西安主城区地下水化学特征及水质评价

刘宜鑫, 商佳涛, 钱会, 王海科, 高燕燕. 西安主城区地下水化学特征及水质评价[J]. 环境化学, 2022, 41(6): 1976-1987. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021020205
引用本文: 刘宜鑫, 商佳涛, 钱会, 王海科, 高燕燕. 西安主城区地下水化学特征及水质评价[J]. 环境化学, 2022, 41(6): 1976-1987. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021020205
LIU Yixin, SHANG Jiatao, QIAN Hui, WANG Haike, GAO Yanyan. Groundwater chemical characteristics and water quality evaluation in the main urban area of Xi’an[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(6): 1976-1987. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021020205
Citation: LIU Yixin, SHANG Jiatao, QIAN Hui, WANG Haike, GAO Yanyan. Groundwater chemical characteristics and water quality evaluation in the main urban area of Xi’an[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(6): 1976-1987. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021020205

西安主城区地下水化学特征及水质评价

    通讯作者: E-mail:qianhui@ chd.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金(41931285,41790441),国家111引智计划项目(B08039)和中央高校基本科研业务费专项资金(300102291726,300102292901)资助

Groundwater chemical characteristics and water quality evaluation in the main urban area of Xi’an

    Corresponding author: QIAN Hui, qianhui@chd.edu.cn
  • Fund Project: National Natural Science Foundation of China (41931285, 41790441),the Programme of Introducing Talents of Discipline to Universities (B08039) and Fundamental Research Funds for the Central Universities (300102291726,300102292901).
  • 摘要: 城市地下水环境对城市的可持续发展具有重要意义。本文运用数理统计分析、改进的模糊综合评价、综合评价法、水化学和因子分析法对研究区地下水水化学特征及水质进行分析评价。结果表明,研究区地下水中钠离子、钙离子、硫酸根和碳酸氢根相对含量较高,承压水水化学组分比潜水稳定。潜水的水化学类型主要是HCO3-Ca·Mg和SO4·Cl-Ca·Mg·Na,承压水的水化学类型主要是HCO3-Na和HCO3-Ca·Mg。两种评价方法均显示,研究区潜水以Ⅱ类和Ⅲ类水居多,模糊综合评价法显示研究区承压水大部分为Ⅰ类水,而综合评价法显示研究区多为Ⅱ类、Ⅲ类水。水岩作用是水化学组分的主要控制因素。相较于承压水而言,潜水水质存在不同程度的污染,潜水污染的原因主要包括原生地质背景污染和人为污染两大类。该研究为研究区地下水资源的合理开发利用和生态环境保护与建设提供了理论依据。
  • 加载中
  • 图 1  研究区位置与取样点分布图

    Figure 1.  Location of the study area and distribution of sampling points

    图 2  潜水和承压水piper三线图

    Figure 2.  Piper diagram of phreatic water and confined water samples

    图 3  潜水与承压水Gibbs图

    Figure 3.  Gibbs plots of phreatic water and confined water samples

    图 4  潜水(a、b)和承压水(c、d)水质综合评价

    Figure 4.  Comprehensive evaluation of phreatic water (a, b) and confined water (c, d) quality

    图 5  因子得分等值线图

    Figure 5.  Contour map of factor score

    表 1  潜水和承压水主要化学组分统计特征(除pH外,单位为mg·L−1

    Table 1.  Statistical characteristics of main chemical components of phreatic water and confined water (except pH, unit: mg·L−1

