辉县地区地下水水化学特征及水质评价

崔夜晨，刘久潭，高宗军，蔡五田

（1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛266590；2.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东青岛266590；3.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071000）

0 引 言

地下水是重要的自然资源，在社会经济的发展中扮演着极其重要的角色[1]。近年来，随着经济发展和科技的进步，农业、工业用水量与日俱增，地下水量以及水质的变化对社会、环境，人类生活产生了巨大的影响。尤其是农业灌溉区，工业聚集区以及人类聚居区，对于地下水的用量需求迅速增加，造成了地下可用水量减少，水位下降等问题。地下水的水化学特征受多种因素影响，如：地质背景、水文地质条件、气象气候以及人类活动等[2]。地下水在径流过程中不断与周围环境发生反应，水化学特征和水质也相应地发生改变，水质的优劣直接关系到当地居民的用水安全问题[3-5]。因此，查明一个地区的地下水水化学特征及水质状况，确定其污染来源，对区域地下水的污染防治及水资源保护有重要实际意义[5-7]。然而，目前有关辉县地区地下水水化学特征、水质及污染源解析方面的相关研究十分有限。因此，本次基于辉县地区的56 件地下水样品的水质数据，分析其水化学特征、评估水质状况，解析其污染来源，研究结果为辉县地区地下水资源的开发利用和管理保护提供一定的科学依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辉县地区位于太行山前新乡市西北地区，区内村镇众多。总体地势呈北高南低，北为太行山脉，南为山前冲洪积倾斜平原。研究区属于暖温带大陆性气候，四季分明，降水主要集中在雨季；区内水系发育，河流众多，主要有石门河、黄水河、白泉河、南水北调渠和共产主义渠等。潜水在区内广泛分布，主要赋存于上更新统、全新统（Q3+Q4）含水岩组，含水介质主要是第四系松散的砂卵石层、砂层，水量较丰富，含水层底板埋深50～150 m，含水层厚度15～70 m，由北部山前冲洪积扇向南部扇前洼地渐厚。地下水补给来源主要是大气降水入渗、汛期洪水渗透、渠系灌溉补给及北部基岩山区岩溶水侧向补给；主要径流方向是北西-南东向和北东-南西向，局部地区出现地下水下降漏斗；排泄方式主要是人工开采和地下水径流排泄。地下水主要用于农田灌溉、工业用水和生活用水。由1949-2011年，辉县地区人口由35.93 万人增加到了81万人，生活用水量每年增加2 000万m3；农业有效灌溉面积增加了4.25万hm2，灌溉需用水量约增加2.50亿m3；根据有效估算，每年的工业用水量约5 500万m3。辉县地区地下水采样点分布位置及流场图见图1。

图1 辉县地区地下水采样点分布位置及流场图Fig.1 Distribution of groundwater sampling points and flow field in Huixian Country

1.2 数据来源与分析方法

本文借助中国地质调查局水文地质环境地质调查中心“豫北山前冲洪积扇含水层水质调查”项目（DD20160310），数据来源为2016年丰水期采集的56 件地下水样品，样品的采集、运输和保存参照ISO 5667-3：1985《水质—采样—样品保存和管理技术指导》，现场测试指标为pH、水温、溶解氧、电导率、氧化还原电位，37 项无机指标委托北京中科英曼环境检测有限公司测试完成，主要是总硬度（TH）、TDS、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-和NO3-等。运用SPSS 20 进行数理统计分析水化学参数特征，利用Piper三线图、Gibbs图和趋势分析法分析水化学类型及其演化特征，运用内梅罗指数法和模糊数学综合法进行水质评价，最后运用主成分分析进行了地下水污染源解析。

2 结果与分析

2.1 地下水水化学特征

2.1.1 水化学参数统计特征

辉县地区地下水水化学参数统计结果见表1。如表1所示，地下水pH 值范围为6.81～8.36，平均值为7.29，整体呈弱碱性；总硬度（TH）范围为118.00～1 580 mg/L，平均值为470.88 mg/L，整体属于硬水；TDS 范围为211～2 320 mg/L，平均值为746.13 mg/L，整体属于低矿化度水。地下水中主要阴阳离子是HCO3-、SO42-、Ca2+，阳离子浓度均值呈Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+的关系，阴离子浓度均值呈HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-的关系。从变异系数[15]方面分析，pH 变异系数为0.04，说明其在地下水中较为稳定；而K+、Na+、Cl-、SO42-和NO3-的变异系数大于等于1.00，说明它们在地下水中空间变异性较强，局部地下水受到人为因素影响较大。

