2025, Vol. 46
2. 新疆水文水资源工程技术研究中心, 乌鲁木齐 830052;
3. 新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室, 乌鲁木齐 830052
2. Xinjiang Hydrology and Water Resources Engineering Research Center, Urumqi 830052, China;
3. Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention, Urumqi 830052, China
地下水是人类饮用水、灌溉用水和工业用水的重要来源[1], 在我国西北地区, 地下水是当地居民主要的饮用水和农业用水[2]. 随着城市化和工业化不断加快以及人口的增长[3, 4], 大量的工业废水、农业污水和生活污水等污染物排入地下水系统, 使得地下水的水质持续恶化, 污染物种类及来源日趋复杂[5~7]. 地下水水质的优劣不仅对社会经济可持续发展产生影响, 还严重影响到人体健康及水环境系统的稳定. 如果能调控水质优劣, 不仅能对地下水进行合理地开发与治理, 而且对生态环境的保护和人类健康具有重要的意义.
迄今为止, 众多学者已对地下水水化学特性及其健康风险评价进行了深入探究与分析[8~10], Gibbs图、端元图、离子比值法和PCA-APCS-MLR模型等方法为地下水组分和来源的定性分析提供了便捷手段[11~15]. 李军等[8]开展车尔臣河流域绿洲带地下水咸化和污染控制因素研究, 结果表明, 地下水化学主要受水岩作用和蒸发-浓缩作用控制, 发现NO3-对地下水有一定的影响；杜丹丹等[9]在内蒙古河套灌区的地下水水化学特征及其环境成因的研究中, 采用水文地球化学和图解法等, 经过深入分析, 发现蒸发浓缩作用和岩石风化作用是河套灌区地下水水化学特征的主要控制因素, 农业灌溉和干旱是河套灌区地下水水化学演化的主要驱动因素；艳艳等[10]运用健康风险评价模型针对西北盐湖流域地下水对成人和儿童引起的健康风险进行评估, 发现成人和儿童在枯水期均有较高的致癌风险且Cr6+经饮水途径暴露的致癌健康风险最大值均高于最大可接受风险水平（5×10-5）. 托克逊县绿洲区地下水水化学特征研究与健康风险评价较薄弱, 因此, 当前亟需开展的工作是深入探究该地区地下水水质控制因素、污染源及其对健康的潜在风险.
托克逊县位于新疆维吾尔自治区（新疆）吐鲁番市, 是历史上著名的“丝绸之路”上的重镇之一, 也是中国降水量最少的地区之一. 托克逊县绿洲区由独立的托克逊绿洲区和库米什绿洲区组成. 由于地下水过量开采, 导致地下水位下降、坎儿井枯竭、地面沉降、植被退化、地下水环境受到破坏等问题[16~18]. 已有的研究表明[19, 20], 托克逊县平原东部的地下水主要受蒸发浓缩作用影响, 托克逊县两河流域除了受到蒸发浓缩作用影响, 还受到阳离子交换作用的影响. 目前鲜有对托克逊县绿洲区地下水水质和人类健康风险评价的深入研究. 因此, 本文以托克逊县绿洲区为研究区, 综合分析研究区不同含水层的水化学特征及其主导影响因素, 运用水质指数（WQI）法对水质进行客观评价. 同时, 针对NO3-这一指标, 进行深入的健康风险评价[21], 旨在为区域地下水水资源保护及地下水污染防控等方面提供一定的科学依据和参考.
