2023, Vol. 44
2. 河北省地下水污染机理与修复重点实验室, 石家庄 050061;
3. 河北地质大学河北省高校生态环境地质应用技术研发中心, 石家庄 050031
2. Hebei Key Laboratory of Groundwater Remediation, Shijiazhuang 050061, China;
3. Hebei Center for Ecological and Environmental Geology Research, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China
水资源是保障人类生存和维持生态环境健康的重要因子[1], 我国西北地区干旱少雨, 地下水是当地的重要供水资源, 随着西部大开发战略的深入, 工业化和城市化快速发展大大增加了对地下水资源量的需求, 而不合理的开发利用已引起部分地区生态环境发生变化, 故探明其地下水化学特征及演化机制, 可为地下水水质监管提供重要信息, 为社会经济、工农业和生态健康发展提供重要保障[2, 3].
地下水化学演变往往受控于多种自然因素.例如, 水-岩相互作用会导致各种矿物的溶滤, 引起地下水化学组分变化[4]; 海水入侵会增加地下水钠离子和氯化物等特征组分的占比[5].另一方面, 伴随社会经济、工农业和城市化等的快速发展, 复杂的人类活动对地下水化学的影响也已逐渐加重.例如, 珠江三角洲等快速城市化地区受工业废水、生活污水和农业污染等人类活动的影响, 地下水化学类型已增加到89种[6].由于人类活动的影响, 致使地下水化学演化变得复杂, 仅仅采用传统的水化学分析方法、简易的数理统计等难以明晰其主要受控因素[7~9].目前, 相关研究多采用主成分分析等多元统计方法与传统水化学方法相结合研究区域地下水化学的主要控制因素[10~14], 定量解释各因素对地下水化学演化的影响程度.
西宁市位于青海省东北部, 是青海省政治、经济和文化的中心, 是青藏高原人口最多, 社会经济最发达的省会城市[15].工业化和城市化的快速发展使地下水面临着被污染的风险[16], 制约了其社会经济的可持续发展, 亟需了解其地下水化学演化特征及形成机制.然而, 近年来这方面的研究鲜见报道.本研究分析了西宁市地下水化学特征, 探讨了其成因, 揭示了西宁市工业化、城市化对地下水组分的影响; 利用因子分析法确定了影响地下水化学的主要自然因素和人为因素, 定量分析自然过程和人类活动对地下水环境的影响, 以期为干旱地区地下水资源合理开发与保护提供依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况西宁市位于青海高原东北部, 湟水中游河谷盆地, 面积7 679 km2, 地理坐标东经100°54′~101°55′, 北纬36°13′~37°25′. 2019年末全市常住人口231.08万人, 湟水河自西向东贯穿市区, 在西宁市境内汇入湟水的各主要支流约有56条[17], 地势西南高、东北低(图 1).气候属高原半干旱大陆性气候, 具有寒长暑短、温差大、降水量随地形的增高而增加, 多年平均降水量380.1 mm.蒸发量与降雨量的变化规律相反, 盆地中央蒸发量最大, 达1 763 mm.
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图 1 西宁市地下水采样点分布示意 Fig. 1 Location of the groundwater sampling sites in Xining City |
西宁市处于北川河、南川河与湟水河交汇的河谷平原地带.受地形地貌、地层岩性等自然因素的制约, 该区地下水可划分松散岩类孔隙水、碎屑岩裂隙孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水和冻土层水这5种类型.松散地层孔隙水广泛分布于山前倾斜平原及河谷平原区, 主要以第四系砂砾卵石层潜水为主.河谷潜水主要呈条带状分布于湟水干流及其支流的河漫滩和Ⅰ、Ⅱ级阶地的砂砾卵石层中, 各自形成一个由补给、径流到排泄相对独立的水文地质单元, 河谷潜水与河水有着密切的水力联系; 碎屑岩类裂隙孔隙水主要赋存于侏罗系、白垩系、古近系和新近系碎屑岩储水构造中, 含水层岩性为砂质页岩、页岩夹泥灰岩和砂岩, 底部为砾岩和泥灰岩, 白垩系和古近系碎屑岩构成了西宁向斜承压自流水盆地; 碳酸盐岩裂隙岩溶水主要呈条带状分布于拉鸡山北坡中、西段.含水层岩性主要为青石坡组和克素尔组白云岩、结晶灰岩.基岩裂隙水主要赋存于丘陵区新生界碎屑岩、元古界变质岩以及各期侵入岩风化裂隙和构造裂隙中, 补给条件和富水性差异较大; 冻土层主要分布在西宁市的西部及北部, 含水层厚度小于5 m.