表1 辉县地区地下水水化学参数统计表Tab.1 Statistics of groundwater hydrochemical parameters in Huixian Country

2.1.2 水化学类型及空间分布特征

辉县地区地下水Piper 三线图，如图2所示。在阳离子三线图中，大部分水样点靠近Mg2+轴，且分布较为集中，但有1个水样点靠近Ca2+轴和Na++K+轴相交端；在阴离子三线图中，水样点主要分布于HCO3-+CO32-轴和Cl-轴相交端，且有向SO42-轴发散趋势。根据舒卡列夫分类法[9]进行地下水化学类型分类，可知主要水化学类型是HCO3-Ca 型和HCO3-Ca·Mg 型水，占总样品的67.9%。

图2 地下水Piper三线图Fig.2 Piper diagram of groundwater

研究区地下水阳离子以Ca 型、Ca·Mg 型为主，空间分布较均匀，有1 个Na 型水点位于孟庄镇孟庄村，主要受到金属加工企业废水影响。阴离子类型分布示意图见图3，HCO3型水全区分布广泛，主要受北部太行山区HCO3-Ca 型岩溶水侧向补给影响，是研究区天然水质；HCO3·SO4型水位于赵固乡北部、云门镇北部、县城、峪河镇和占城镇局部地区；HCO3·Cl 型水位于占城镇东北、孟庄镇东南和洪洲乡局部地区；HCO3·SO4·Cl 型水位于孟庄镇局部地区；SO4·HCO3型水位于薄壁镇东部、云门镇东部和占城镇以南卫河沿线局部地区。根据野外调查资料可知，HCO3·SO4型、HCO3·Cl 型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水主要位于村镇区、农田区和养殖场附近，受人为因素影响明显。

图3 地下水阴离子类型分布示意图Fig.3 Schematic diagram of the distribution of groundwater anion types

2.1.3 地下水水化学时间变化规律

近几十年来，在自然和人为两大因素的综合影响下，辉县地区的地下水化学特征发生了明显的变化，本文以1990年、2000年的水化学资料对研究区地下水水化学演化规律进行分析。根据《河南省辉县市黄水河冲积扇供水水文地质勘察报告（1990年）》[10]，90年代研究区的地下水受人为的影响较小，主要是HCO3型水，局部地区出现HCO3·SO4型水；随着社会经济的飞速发展，人类活动对地下水的影响不断加强[11]，县城地区HCO3·SO4型水覆盖区域有所扩大，且在卫河沿线部分区域发现HCO3·Cl 型水，但是研究区地下水仍以HCO3型水为主；对比本次研究结果与早期的结论，不仅县城地区HCO3·SO4型水覆盖区域继续扩大，在峪河镇和占城镇局部地区也出现HCO3·SO4型水，而且研究区的局部地区出现了HCO3·Cl型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水；不过HCO3型水仍然是研究区主要的水类型，但其覆盖面积有所减小。总的来说，研究区地下水化学类型演化趋向复杂，受到人为因素影响逐年增大。

根据2016-2018年多组枯丰期水质资料，选取3 个典型长期监测井JC04（位于洪洲乡西-冲洪积扇顶区），JC05（位于赵固乡东-冲洪积扇中区）和JC01（位于大块镇东-冲洪积扇缘区），对其中的Cl-、NO3-等离子进行对比分析。如图4(a)所示，随着时间变化，TH 整体呈下降趋势，但在2017年JC05观测井中出现极大值，这是由于此地当年的降水量减少较大，Ca2+、HCO3-离子浓度异常偏大所致；如图4(b)所示，JC01 观测井中TDS 起伏不大，而JC05 观测井中TDS 变化幅度较大，在2017年枯水期和2018年丰水期浓度极高，可能是由于JC05附近水文交替条件较差，使得地下水中的Ca2+、SO42-增大造成的；如图4(c)所示，SO42-在JC04 和JC01 中的观测值变化不大，但2017年JC05中观测值异常偏大，于2017年丰水期达到最大值，推测是人为污染以及降水量增大直接导致地下水中SO42-浓度增大；如图4(d)所示，NO3-浓度不是很高，整体均呈减小的趋势，但根据JC05 的观测曲线可知，NO3-呈现枯水期浓度高，丰水期浓度低的特点，推测在丰水期降水量偏高，以及白泉河的渗漏补给所致，而在枯水期，因为农业施肥，污水灌溉导致浓度偏高；如图4(e)、图4(f)所示，Na+、Cl-浓度整体呈减小的趋势，且基本一致，这是因为研究区近年来环保强度较高，一定程度上导致了水中离子浓度的减小，2016年JC01中Cl-浓度陡增，这是因为工业生产的影响。