1 研究区概况托克逊县东部与吐鲁番市高昌区接壤, 西部毗邻巴音郭勒蒙古自治州的和硕、和静县, 南部紧邻巴音郭勒蒙古自治州的尉犁县, 西北方向与乌鲁木齐市相连, 地理坐标介于东经87°14′05″~89°11′08″, 北纬41°21′14″~43°18′11″. 托克逊绿洲区和库米什绿洲区分别分布于托克逊县北部（包括伊拉湖镇、夏镇、博斯坦镇、郭勒布依乡和托克逊镇）和托克逊县南部（库米什镇）, 该区属典型大陆性暖温带荒漠气候, 素有“干极”之称, 年均气温为15.3 ℃, 年均降水量仅4.9 mm, 全年日照时数合计2 958.8 h, 降水稀少、空气干燥、大风天气频繁的气候条件, 导致年均蒸发量高达3 308.6 mm. 托克逊绿洲区潜水基本上呈环带状分布于绿洲区边缘, 含水层的主要岩性为松散砂和卵砾石, 托克逊绿洲区承压水主要分布在冲积绿洲区之内, 含水层岩性多为中粗砂、粉细砂及黏性土相间的多层结构含水层, 库米什绿洲区潜水分布于绿洲区中部, 含水层主要岩性为砾岩、砂岩, 库米什绿洲区承压水分布于绿洲第四系冲积环境中, 含水层岩性为含砾细粉砂、粉砂黏土[22]. 研究区的地下水补给机制主要包括以下3个方面：一是降水入渗补给, 即雨水通过地表渗透进入地下水系统；二是渠系水及田间灌溉水入渗补给, 即人工渠道和农田灌溉活动导致的水分渗入地下, 增加地下水资源；三是山间基岩裂隙水侧向径流补给, 即山区基岩裂隙中的水流在侧向径流过程中, 对地下水系统形成补给作用. 这些补给方式共同维持着研究区地下水系统的稳定与可持续利用. 地下水自山前向绿洲区径流, 地下水的排泄方式以蒸发蒸腾、机井与坎儿井开采为主[23].
2 材料与方法 2.1 地下水采样与测试2023年7月31日至8月1日共采集托克逊县绿洲区地下水水样21组, 其中托克逊绿洲区潜水2组、承压水10组, 库米什绿洲区潜水7组、承压水2组, 井深为50.00~120.00 m. 地下水取样点控制范围面积为947 km2, 取样点密度为2.2眼·（103 km2）-1, 符合《地下水监测规范》（SL183-2005）, 分布如图 1所示.
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图 1 托克逊县水文地质及地下水取样点示意 Fig. 1 Schematic diagram of hydrogeology and groundwater sampling sites in the Toksun County |
地下水样品严格按照《地下水环境监测技术规范》（HJ 164-2020）进行取样. 现场记录井的坐标、地下水水位、井深以及周围环境, 并抽水15 min左右使理化指标稳定, 用待取水样润洗取样瓶3次, 现场使用多参数分析仪（HANNA, HI9828）对pH、水温、电导率、溶解氧和氧化还原电位等指标进行测定. 采用0.45 μm的醋酸纤维滤膜进行过滤, 再经1∶1的超纯硝酸酸化至pH < 2的水样用于阳离子分析, 阴离子的水样无需进行酸化处理. 阳离子及微量元素使用已用蒸馏水清洗干净的250 mL高密度聚乙烯瓶采集, 阴离子使用1.5 L的塑料瓶采集, 确保采样瓶中无气泡后使用封口膜进行密封, 所有样品均贴好标签, 密闭冷藏于4℃的冰箱中保存并尽快送检. 测试项目包括：Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-、TH、TDS、pH、耗氧量和氧化还原电位（Eh）等12项一般化学指标及NO3-、NH4+、NO2-（以上均以N计）、F-和As等毒理学指标. 主要阳离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）、主要阴离子（Cl-、SO42-、HCO3-）、溶解性总固体（TDS）和总硬度（TH）等指标由新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队测试. 检测方法及检出限如表 1所示.
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表 1 各水质检测指标的检测方法与检出限1） Table 1 Detection methods and detection limits of water quality indices |
为保证数据的可靠性, 运用阴阳离子平衡对所有水样进行可靠性检验, 公式如下[10]：
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(1) |
式中, E表示阴阳离子相对平衡相对误差；na表示阴离子毫克当量浓度；nc表示阳离子毫克当量浓度, 单位为meq·L-1. 经检验所有水样的E均在±5%之间, 说明所有数据均可靠.
2.2 研究方法本文研究利用Origin 2022和IBM SPSS Statistics 22等软件分析水化学特征, 运用水质指数法[9, 10]对水质进行评价；运用数理统计学、健康风险评价模型（HHRA）分析研究区非致癌物NO3-对人类健康的影响；采用PCA-APCS-MLR模型对地下水污染源进行解析[24, 25].
