢渣對地下水造成了污染。

表4 主成分分析特征表Table 4 Principal component analysis feature table

3 結 論

（1）輝縣地區地下水中主要陰陽離子是HCO3-和Ca2+，陽離子濃度均值呈Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+的關系，陰離子表現為HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-。地下水樣品pH 均值為7.29，整體呈弱堿性；TH 均值為470.88mg/L，TDS 平均值為746.13 mg/L，屬于低礦化硬水。

（2）地下水水化學類型主要為HCO3-Ca 和HCO3-Ca·Mg型。不同時期水質數據對比表明水化學類型由簡單演化到復雜， HCO3型水的區域面積減小，受人為因素影響的HCO3·SO4型、HCO3·Cl 型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水面積增大。水化學主要受水巖作用控制，同受到地表水和人為因素影響。

（3）基于內梅羅指數和模糊數學綜合評價法，研究區地下水質整體較好，主要影響因素有TH、TDS 和SO42-。農業生產用到水量各地區比較均勻，用化肥農藥對地下水水質有影響。大量的生活供水，會造成地下水位下降，生活排放的污水可能會污染水質，兩者主要是影響淺層水，基本不影響深層水。在城鎮化的快速發展過程中需要加強地下水水質動態監測，控制污染源，減少廢水排放，合理使用農藥化肥。

（4）主成分分析共提取3 個公因子，能夠解釋73.068%的污染源信息。公因子F1 方差貢獻率46.926%，解析為農業生產活動影響，公因子F2 方差貢獻率13.886%，代表生活廢水和養殖廢水影響，公因子F3 方差貢獻率12.256%，表征為工礦企業活動影響。