    指标Indicators潜水 Phreatic water承压水 Confined water
    最大值Max最小值Min平均值Average标准差
    SD
    变异系数/% CV最大值Max最小值Min平均值Average标准差
    SD
    变异系数/% CV
    pH 8.42 6.99 7.62 0.29 3.78 8.6 7.49 8.09 0.26 3.23
    K+ 80.1 0.65 6.76 14.07 207.92 3.36 0.37 1.27 0.66 52.07
    Na+ 365 1.07 102.48 63.42 61.89 157 15.6 66.98 39.06 58.32
    Ca2+ 481 12 103.12 72.55 70.36 140 8.02 46.64 30.66 65.74
    Mg2+ 136 2.43 53.64 30.45 56.77 63.2 1.22 16.35 13.03 79.67
    Cl- 709 7.09 89.22 100.94 113.14 81.5 3.54 29.18 22.7 77.8
    ${\rm{SO}}_4^{2 - } $ 1633 14.4 176.39 234.31 132.83 490 4.8 57.04 83.95 147.17
    ${\rm{HCO}}_3^ - $ 708 55 449.66 140.86 31.33 470 146 275.3 87.74 31.87
    ${\rm{NO}}_3^ - $ 185 2.97 62.01 44.3 71.44 114 2.72 24.77 28.9 116.7
    ${\rm{NO}}_2^ - $ 5.161 0.007 0.25 0.83 326.79 0.451 0.004 0.05 0.11 204.6
    TDS 2628 100 808.53 403.66 49.93 1112 196 384.24 172.77 44.96
    TH 1651 45 478.21 247.59 51.77 611 25 183.97 118.25 64.28
    指标Indicators潜水 Phreatic water承压水 Confined water
    最大值Max最小值Min平均值Average标准差
    SD
    变异系数/% CV最大值Max最小值Min平均值Average标准差
    SD
    变异系数/% CV
    pH 8.42 6.99 7.62 0.29 3.78 8.6 7.49 8.09 0.26 3.23
    K+ 80.1 0.65 6.76 14.07 207.92 3.36 0.37 1.27 0.66 52.07
    Na+ 365 1.07 102.48 63.42 61.89 157 15.6 66.98 39.06 58.32
    Ca2+ 481 12 103.12 72.55 70.36 140 8.02 46.64 30.66 65.74
    Mg2+ 136 2.43 53.64 30.45 56.77 63.2 1.22 16.35 13.03 79.67
    Cl- 709 7.09 89.22 100.94 113.14 81.5 3.54 29.18 22.7 77.8
    ${\rm{SO}}_4^{2 - } $ 1633 14.4 176.39 234.31 132.83 490 4.8 57.04 83.95 147.17
    ${\rm{HCO}}_3^ - $ 708 55 449.66 140.86 31.33 470 146 275.3 87.74 31.87
    ${\rm{NO}}_3^ - $ 185 2.97 62.01 44.3 71.44 114 2.72 24.77 28.9 116.7
    ${\rm{NO}}_2^ - $ 5.161 0.007 0.25 0.83 326.79 0.451 0.004 0.05 0.11 204.6
    TDS 2628 100 808.53 403.66 49.93 1112 196 384.24 172.77 44.96
    TH 1651 45 478.21 247.59 51.77 611 25 183.97 118.25 64.28
    下载: 导出CSV

    表 2  KMO和Bartlett检验结果

    Table 2.  Results of KMO and Bartlett’s test

    取样足够度的Kaiser-Meyer-Olki检验值
    Sample the Kaiser-Meyer-Olkin test value of
    sufficient degree
    Bartlett的球形度检验
    Bartlett’s test for sphericity
    检验值x2
     The x2 test value
    自由度df 
    Degrees of freedom df
    显著水平sig
    Significant level sig
    0.581689.877780.000
    取样足够度的Kaiser-Meyer-Olki检验值
    Sample the Kaiser-Meyer-Olkin test value of
    sufficient degree
    Bartlett的球形度检验
    Bartlett’s test for sphericity
    检验值x2
     The x2 test value
    自由度df 
    Degrees of freedom df
    显著水平sig
    Significant level sig
    0.581689.877780.000
    下载: 导出CSV

    表 3  潜水水质旋转因子荷载矩阵及其主因子贡献率

    Table 3.  The water quality rotation factor load matrix and its main factor contribution rates of phreatic water