2.2.1 水质指数（WQI）法水质指数（WQI）法是一种将各种水质参数合并为单一水质评价指标的水质指数, 用来评价一个地区地下水的总体质量, 并评价地下水的饮用适宜性的方法[26]. 计算公式为：
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式中, Wi表示i指标的相对权重；wi表示单个i指标权重[27]；Ci表示i指标的实测浓度, Si表示i指标地下水质量标准中的饮用水标准值[28], K+、Ca2+、Mg2+和HCO3-无标准限制, 故采用WHO值为依据[29, 30], wi、Wi和pH无量纲, 其余参数对应Si的单位为mg·L-1. 本研究参数及其取值详见表 2所示. 根据水质指数（WQI）值对水质进行评价, 分级详见表 3[31].
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表 2 水质参数的wi、Wi和Si取值 Table 2 Values of wi, Wi, and Si of different water quality parameters |
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表 3 水质指数（WQI）评价分级 Table 3 Water quality index(WQI) evaluation grading |
2.2.2 人类健康风险评估
根据美国环境保护局（USEPA）所开发的人类健康风险评价模型（HHRA）来评估地下水污染物对不同年龄人群健康产生的影响[32]. 受到污染的地下水通过多种接触途径对人类健康构成潜在风险, 其中最为常见的途径为饮用和皮肤直接接触[33]. 本研究以NO3-非致癌物为研究对象, 选择饮用途径的非致癌风险评价模型进行评估[1]. 具体公式如下[10]：
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(4) |
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(5) |
式中, C表示实测浓度值, AT依照365×ED计算. 根据美国环境保护局分级, 当HQ值高于1时, 地下水NO3-对人体健康具有较大的影响, HQ值低于1时, 表示NO3-非致癌风险较低；RfD参考美国环境保护局给出的NO3-的建议值, 本模型所采用的各参数取值及含义详见表 4[34].
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表 4 人类健康风险评价模型相关参数 Table 4 Relevant parameters of the human health risk evaluation model |
3 结果与讨论 3.1 地下水化学特征
研究区21组地下水水样的水化学指标统计结果见表 5, 托克逊绿洲区潜水pH值介于8.34~8.46, 托克逊绿洲区承压水pH值介于8.10~8.67, 库米什绿洲区潜水pH值介于8.15~8.46, 库米什绿洲区承压水pH值介于8.25~8.37, 所有的地下水样均呈碱性. 托克逊绿洲区潜水ρ（TDS）介于298.39~319.87 mg·L-1, 均为淡水[ρ（TDS） < 1 000.00 mg·L-1], 托克逊绿洲区承压水ρ（TDS）介于206.92~4 578.19 mg·L-1, 80.0%的淡水、10.0%的微咸水[1 000.00 mg·L-1 < ρ（TDS） < 3 000.00 mg·L-1]和10.0%的咸水[3 000.00 mg·L-1 < ρ（TDS） < 10 000.00 mg·L-1], 库米什绿洲区潜水ρ（TDS）介于639.20~2 451.15 mg·L-1, 14.7%的微咸水和85.3%的咸水, 库米什绿洲区承压水ρ（TDS）介于1 588.11~2 529.45 mg·L-1, 均为微咸水. 托克逊绿洲区潜水ρ（TH）介于159.32~180.36 mg·L-1, 均为微硬水[150.00 mg·L-1 < ρ（TH） < 300.00 mg·L-1], 托克逊绿洲区承压水ρ（TH）介于99.20~1 678.35 mg·L-1, 10.0%的软水[75.00 mg·L-1 < ρ（TH） < 150.00 mg·L-1]、20.0%的微硬水、40.0%的硬水[300.00 mg·L-1 < ρ（TH） < 450.00 mg·L-1]和30.0%的极硬水[ρ（TH） > 450.00 mg·L-1], 库米什绿洲区潜水ρ（TH）介于228.46~971.94 mg·L-1, 14.3%的微硬水、14.3%的硬水和71.4%的极硬水, 库米什绿洲区承压水ρ（TH）介于529.06~1 182.36 mg·L-1, 均为极硬水. 综上可知, 托克逊绿洲区ρ（TDS）以淡水为主（83.3%）, 库米什绿洲区以咸水为主（66.7%）；托克逊绿洲区ρ（TH）以微咸水和咸水为主, 均为（33.3%）, 库米什绿洲区以极硬水为主（77.8%）. 研究区水样Eh值总体介于59.60~170.20 mV, 均为正值, 表明含水层整体处于氧化环境中. 变异系数可以识别离子的空间变异程度, 变异系数大于1, 则表明空间差异性较大[35]. 托克逊绿洲区承压水中阳离子Na+、Mg2+、阴离子Cl-、SO42-和TDS的空间变异性较大（表 5）, 受空间尺度影响强烈, 其余指标变异系数均小于1, 变异程度相对较小.