山区地下水接受大气降水的渗入补给, 相邻地区基岩裂隙水和地表水的补给, 并沿沟谷方向向下游径流.以泉的形式向沟谷泄出; 河谷区潜水主要接受河水入渗和基岩山区、丘陵山区侧向补给, 另外在部分地段还接受大气降水入渗补给, 以及渠道水渗漏和农田灌溉水入渗补给, 纵向上水力坡度一般在5‰~10‰, 地下水溢出沿河漫滩及Ⅱ级阶地前缘以泉的形式呈线状排泄, 最终流入湟水河.
1.3 土地利用类型与人类活动特征随着西部大开发和青藏铁路等重大战略的实施, 经济快速增长, 城市化进程发展迅速, 从2008年的61.02%上升到2018年的72.11%[18].西宁市是一个典型的河谷型城市, 土地资源紧缺, 但存在粗放利用现象, 导致人地矛盾突出.《青海省土地利用总体规划(2006~2020年)》明确提出, “保持农用地和建设用地规模适度扩大, 在不影响生态环境的前提下, 适度开发未利用地”[19], 城市化地区的特点是人口稠密, 企业众多, 生活污水和工业废水大量排出.西宁市人口空间分布呈郊区化趋势明显[20], 城市周边郊区分布大量工厂, 与主城市区相比, 郊区缺乏完善的排水系统, 调查发现当地自行挖井排放污水现象普遍存在.
1.4 样品的采集与处理2019年6月至2020年7月共采集浅层地下水样品144组(图 1).以潜水为主, 采样密度为每千平方公里16~20组, 采样井井深4~56 m, 主要是用于饮用和农业灌溉, 水位埋深在3.0~45.0 m.采样深度在水位下1 m左右, 采集样品前先清井5 min, 样品储存在2.5 L高密度聚乙烯瓶中, 低温保存并送中国地质科学院地下水矿泉水与环境监测中心的实验室进行分析.检测标准参照《饮用天然矿泉水检验方法》(GB/T 8538-2016), 分析指标、分析方法及检测限等信息见表 1.样品的溶解氧(DO)和pH值使用anHQ40D多参数仪器(美国科罗拉多州洛夫兰市Hach)在现场测试得到.研究区水文地质剖面见图 2.
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表 1 水化学指标分析方法、使用仪器和方法检出限1) Table 1 Hydrochemical parameters, analytical method, equipment, and detection limits |
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图 2 Ⅰ-Ⅰ′水文地质剖面 Fig. 2 Hydrogeological cross-section of transect Ⅰ-Ⅰ′ in the study area |
采用Origin 9.0绘制Gibbs图和离子比例关系图, 应用AqQA软件绘制Piper三线图, 使用SPSS 19.0(美国伊利诺伊州芝加哥SPSS公司)对地下水化学数据进行多变量统计分析. Pearson相关分析用于确定地下水指标之间的重要关系; 因子分析用于提取变量和推断控制地下水化学的潜在主要自然或人为因素, 识别其来源.