图4 3个典型监测井水质随时间变化规律Fig.4 The water quality of 3 typical monitoring wells changes with time

总体来看，各离子浓度随着时间的变化均呈减小的趋势，说明研究区的水质情况在逐渐变好；整体上，各离子相对应的浓度大小根据观测井来排序是JC05＞JC01＞JC04，因为JC04受北部太行山区基岩水影响，加之所处地形切割强烈，水文交替好，水质较好。JC01 受上游化工企业生产活动的影响较大，在一定时间内离子浓度有不用幅度的增大。而JC05 所在地区地势较平坦，水文交替条件较差，可能受农业生产的影响较大。可见，不同区域地下水水质的季节变化和年际变化有较大差异，人类活动强度、降水量及水岩作用对其有不同程度的影响。

2.1.4 地下水水化学控制因素分析

通常用Gibbs 模型图解[12,13]来分析地下水主要化学组分的控制因素，主要是大气降水控制、水岩作用控制和蒸发-结晶作用控制。如图5所示，地下水点TDS 范围为211～2 320 mg/L，大部分样品的Na+/(Na++Ca2+)比值小于0.5，Cl-/(Cl-+HCO3-)比值也小于0.5，水样点大都落在水岩作用控制区，说明研究区地下水水化学主要受水岩作用控制，而大气降水作用和蒸发结晶作用影响较小。

图5 研究区地下水化学Gibbs图解Fig.5 Gibbs diagram of groundwater hydrochemistry in the study area

2.1.5 地下水水化学相关性分析

如表2所示，TDS与Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-的相关性较好，其中TDS 与Ca2+、Mg2+、HCO3-呈高度相关，说明Ca2+、Mg2+、HCO3-含量对TDS 贡献较大。Cl-与Na+呈高度相关，说明可能存在岩盐矿物的溶解，而Cl-和Na+也可能来源于化工及金属加工企业废水；HCO3-与Mg2+、Ca2+相关性较好，说明存在灰岩等碳酸盐岩矿物的风化溶解；SO42-与Ca2+、Mg2+相关性较好，说明存在石膏等含硫矿物的溶解，SO42-也可能来源于化工厂或农田含硫化肥使用。其他水化学组分间相关性较弱。

表2 地下水水化学组分间相关性分析Tab.2 Correlation analysis of groundwater water chemical components

2.2 地下水质量评价

通过水质评价能够科学客观的了解研究区地下水质量状况，有利于地下水污染防治和水资源保护[14]。依据《地下水质量标准》（GBT 14848-2017），选取TH、TDS、Na+、SO42-、Cl-、NO3-、NH4+、Fe 和Pb 9 项评价因子，运用内梅罗指数法[15]和模糊数学综合法[16]对辉县地区地下水进行水质评价，结果见表3。内梅罗指数法评价结果表明，地下水水样水质较好及以上的有29 个，约占总样品的51.8%，水质较差及以下的有27 个，约占48.2%，认为研究区地下水质量相对一般，主要影响指标是TH、TDS和SO42-，此外NH4+、Fe和Pb对局部地下水水质也有影响；模糊数学综合法评价结果表明，地下水Ⅲ类及以上水质的有44 个，约占78.6%，而Ⅵ、Ⅴ类水的有12个，约占21.4%，认为研究区地下水水质整体较好。模糊数学综合评价结果相比内梅罗指数法整体偏好，这是由于前者充分考虑到地下水中诸多指标对水质的综合影响，使评价结果科学客观。