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表 5 地下水化学指标统计结果1） Table 5 Statistical results of groundwater chemical indices |
Piper三线图能够在不受人为因素干扰的情况下, 直观地展现研究区地下水水化学总体特征及类型[36~38], 由图 2可知, 地下水化学类型为：Cl-Ca·Mg型（42.8%） > Cl-Na型（33.3%） > HCO3-Na型（14.3%） > SO4-Ca型（4.8%） > HCO3-Na·Ca型（4.8%）, 托克逊绿洲区潜水和承压水均以Cl-Ca·Mg型为主, HCO3-Na型次之, 库米什绿洲区潜水和承压水均以Cl-Na型为主. 结合舒卡列夫分类[39], 研究区共有7种水化学类型.如图 3（a）, 地下水化学类型主要为Cl·SO4-Na·Ca型（33.3%）和Cl·SO4·HCO3-Na·Ca型（23.8%）, 托克逊绿洲区潜水和承压水均以Cl·SO4·HCO3-Na·Ca型为主；库米什绿洲区潜水以Cl·SO4-Na·Ca型为主, 库米什绿洲区承压水水化学类型为Cl·SO4·HCO3-Ca型.
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图 2 主要离子Piper图 Fig. 2 Piper diagram of major ions |
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图 3 地下水水化学类型和水质空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of groundwater hydrochemistry types and quality |
依据检测数据, 选取检测率较高且存在超标现象的K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、F-、pH、TDS、TH和NO3-等12项指标作为评估依据. WQI评价结果见图 3（b）. 托克逊绿洲区潜水均为优秀（Ⅰ类）水质, 托克逊绿洲区承压水优秀、良好（Ⅱ类）和中等（Ⅲ类）水质占比分别为40.0%、50.0%和10.0%, 库米什绿洲区潜水良好、中等、较差和极差（Ⅴ类）水质占比分别为14.3%、14.3%、28.6%和42.8%, 库米什绿洲区承压水较差和极差水质占比分别为50.0%和50.0%. 库米什镇经济主要以农业为主, 导致库米什绿洲区地下水质量较差, 可能来源于农药化肥过量施用和生活污水排放, 致使NO3-超标[39].
3.3 地下水硝酸盐健康风险评估计算地下水中NO3-潜在的人类健康风险, 结果表明（图 4）, 潜水样品中婴儿、儿童、青少年和成年人的HQ范围分别为0.37~7.04、0.06~1.18、0.16~3.02和0.13~2.42, 承压水样品中婴儿、儿童、青少年和成年人的HQ范围分别为0.11~4.07、0.02~0.68、0.05~1.74和0.04~1.40. 托克逊绿洲区潜水样品中所有的婴儿、儿童、青少年和成年人的HQ值均未超过可接受水平（HQ > 1）, 托克逊绿洲区承压水样品中有40.0%和10.0%的婴儿和青少年的HQ超过了可接受水平；库米什绿洲区潜水样品中有86.0%、29.0%、43.0%和43.0%的婴儿、儿童、青少年和成年人的HQ超过了可接受水平. 库米什绿洲区承压水样品中除了儿童的HQ未超过可接受水平之外, 其余人群均超过可接受水平. 托克逊绿洲区NO3-潜在非致癌风险较低, 库米什绿洲区NO3-潜在的健康风险整体较高. 若长期饮用高NO3-的地下水, 可能会增加患上高铁血红蛋白症、多发性硬化症等疾病, 婴儿对NO3-更加敏感, 需要加强婴儿饮用水安全.