2 结果与讨论 2.1 地下水化学参数特征在该地区地下水中, CO32-浓度均小于检测限, pH值在6.4~8.8之间, 平均值为7.7, 呈中性-弱碱性, 超标率为3.50%.TDS在75~3 694 mg·L-1之间, 平均值为570.57 mg·L-1, 超标率为13.99%.溶解氧(DO)范围为0.2~14.60 mg·L-1, 平均值为5.67 mg·L-1, 含水层处于氧化环境中.主要阳离子浓度大小顺序为：Ca2+>Na+>Mg2+>K+, 阴离子浓度大小顺序为：HCO3-> SO42-> Cl->NO3-.地下水样品中NO3-、SO42-和Cl-浓度超标率分别为6.29%、13.99%和2.80%.这表明, 地下水受到人类活动的影响, 如工农业废水、生活污水排放和化肥的过量施用[21].通常地下水受人类活动影响输入的物质具有空间离散度高、波动性大的特征[22], 从表 2中可以看出NH4+、TFe、Mn2+、Na+、Cl-、SO42-、NO3-、Mg2+、K+和TDS的变异系数较大, 可认为是受人类活动影响所致.
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表 2 研究区地下水理化指标特征1) Table 2 Characteristics of physical and chemical indexes of groundwater in the study area |
2.2 地下水化学类型及成因
Piper图可清晰呈现地下水化学类型[24, 25].为探究人类活动对地下水的影响, 本文将NO3-作为主要离子参与地下水化学命名.西宁市地下水化学类型多达36种, 主要水化学类型为HCO3-Ca(Mg)型(占比60.00%), 其次为HCO3·SO4-Ca(Mg)型(占比11.81%), 其余水化学类型均 < 3%.没有出现硝酸型水.水化学类型呈现多样性(见图 3), 除HCO3-Ca(Mg)和HCO3·SO4-Ca(Mg)广泛分布外, 其余水化学类型点呈斑块状散布于西宁市城区及周边(见图 1和图 4).表明随着西宁市社会经济的发展, 受人类活动(如生活污水、工业废水和化肥)等因素的综合影响, 地下水化学场已经发生了变化.土地利用类型直接反映人类活动对地下水化学成分的影响[26].由表 3可知, 建设用地中地下水化学类型多达21种, 耕地中地下水化学类型为17种, 而草地、林地和裸地中的地下水化学类型分别为5、6和6种, 反映了强烈的人类活动(如生活污水、工业废水和化肥农药)对这些地区地下水化学成分的影响.水文地质条件也影响地下水化学成分的变化, 由图 4可知分布在松散岩类含水层的地下水化学类型复杂多样, 而分布在其它含水层的地下水化学类型较少, 这是因为松散岩类含水层主要分布于山前倾斜平原及河谷平原区, 属径流-排泄区, 以第四系砂砾卵石层潜水为主, 河谷潜水与河水水力联系密切, 易受河水水化学成分影响.
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图 3 西宁市地下水化学Piper三线图 Fig. 3 Piper diagrams of groundwater in Xining City |
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表 3 不同土地利用类型地下水化学类型统计表 Table 3 Statistic table of groundwater hydrochemistry type of different land uses in this region |
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图 4 西宁市地下水采样点水化学类型 Fig. 4 Hydrochemical type of groundwater for the sampling sites in Xining City |
探讨水-岩作用, 对了解地下水化学演化有重要作用[27, 28].Gibbs图可以宏观解释地下水中主要离子的控制因素：大气降水、岩石溶滤和蒸发结晶[29, 30].从图 5中可以看出, 阳离子Na+/(Na++Ca2+)在0.06~1.00之间, 阴离子Cl-/(Cl-+HCO3-)在0.01~0.79之间, 地下水样品点主要分布在“岩石溶滤作用”和“蒸发结晶作用”范围内.主要受“岩石溶滤”和“蒸发结晶”综合作用影响, 个别出模型范围的样点(分布在建设用地和耕地中)推测是受强烈的人类活动影响所致.研究还发现分布在较高海拔的林地和草地中地下水样点主要受岩石溶滤作用影响, 而分布在相对较低海拔的建设用地、耕地及裸地区的地下水样点受“岩石溶滤”和“蒸发结晶”综合作用的影响, 推测是随海拔降低, 影响地下水化学组分的主要因素由“岩石溶滤作用”向“蒸发结晶作用”过渡, 这一观点有待进一步论证.