表3 地下水质量评价结果Tab.3 Groundwater quality evaluation results

根据模糊数学综合评价结果绘制地下水水质分区图(图6)。如图6所示，辉县地区大部分地下水是Ⅲ类水，Ⅳ类水位于占城镇以北、孟王庄镇以南的局部地区，Ⅴ类水主要位于薄壁镇以东、孟庄镇西南、赵固乡以南及占城镇以北的条带区域，也在卫河沿线及大块镇地区呈条带状出现。经野外调查可知Ⅵ、Ⅴ类水主要位于农田区、工业区或人口聚集区，受到人为因素污染较大。此外，根据研究区地表水水质数据可知，卫河水的TH、TDS 和SO42-浓度较高，其对周边地下水水质有影响。

图6 地下水质量分区图Fig.6 Distribution diagram of groundwater quality

2.3 地下水污染源解析

多元统计-因子分析主要用于复杂环境下污染源解析，通过对水质污染数据进行降维处理，从具有同源关系或相似水化学意义的多项指标中提取代表性因子，来解释影响水质的污染源情况[17，18]。本次研究对前文9项评价因子数据进行标准化处理，经KOM 检验值为0.567，Bartlett 球形检验中Sig 值为0，说明具有显著性，可以做因子分析。根据主成分分析中特征值大于1的原则，利用最大方差法进行成分旋转，共提取了3 个公因子，累计方差共解释了73.068%的信息量，说明可以较好地解析污染源情况（表4）。

如表4所示，第一公因子（F1）解释了46.926%的信息量，其与TH、TDS、Na+、Cl-、SO42-和NO3-相关性较好，而SO42-和NO3-主要来源于研究区农业中硫肥和氮肥，故F1 可以解析为农业生产活动影响。辉县地区农业发达，农田面积较广且集中分布，根据水质测试数据及野外现场调查资料可知，薄壁镇东部、占城镇西北部、云门镇东部、孟庄镇地区及卫河、峪河沿线局部农田区地下水中SO42-、NO3-浓度超标，农业生产中大量使用氮肥和硫肥导致地下水水质污染。第二公因子（F2）解释了13.886%的信息量，其与NH4+呈高度相关，由于人类生活污水和养殖场污水经微生物作用会释放出NH4+，因此F2 可以解析为生活废水和养殖废水影响。NH4+异常高值区位于孟庄镇、大块镇、占城镇及卫河沿线村镇，居民生活废水和养殖场污水随意排放造成了局部地下水污染。第三公因子（F3）解释了12.256%的信息量，其与Fe 呈高度相关，Fe 主要来源于冶炼、工矿和电镀等，因此F3 可以解析为工矿企业活动影响。Fe 异常高值区出现在洪洲乡北部、占城镇西部及薄壁镇西北局部，野外调查发现该类水井附近有金属厂、矿山或固废堆，工业活动排放的废水废渣对地下水造成了污染。

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

3 结 论

（1）辉县地区地下水中主要阴阳离子是HCO3-和Ca2+，阳离子浓度均值呈Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+的关系，阴离子表现为HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-。地下水样品pH 均值为7.29，整体呈弱碱性；TH 均值为470.88mg/L，TDS 平均值为746.13 mg/L，属于低矿化硬水。

（2）地下水水化学类型主要为HCO3-Ca 和HCO3-Ca·Mg型。不同时期水质数据对比表明水化学类型由简单演化到复杂， HCO3型水的区域面积减小，受人为因素影响的HCO3·SO4型、HCO3·Cl 型、HCO3·SO4·Cl 型和SO4·HCO3型水面积增大。水化学主要受水岩作用控制，同受到地表水和人为因素影响。

（3）基于内梅罗指数和模糊数学综合评价法，研究区地下水质整体较好，主要影响因素有TH、TDS 和SO42-。农业生产用到水量各地区比较均匀，用化肥农药对地下水水质有影响。大量的生活供水，会造成地下水位下降，生活排放的污水可能会污染水质，两者主要是影响浅层水，基本不影响深层水。在城镇化的快速发展过程中需要加强地下水水质动态监测，控制污染源，减少废水排放，合理使用农药化肥。

（4）主成分分析共提取3 个公因子，能够解释73.068%的污染源信息。公因子F1 方差贡献率46.926%，解析为农业生产活动影响，公因子F2 方差贡献率13.886%，代表生活废水和养殖废水影响，公因子F3 方差贡献率12.256%，表征为工矿企业活动影响。