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图 4 地下水中硝酸盐对各年龄段人群的风险系数（HQ） Fig. 4 Risk coefficient(HQ) of nitrate in groundwater for all age groups |
Gibbs图早先用于判别地表水中化学成分的形成机制和影响程度[40, 41], 但地下水的形成机制更加复杂多变, 为了适应地下水化学控制机制的研究, 将Gibbs模型进行适度的改进, 模型如图 5所示. 经过改进后的Gibbs模型, 在解析地下水化学成因的控制方面, 已经得到了广泛的认可和应用[8, 42]. 将研究区采集的数据绘制在改进的Gibbs图上, 所有取样点均在Gibbs图之中（图 5）. 托克逊绿洲区潜水和承压水水样主要分布在水-岩作用控制范围内, 说明托克逊绿洲区地下水离子主要受到水-岩相互作用影响, 水样均未落在降水作用附近, 表明降水作用对地下水化学成因几乎不产生影响, 其原因可能是与托克逊绿洲区极低的降水量（年均4.9 mm）有关, 这与白凡等[16]有关吐鲁番盆地的研究结果是一致的. 库米什绿洲区潜水和承压水水样落在蒸发浓缩附近和Gibbs图模型的范围之外, 表明库米什绿洲区地下水离子除了受到蒸发浓缩作用外, 还受到其他因素的影响, 如阳离子交替吸附作用和人类活动等[7].
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图 5 地下水水化学Gibbs图 Fig. 5 Gibbs diagram of groundwater hydrochemistry |
研究区地下水主要离子相关性分析结果见图 6. TDS与K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-和F-间的相关系数r值均在0.65以上, 呈强正相关关系, 表明以上离子迁移转化的途径和来源一致[8, 43]. 一般情况, 在硅酸盐岩和蒸发盐岩的溶解过程中, 会释放出K+和Na+离子. 同时, 碳酸盐岩及蒸发盐岩的溶解会产生Ca2+和Mg2+离子. 此外, Cl-和SO42-离子主要来源于蒸发盐岩的溶解[10, 44].
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椭圆的大小直观呈现两者之间的相关性系数, 椭圆越窄则表明两者之间的显著性越强, 反之椭圆越宽显著性相对较弱；椭圆的方向则明确指示两者之间的正负相关性, 当椭圆呈现向右倾斜时意味着两者之间存在正相关关系, 而当椭圆向左倾斜时, 则表明两者之间存在负相关关系；色柱则是对相关性系数的线性映射；*表示在0.05水平上相关性显著；**表示在0.01水平上相关性显著 图 6 地下水化学参数相关系数 Fig. 6 Correlation coefficient of hydrochemical parameters for groundwater |
端元法可用于深入探究地下水水化学演化过程受水岩作用的影响, 通过对Ca2+/Na+、HCO3-/Na+和Mg2+/Na+的关系分析, 可以初步评估碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩矿物溶解作用对地下水水化学组分贡献的程度[45]. 根据图7（a）和7（b）所示, 托克逊绿洲区潜水和承压水水样分布于硅酸盐岩端元控制附近, 且更靠近硅酸盐岩端元, 说明托克逊绿洲区硅酸盐岩在水-岩相互作用中可能起主要的影响作用. 库米什绿洲区潜水和承压水水样分布于硅酸盐岩及蒸发盐岩周围, 表明库米什绿洲区整体上受硅酸盐岩及蒸发盐岩溶解作用.
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图 7 研究区地下水离子端元图 Fig. 7 Ion end-member diagram of groundwater in the study area |
利用N（Na++K+）/N（Cl-）可以判断Na+和K+的来源[8, 46]. 由图 8（a）中可以看出, 托克逊绿洲区潜水和承压水样均位于y=x线附近, 表明托克逊绿洲区Na+和K+除了盐岩的溶解外还发生着硅酸岩矿物溶解.库米什绿洲区潜水和承压水水样多数靠近且位于y=x线的附近, 承压水稍微偏离y=x线, 表明地下水中Na+和K+的可能除了来源于蒸发岩盐溶解和硅酸盐岩溶解, 还可能受到阳离子交换、人类活动等因素影响[10].