    指标
    Indicators
    因子Factor
    F1F2F3F4
    TH0.908−0.2310.2910.088
    TDS0.8680.0170.4190.176
    ${\rm{SO}}_4^{2 - } $0.967−0.0010.013−0.094
    Cl0.422−0.0270.8790.003
    Fe0.5130.012−0.086−0.641
    Mn0.88−0.083−0.052−0.312
    ${\rm{NH}}_4^ + $−0.023−0.040.946−0.076
    F−0.0480.9630.0350.076
    Cr6+−0.030.206−0.0810.263
    As0.030.962−0.0160.008
    ${\rm{NO}}_3^ - $-N0.082−0.008−0.0440.896
    ${\rm{NO}}_2^ - $-N−0.111−0.0730.088−0.057
    pH−0.4650.55−0.3440.078
    特征值4.6612.11.7131.284
    贡献率/%30.51317.43615.96211.15
    累计贡献率/%30.51347.94963.91175.061
    指标
    Indicators
    因子Factor
    F1F2F3F4
    TH0.908−0.2310.2910.088
    TDS0.8680.0170.4190.176
    ${\rm{SO}}_4^{2 - } $0.967−0.0010.013−0.094
    Cl0.422−0.0270.8790.003
    Fe0.5130.012−0.086−0.641
    Mn0.88−0.083−0.052−0.312
    ${\rm{NH}}_4^ + $−0.023−0.040.946−0.076
    F−0.0480.9630.0350.076
    Cr6+−0.030.206−0.0810.263
    As0.030.962−0.0160.008
    ${\rm{NO}}_3^ - $-N0.082−0.008−0.0440.896
    ${\rm{NO}}_2^ - $-N−0.111−0.0730.088−0.057
    pH−0.4650.55−0.3440.078
    特征值4.6612.11.7131.284
    贡献率/%30.51317.43615.96211.15
    累计贡献率/%30.51347.94963.91175.061
    下载: 导出CSV
  • [1] 胡云虎, 张付海, 钮志远, 等. 皖北地区集中式深层地下水饮用水源地水化学特征及水质评价 [J]. 中国科学技术大学学报, 2014, 44(11): 913-920, 925. doi: 10.3969/j.issn.0253-2778.2014.11.005

    HU Y H, ZHANG F H, NIU Z Y, et al. Hydro-chemical characteristics of groundwater in centralized drinking water sources and its quality assessment in northern Anhui Province [J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2014, 44(11): 913-920, 925(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0253-2778.2014.11.005

    [2] 魏屹峤. 我国地下水污染现状与防治对策研究 [J]. 绿色环保建材, 2019(1): 52, 55.

    WEI Y Q. Study on the present situation and countermeasures of groundwater pollution in China [J]. Green Environmental Protection Building Materials, 2019(1): 52, 55(in Chinese).

    [3] 林永生, 裴建国, 杜毓超, 等. 广西姚村地下河水化学特征及其时空变化 [J]. 长江科学院院报, 2016, 33(12): 6-9, 16. doi: 10.11988/ckyyb.20151049

    LIN Y S, PEI J G, DU Y C, et al. Temporal and spatial distribution of the hydrochemical characteristics of Yaocun underground river in Guangxi Province [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2016, 33(12): 6-9, 16(in Chinese). doi: 10.11988/ckyyb.20151049

    [4] 于树宾, 马振民, 张慧申. 南水北调中线焦作典型区浅层地下水污染特征 [J]. 济南大学学报(自然科学版), 2012, 26(1): 91-95.

    YU S B, MA Z M, ZHANG H S. Pollutant characteristics of shallow groundwater in Jiaozuo site of the middle south-to-north water diversion project [J]. Journal of University of Jinan (Science and Technology), 2012, 26(1): 91-95(in Chinese).

    [5] 杨法暄, 郑乐, 钱会, 等. 基于DPSIR模型的城市水资源脆弱性评价: 以西安市为例 [J]. 水资源与水工程学报, 2020, 31(1): 77-84.

    YANG F X, ZHENG L, QIAN H, et al. Vulnerability assessment of urban water resources based on DPSIR model: A case study of Xi'an City [J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2020, 31(1): 77-84(in Chinese).

    [6] 李慧. 城市化影响下西安市地下水流场演变及其机制[D]. 西安: 长安大学, 2018.

    LI H. The evolution of groundwater flow field and its mechanism in xi’an city with the influence of urbanization[D]. Xi'an: Changan University, 2018(in Chinese).

    [7] 吴晓娟. 西安市地下水污染脆弱性与时空动态分析[D]. 西安: 陕西师范大学, 2007.