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图 5 研究区地下水Gibbs图 Fig. 5 Gibbs diagram of groundwater in the study area |
离子比例关系图有助于确定主要离子的来源[31].n(Na++K+)/n(Cl-)(毫克当量比, 下同)关系可推测Na++K+和Cl-的来源.由图 6(a)可以看出, 西宁市地下水样点基本位于1∶1分界线以上, 说明Na+和K+还有其他来源, 除了受蒸发岩盐与硅酸盐的溶滤作用外, 还可能受阳离子交换作用等因素的影响[27].可能存在的反应机制如式(1)~(4)所示.
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图 6 主要离子比例 Fig. 6 Ionic ratio plots of the major ions |
阳离子交换作用强弱可用n(Na++K+-Cl-)/n[(Ca2++Mg2+)-(SO42-+HCO3-)]来反映.从图 6(b)可看出, 地下水样点n(Na++K+-Cl-)/n[(Ca2++Mg2+)-(SO42-+HCO3-)]表现出明显的负相关性, 较为集中分布在y=-0.785 7x+4.513 5的直线周围, 证明地下水中有阳离子交换作用的发生.过量Na+的存在推测是发生阳离子交换作用产生, 常见的阳离子交换是Ca2+、Mg2+和Na+交换, 在一定条件下, 地下水中的Ca2+和Mg2+交换吸附盐土颗粒表面的Na+, 阳离子交换过程如式(5)和式(6)所示.
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(5) |
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(6) |
n(Ca2++Mg2+)/n(HCO3-+SO42-) 可以推测Ca2+、Mg2+和SO42-的来源[32].如图 6(d)所示, 大多数样品的比值在1∶1关系线的上方, 说明Ca2+、Mg2+和SO42-主要来源于碳酸盐风化溶滤控制.此外, 样品近似呈直线分布并偏离至1∶1线以上, 表明有污染物或其他水体混入[33].如图 6(c)所示, 大部分样品分布在1∶1直线下方, 证实地下水化学形成的控制因素为碳酸盐矿物的溶滤, 分布在1∶1直线上方的样点可能伴随有蒸发岩的溶滤[34].相关反应机制如式(7)~(10)所示.
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(10) |
因子分析(factor analysis)是通过降维的思想, 把一些隐藏着复杂关系的变量化为少数综合性指标的多元统计学方法, 在水文地球化学研究中, 因子分析常用于研究变量间的关系, 提取相关变量以解释地下水化学特征的控制因素及影响程度.
利用SPSS软件, 对西宁市144组地下水样品的14项水化学指标进行因子分析, 采用方差最大旋转法对成分矩阵进行旋转, 目的是使各公因子的典型代表变量突出, 便于解释现实意义.得到了5个主因子F1、F2、F3、F4和F5, 累计方差贡献率为81.66%, 见表 4.
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表 4 研究区地下水各指标旋转因子载荷矩阵1) Table 4 Rotation factor loading matrix of groundwater indicators in the study area |
主因子1(F1)的综合贡献率为27.56%, 以Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-和TDS为主.由地下水离子组分的自然来源分析可知, 地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-和SO42-主要来源于碳酸盐风化溶滤, 故F1主要反映水-岩作用对地下水化学的影响.
主因子2(F2)的综合贡献率为16.16%, 以铁(TFe)和锰(Mn2+)为主.有研究发现, 地下水中高浓度的TFe和Mn2+可反映含水层处于还原环境[35], 或是受到工业废水的影响[36].西宁市地下水的DO平均值为5.67 mg·L-1, 指示地下水环境具有氧化性.因此, 地下水中较高浓度的TFe和Mn2+可能来源于工业废水排放.结合行业类型来看, 主要源于炼钢、有色金属冶炼类企业、电镀企业废水排放[37].工业区与其它区相比采集的地下水样品中ρ(TFe)和ρ(Mn2+)的平均值最高分别是11.4 mg·L-1和0.531 mg·L-1, 这进一步验证了笔者的推断.