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图 8 研究区主要离子之间关系 Fig. 8 Relationship among major ions in the study area |
N（Ca2++Mg2+）/N（HCO3-+SO42-）的关系可以判断碳酸盐岩或蒸发盐岩及硅酸盐岩的溶解对离子组分的影响[47, 48], 如图 8（b）所示, 托克逊绿洲区仅有2组承压水位于y=x线上方, 其余水样均在下方, 表明托克逊绿洲区主要是蒸发盐岩及硅酸盐岩溶解, 与端元图相对应, 进一步证明了托克逊绿洲区离子组分受蒸发盐岩及硅酸盐岩的溶解作用. 库米什绿洲区2组潜水和1组承压水位于y=x线上方, 其余均位于下方, 表明库米什绿洲区地下水主要受到蒸发盐岩及硅酸盐岩溶解作用[10, 48].
为了更准确地判断蒸发盐岩和碳酸盐岩的溶解对离子组分的贡献程度, 分析了N（SO42-+Cl-）与N（HCO3-）的关系[49]. 当比值位于y=x线上方时, 地下水中化学成分主要受蒸发盐岩的溶解, 反之则为碳酸盐岩溶解. 如图 8（c）, 托克逊绿洲区仅有1组潜水和2组承压水取样点分布在y=x线下方, 其余取样点分布在上方, 说明托克逊绿洲区地下水中潜水和承压水水化学主要受蒸发盐岩溶解作用. 库米什绿洲区取样点均在y=x线上方, 说明库米什绿洲区地下水中的离子主要以蒸发盐岩的溶解为主. 判断地下水成分是否源于芒硝的溶解作用, 可利用N（Na+）/N（SO42-）来揭示[50]. 托克逊绿洲区和库米什绿洲区绝大多数地下水样品中Na+与SO42-的比值接近y=x[图 8（d）], 芒硝的溶解作用可能是导致区域地下水Na+与SO42-浓度增加的原因[51].
3.4.3 地下水阳离子吸附作用阳离子交换作用对地下水化学成分具有显著影响[42, 51]. 利用N（Na++K+-Cl-）与N（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）的比值关系能够判别地下水中阳离子的交换作用. 当N（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）值小于N（Na++K+-Cl-）值时, 说明地下水阳离子为正向交换作用, 反之则为阳离子逆向交换作用. N（Na++K+-Cl-）与N（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）的线性拟合关系越接近-1时, 表示阳离子之间的交换作用越强烈[52]. 如图 9（a）所示, 研究区N（Na++K+-Cl-）和N（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）的拟合斜率为-1.39（R2=0.94）, 托克逊绿洲区和库米什绿洲区水样均位于拟合线周围, 说明研究区地下水阳离子交换作用显著.
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图 9 研究区地下水阳离子交换 Fig. 9 Groundwater cation exchange capacity in the study area |
为了进一步探明地下水中阳离子发生的交替吸附作用, 可以利用氯碱指数（CAI）（chloro-alkaline index, meq·L-1）进行分析, 计算公式如下：
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(6) |
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(7) |
若地下水中的CAI1与CAI2呈正值, 表明阳离子发生逆向交换作用, 则含水介质中Na+和K+被吸附, Ca2+和Mg2+被解吸, 其绝对值的大小可以判别地下水中阳离子交替吸附作用的强弱, 绝对值越大吸附作用越强烈, 反之亦然[8, 21]. 研究区地下水CAI1值介于-1.75~0.62之间, 均值为0.15；CAI2值介于-0.15~0.80, 均值为0.14. 氯碱指数如图 9（b）所示, 除了托克逊绿洲区3组承压水（CAI1与CAI2）呈负值外, 其余取样点均呈正值, 表明研究区地下水演化过程中阳离子主要发生了逆向交换作用, 地下水中的Na+和K+被矿物颗粒吸附而浓度降低, 含水介质中的Ca2+和Mg2+被解吸, 导致Ca2+和Mg2+盈余.