    WU X J. Analysis of vulnerability of groundwater pollution and space-time change in xi’an city from 1985 to 2003[D]. Xi'an: Shaanxi Normal University, 2007(in Chinese).

    [8] 张琼华. 西安南郊长安地区浅层地下水水质分析及健康评价[D]. 西安: 陕西师范大学, 2006.

    ZHANG Q H. Quality analysis and evaluation on shallow groundwater in Chang’an area of xi’an[D]. Xi'an: Shaanxi Normal University, 2006(in Chinese).

    [9] 周彦龙. 西安市地下潜水系统对城市化进程的响应[D]. 西安: 长安大学, 2018.

    ZHOU Y L. Xi’an underground phreatic water system response to urbanization[D]. Xi'an: Changan University, 2018(in Chinese).

    [10] 黄新. 西安市地下水污染风险研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2010.

    HUANG X. Risk analysis of groundwater pollution in Xi’an City[D]. Xi'an: Xi'an University of Science and Technology, 2010(in Chinese).

    [11] 董艳慧, 周维博, 赖坤容, 等. 基于概率神经网络的西安地区地下水水质评价 [J]. 自然资源学报, 2009, 24(4): 737-742. doi: 10.3321/j.issn:1000-3037.2009.04.020

    DONG Y H, ZHOU W B, LAI K R, et al. The application of probabilistic neural network model in evaluating the groundwater quality of Xi'an area [J]. Journal of Natural Resources, 2009, 24(4): 737-742(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1000-3037.2009.04.020

    [12] 李奇. 云南勐兴铅锌矿矿区水质分析数理统计探讨 [J]. 价值工程, 2017, 36(25): 144-147.

    LI Q. Discussion on the mathematical statistics of water quality analysis of Yunnan mengxing lead zinc mine [J]. Value Engineering, 2017, 36(25): 144-147(in Chinese).

    [13] 熊贵耀. 基于水化学和地球物理方法的莱州湾南岸咸水入侵研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2020.

    XIONG G Y. Study on seawater intrusion on the south bank of Laizhou bay based on hydrochemical and geophysical methods[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2020(in Chinese).

    [14] 杨静. 改进的模糊综合评价法在水质评价中的应用[D]. 重庆: 重庆大学, 2014.

    YANG J. Application of the improved fuzzy comprehensive evaluation method in water quality evaluation[D]. Chongqing: Chongqing University, 2014(in Chinese).

    [15] 左锐, 韦宝玺, 王金生, 等. 基于多元统计分析的地下水水源地污染源识别 [J]. 水文地质工程地质, 2012, 39(6): 17-21.

    ZUO R, WEI B X, WANG J S, et al. Identification of groundwater pollution sources based on multivariate statistical approach [J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2012, 39(6): 17-21(in Chinese).

    [16] 牟乃夏, 刘文宝, 王海银, 等. 《ArcGIS10地理信息系统教程: 从初学到精通》出版 [J]. 测绘通报, 2012(12): 43.

    MOU N X, LIU W B, WANG H Y, et al. ArcGIS10 Geographic Information System Course - From Beginner to Master [J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2012(12): 43(in Chinese).

    [17] 地下水质量标准: GB/T 14848—2017[S].
    [18] 时雯雯, 周金龙, 曾妍妍, 等. 新疆乌昌石城市群地下水多重水质评价[J]. 干旱区资源与环境, 2021, 35(2): 109-116.

    SHI W W, ZHOU J L, ZENG Y Y, et al. Multiple groundwater quality evaluation of Urumqi-Changji-Shihezi city agglomeration in Xinjiang[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2021, 35(2): 109-116(in Chinese).