主因子3(F3)的综合贡献率为16.00%, 以pH、Cl-和Na+为主.由离子比例关系可知Na+和Cl-的主要来源是蒸发盐岩作用和阳离子交换作用[图 6(a)和6(b)].因此, F3表示酸碱演化环境对蒸发盐岩作用和阳离子交换作用的影响.
主因子4(F4)的综合贡献率为13.12%, 以K+和NO3-为主.表示化肥的过量施用.西宁市所在的湟水河流域农业化肥以施用氮肥、磷肥、钾肥和复合肥为主, 农药以化学农药为主, 2017年化肥施用总量达41 964.06 t, 其中氮肥施用量为18 640.05 t, 磷肥施用量为7 757.26 t, 钾肥施用量为1 688.21 t, 复合肥施用量为14 138.30 t, 农药使用量为1 294.64 t[38].但化肥利用率只有30%~40%[39], 农药利用率仅为35%, 大量含高NO3-和高K+的农业废水流入地表河流并下渗至浅层地下水.
主因子5(F5)的综合贡献率为8.82%, 以COD和NH4+为主, 主要来源于生活污水.生活污水中含氮有机物渗入浅层地下水后, 在有氧条件下经微生物分解形成氨氮.在研究区调查期间, 发现农村居民习惯于打井排放生活污水, 这很容易导致地下水中COD和NH4+的增加[40].
2.5 地下水环境管理建议人类活动对地下水化学组分造成的影响有：①工业废水的不当排放; ②生活污水排放不当; ③农业区化肥农药的过量施用.为了保护重要的地下水资源免受进一步恶化, 建议政府、环保部门可采取以下措施控制地下水污染源：①加强对废水排放的监督, 防止排放不符合排放标准的废水; ②在城郊(建设用地边缘区)修建排水系统, 禁止在村庄和工业园区挖井排放废水; ③推广优化施肥策略, 根据合理的肥料标准调节化肥的数量和类型[41].
3 结论(1) 西宁市浅层地下水呈中性-弱碱性, 地下水pH、TDS、NO3-、SO42-和Cl-存在超标现象, 其超标率分别是3.50%、13.99%、6.29%、13.99%和2.80%.地下水化学类型达36种, 主要水化学类型为HCO3-Ca(Mg)(占比60.00%), 其次为HCO3·SO4-Ca(Mg)(占比11.81%), 主要分布于西宁市草地、林地和裸地中, 而其它多种地下水水化学类型主要分布在建设用地和耕地中, 特别是建设用地中地下水化学类型达21种, 反映了强烈的人类活动(如生活污水、工业废水和化肥农药)对这些地区地下水化学成分的影响.
(2) 自然条件下, 西宁市地下水主要离子组分来源于岩石风化溶滤和蒸发结晶作用, 蒸发盐岩溶解和阳离子交换作用是研究区Na+和Cl－积聚的重要来源.碳酸盐矿物和蒸发岩的溶滤是Ca2+、Mg2+和SO42-的主要来源, 并探讨了主要离子来源可能存在的反应机制.
(3) 因子分析结果显示西宁市地下水化学主要受控于5个主因素.F1主要反映水-岩作用的影响, 贡献率为27.56%; F2主要反映工业废水排放的影响, 贡献率为16.16%; F3主要反映酸碱环境的影响, 贡献率为16.00%; F4主要反映化肥、农药的过量施用的影响, 贡献率为13.12%; F5主要反映生活污水的影响, 贡献率为8.82%.针对F2、F4和F5等人类活动因素对地下水化学的影响, 建议环境保护部门出台一些措施, 如禁止村庄和工业园区挖井排放生活和工业废水, 在农业部门推广优化施肥策略等, 以保护地下水资源合理开发利用.
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