3.4.4 人类活动影响人类影响地下水的主要活动有工业废水的排放和化肥的大量使用. 据水文地质调查可知, 托克逊绿洲区有一大型工厂（图 1）, 库米什绿洲区东西两端有大面积耕地. 由水化学指标统计表（表 5）可知, 托克逊绿洲区地下水中潜水的NO3-均未超标, 承压水超标率为30.0%, 库米什绿洲区潜水超标率为57.1%, 承压水全部超标. 因此, 可以通过NO3-/Na2+与SO42-/Ca2+的关系来识别不同人类活动所产生的影响[21]. 由图 10（a）可知, 托克逊绿洲区和库米什绿洲区地下水取样点多数分布在工业活动剧烈的区域. 潜水水样中, 工业活动对地下水的影响远大于农业活动, 对承压水水样的影响也表现出向受工业活动影响转变的趋势, 这与在实际采样过程中的调查结果相似. 利用Cl-/Na+和NO3-/Na+的关系可以验证不同来源对地下水硝酸盐组分的影响[53]. 由图 10（b）可以发现, 托克逊绿洲区主要在蒸发盐岩附近, 有个别水样点趋向于农业活动, 说明托克逊绿洲区地下水硝酸盐受到蒸发盐岩的影响. 库米什绿洲区地下水取样点44.0%分布在蒸发盐岩端元附近, 56.0%取样点呈现向农业活动端元迁移的趋势, 这表明库米什绿洲区的地下水受到农业活动的影响.
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图 10 人类活动对地下水水质的影响 Fig. 10 Impact of anthropogenic activity on groundwater quality |
由前文分析可知, 研究区地下水水化学特征中氯离子偏高, 为进一步探明地下水化学组分特征及各污染源的影响程度, 本文基于PCA-APCS-MLR模型分析各污染物来源, 选取K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS、TH、NO3-、F-和耗氧量等12项指标进行污染源分析. 通过KMO和Bartlett球形检验主成分分析PCA的适用性. 由检验结果可知, KMO值为0.66 > 0.60, 同时Bartlett球形检验P值接近于0, 满足P < 0.05的置信度, 满足PCA的适用性, 表明12个变量间有较强的相关关系. 公因子特征值和成分矩阵如表 6, 依据方差贡献率, 将前3个作为主成分提取出来进行分析, 分别为主成分F1（贡献率为66.1%）、主成分F2（贡献率为15.8%）和主成分F3（贡献率为8.0%）, 累计贡献率为89.9%.
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表 6 公因子特征值和成分矩阵1） Table 6 Common factor eigenvalues and component matrix |
利用IBM SPSS Statistics 22降维功能的因子分析计算得到21组取样点的因子特征值, 结果如表 6所示. 由公因子特征值与成分矩阵可以得出, 影响区内地下水的主要因素是主成分F1, 其主要荷载有TDS、SO42-、TH、Ca2+、K+、Mg2+、Cl-和Na+. TDS与其他指标呈现正相关关系（图 6）. 地下水在水文循环过程中会携带与滞留多种溶解性盐类物质, 经过长时间的迁移, 使得地下水中的化学组分含量得以逐渐累积. 研究区含水层岩性以砾岩、砂岩为主, 孔隙发育, 透水性好, 有良好的径流条件, 由前文溶滤作用可知蒸发盐岩的溶解占主导地位, 其在地下水循环中发生强烈的交替作用, 形成可溶的Na+、Ca2+和Mg2+等离子, 进而影响着溶解性总固体（TDS）和总硬度（TH）的变化, 因此将主成分F1命名为“溶滤-富集”作用.
主成分F2主要荷载为NO3-和耗氧量. 地下水中NO3-的来源主要可分为两类即人类活动排放和自然来源：人类活动包括生活污水、化肥及工业污染等；自然来源包括固氮菌生成和大气中的氮氧化物在降水过程中溶解形成硝酸, 进而与土壤中的矿物发生反应生成NO3-[4]；地下水体承受有机污染的程度可以用耗氧量来表示, 生活污水和工业废水的排放是导致地下水有机物污染的主要因素[54, 55]. 托克逊县绿洲区降水稀少, 受到自然来源的可能性较小, 由本文3.4节的人类活动可知, 托克逊绿洲区极大可能受到工厂污染和农业活动的双重影响, 库米什绿洲区主要受到农业活动影响, 导致水中有机物含量增高, 因此将F2命名为“人类活动”作用.