    [19] 蒋辉. 河南省博爱县平原区地下水环境质量数字化综合评价 [J]. 水文地质工程地质, 2004, 31(3): 46-50. doi: 10.3969/j.issn.1000-3665.2004.03.010

    JIANG H. Integrated digitization evaluation of environmental quality of groundwater in the Bo'ai County plain area in Henan Province [J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2004, 31(3): 46-50(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-3665.2004.03.010

    [20] 王月, 安达, 席北斗, 等. 某基岩裂隙水型危险废物填埋场地下水污染特征分析 [J]. 环境化学, 2016, 35(6): 1196-1202. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.06.2015111602

    WANG Y, AN D, XI B D, et al. Groundwater pollution characteristics of the hazardous waste landfill built upon bedrock fissure water [J]. Environmental Chemistry, 2016, 35(6): 1196-1202(in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.06.2015111602

    [21] 杨咪, 屈文岗, 钱会. 基于熵权的贝叶斯模型及其在水质评价中的应用 [J]. 灌溉排水学报, 2018, 37(1): 85-90.

    YANG M, QU W G, QIAN H. Bayesian model based on entropy weight and its application in water quality assessment [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2018, 37(1): 85-90(in Chinese).

    [22] 柳凤霞, 史紫薇, 钱会, 等. 银川地区地下水水化学特征演化规律及水质评价 [J]. 环境化学, 2019, 38(9): 2055-2066. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019043003

    LIU F X, SHI Z W, QIAN H, et al. Evolution of groundwater hydrochemical characteristics and water quality evaluation in Yinchuan area [J]. Environmental Chemistry, 2019, 38(9): 2055-2066(in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2019043003

    [23] 柳金甫, 于义良. 应用数理统计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008: 254-286.

    LIU J F, YU Y L. Apply mathematical statistics [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2008: 254-286(in Chinese).

    [24] QIAN C, WU X, MU W P, et al. Hydrogeochemical characterization and suitability assessment of groundwater in an agro-pastoral area, Ordos Basin, NW China [J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(20): 1-16.
    [25] GIBBS R J. Mechanisms controlling world water chemistry [J]. Science, 1970, 170(3962): 1088-1090. doi: 10.1126/science.170.3962.1088
    [26] 孟利, 左锐, 王金生, 等. 基于PCA-APCS-MLR的地下水污染源定量解析研究 [J]. 中国环境科学, 2017, 37(10): 3773-3786. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.10.020

    MENG L, ZUO R, WANG J S, et al. Quantitative source apportionment of groundwater pollution based on PCA-APCS-MLR [J]. China Environmental Science, 2017, 37(10): 3773-3786(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.10.020

    [27] 杨素珍. 内蒙古河套平原原生高砷地下水的分布与形成机理研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2008.

    YANG S Z. Formation of high as groundwater and water-rock interaction in shallow aquifers from the Hetao basin, Inner Mongolia[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2008(in Chinese).

  • 加载中
图( 5) 表( 3)
计量
  • 文章访问数:  3685
  • HTML全文浏览数:  3685
  • PDF下载数:  84
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-02
  • 录用日期:  2021-06-07
  • 刊出日期:  2022-06-27

西安主城区地下水化学特征及水质评价

    通讯作者: E-mail:qianhui@ chd.edu.cn
  • 1. 长安大学水利与环境学院,西安,710064
  • 2. 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,西安,710064
基金项目:
国家自然科学基金(41931285,41790441),国家111引智计划项目(B08039)和中央高校基本科研业务费专项资金(300102291726,300102292901)资助

摘要: 城市地下水环境对城市的可持续发展具有重要意义。本文运用数理统计分析、改进的模糊综合评价、综合评价法、水化学和因子分析法对研究区地下水水化学特征及水质进行分析评价。结果表明,研究区地下水中钠离子、钙离子、硫酸根和碳酸氢根相对含量较高,承压水水化学组分比潜水稳定。潜水的水化学类型主要是HCO3-Ca·Mg和SO4·Cl-Ca·Mg·Na,承压水的水化学类型主要是HCO3-Na和HCO3-Ca·Mg。两种评价方法均显示,研究区潜水以Ⅱ类和Ⅲ类水居多,模糊综合评价法显示研究区承压水大部分为Ⅰ类水,而综合评价法显示研究区多为Ⅱ类、Ⅲ类水。水岩作用是水化学组分的主要控制因素。相较于承压水而言,潜水水质存在不同程度的污染,潜水污染的原因主要包括原生地质背景污染和人为污染两大类。该研究为研究区地下水资源的合理开发利用和生态环境保护与建设提供了理论依据。