主成分F3主要的影响指标为F-, F-与其正相关性最高. 研究区地下水处于碱性环境, 使Ca2+活度降低, 抑制CaF2生成, 而OH-易于置换含氟矿物中的F-[56, 57], 另外在自然界中F-主要源于原生沉积矿物溶解[58]. 由此将F3命名为“原生地质”作用.
3.6 主成分得分空间分布特征利用ArcGIS软件中的克里金插值法绘制主成分得分的空间分布特征（图 11）, 因子综合得分由F=（66.1F1+15.8F2+8.0F3）/89.9计算得出, 得分越高, 表明该区域受到该污染源的程度越严重.
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图 11 研究区主成分得分空间分布特征 Fig. 11 Spatial distribution characteristics of principal component scores in the study area |
主成分F1得分的分布规律[图 11（a）]为南高北低, 整体呈现条状分布特征, 其中托克逊绿洲区夏镇东部一带得分最高, 该处为地下水径流末端, 随着水力坡度的减缓, 水岩相互作用有所降低, 水文地球化学作用开始从溶解-迁移模式向迁移-富集模式转变；库米什绿洲区由中间向东西两边扩散.
主成分F2得分高表示地下水中有机物和硝酸盐氮的含量较高. 如图 11（b）所示, 托克逊绿洲区西部的博斯坦镇和伊拉湖镇污染相对较高、夏镇以北次之, 托克逊镇工厂下游周边受到污染. 库米什绿洲区东西两端污染较为严重, 据实际调查发现该区域主要分布于耕地范围内, 以农业灌溉为主, 地下水开采程度大, 主要是人类活动所导致.
主成分F3得分低值区[图 11（c）]出现托克逊绿洲区西南部, 夏镇附近污染程度相对较高. 库米什绿洲区污染较为严重的得分高值区出现在东西两端, 其分布趋势由中间向东西两端逐渐增高, 托克逊绿洲区高分区反映了F-分布特征. 库米什绿洲区主要以农业灌溉为主, 区域内无地表水, 导致不合理开采地下水, 加剧了地下水水质不断恶化, 造成库米什绿洲区污染面积增大.
通过因子得分函数计算综合因子得分, 结果如图 11（d）所示, 说明研究区都有不同程度的污染. 其中托克逊绿洲区整体污染程度较低, 夏镇东部遭受污染较为严重, 可能由于夏镇处于工厂附近, 工厂污水排放导致污染严重. 库米什绿洲区污染源主要分布于东西两端, 可能由于该地区东西两端是大面积种植区域.
4 结论（1）托克逊县绿洲区由独立的托克逊绿洲区和库米什绿洲区组成. 地下水主要呈碱性；托克逊绿洲区主要为淡水（83.3%）、微硬水（33.3%）和硬水（33.3%）, 库米什绿洲区主要为咸水（66.7%）和极硬水（77.8%）；研究区地下水水化学类型共计7种, 托克逊绿洲区以Cl·SO4·HCO3-Na·Ca型为主, 库米什绿洲区以Cl·SO4-Na·Ca型为主. 地下水水化学成分主要受蒸发盐岩溶解作用、阳离子交换作用及人类活动等影响.
（2）托克逊绿洲区地下水水质整体较好, 以Ⅰ和Ⅱ类水为主（91.7%）, 库米什绿洲区水质整体较差, 以Ⅳ和Ⅴ类水为主（77.8%）. 根据地下水健康风险评估, 托克逊绿洲区婴儿（40.0%）和青少年（10.0%）地下水NO3-经饮水途径暴露的非致癌健康风险超过可接受水平（HQ > 1）, 库米什绿洲区婴儿（86.0%）相对于儿童（29.0%）、青少年（43.0%）和成人（43.0%）受到NO3-污染物非致癌健康风险更高. 对于托克逊县绿洲区整体而言, 需加强婴儿饮用水安全.
（3）PCA-APCS-MLR模型结果显示, 托克逊绿洲区和库米什绿洲区地下水主要受到溶滤-富集作用、人类活动作用和原生地质作用等3个主成分的影响, 其贡献率分别为66.1%、15.8%和8.0%. 夏镇东部地下水主要受溶滤-富集作用的影响, 博斯坦镇东部和库米什镇东西部受到人类活动较为强烈.
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