English Abstract

  • 地下水作为我国重要的战略资源,与居民生活和经济建设休戚相关[1]。居民的饮水安全和健康问题与区域地下水的水环境直接相关[2]。近年来由于经济社会快速发展、人类活动对环境的影响不断加剧,水环境也遭受到一定的污染,大量生产生活污水的排放,对地下水的质量构成了严重的威胁[3-4]。因此,为了可以更加合理的配置地下水,推进生态环境的保护与建设,区域地下水质的评价和水环境的调查就显得尤为重要。

    西安作为一带一路的重要节点城市,坐落于关中平原,南与秦岭相依、北与渭河相傍,自古就有“八水润长安”的美誉[5],既是中华民族重要的发祥地,又是中华文明的摇篮。西安市主城区是西安市人口分布最多,经济发展水平最高的区域,地下水作为西安主城区主要供水水源之一[6],近年来由于社会经济的迅速发展和城市大量排放废水与各类垃圾,使得该区水资源供需矛盾日益突出。目前有大量学者对西安地区的地下水环境进行了合理研究,如吴晓娟[7]绘制了西安市地下水脆弱性分区图,并对地下水的6种污染物进行了建模分析;张琼华[8]选取了西安长安区22个浅层地下水,运用修正的F值评价,认为研究区浅层地下水水质较好;周彦龙[9]研究了西安地下水潜水系统对城市化进程的响应;黄新[10]分别从时间和空间上研究了渗滤液的扩散情况;董艳慧等[11]对西安地下水质进行了评价,获得了年际水质变化情况。然而,对于西安主城区地下水水化学环境空间特点及污染物来源方面的分析明显不足。

    本文选取2018年和2019年53个潜水和33个承压水的水样水质数据,运用数理统计分析[12]、水化学方法[13]、改进的模糊综合评价法[14]、综合评价法[1]和因子分析法[15]对地下水的水化学特征和水质进行了分析研究,并对可能造成污染的原因进行了解析,以达到对西安主城区地下水资源的合理配置与可持续利用的目的。

    • 西安主城区建立在渭河平原上,主要包括未央区、灞桥区、新城区、雁塔区、碑林区和莲湖区,属暖温带半湿润大陆性季风气候区,年平均气温13.3 ℃左右,年降水量522.4—719.5 mm。主城区总面积为854 km2,海拔在400—700 m之间。如图1所示,研究区西南与长安区相连,北至渭河,东边与临潼区和蓝田县接壤。区内河流主要有渭河、灞河和浐河。潜水含水层厚10—70 m,主要由砂卵砾石、黏土及黄土组成 [16]。潜水主要由东南向西北渗流,补给方式主要为大气降水,河水和水库渗漏,承压水顶托补给;排泄的方式主要为居民用水,径流排泄,向承压水越流排泄及蒸发。承压水主要由中、下更新世洪积、冲积砂和砾石组成的含水层,含水层厚5—80 m,补给方式主要为上覆潜水越流补给;因西安主城区长期对地下水的超采,承压水的天然流场已发生改变,排泄的主要方式为人工开采,向相邻潜水越流排泄,还有一部分产生地下径流流向下游。西安主城区地下水供水水源主要为浅层地下水,大部分供水水源地均能达到供水标准;只有极少部分农村供水水源地水质达不到供水标准。

    • 结合西安主城区地下水环境现状,于2018—2019年进行野外调查取样工作,共获取53个潜水水样和33个承压水水样,地下水采样点分布如图1。根据地下水质量标准(GBT/14848—2017)[17],选取地下水分析指标:pH、总溶解性固体(TDS)、总硬度(TH)、K+、Na+、Ca2+、Mg2+${\rm{HCO}}_3^ - $${\rm{SO}}_4^{2 - } $、Cl${\rm{NO}}_3^ - $${\rm{NO}}_2^ - $、氨氮、铁、锰、氟化物、六价铬和砷。

    • 现在对于地下水质评价的方法多种多样。常见的有单因子评价 [18]、灰色聚类 [19]、主成分分析 [20]、基于贝叶斯模型评价 [21]和模糊综合评价 [22]等。模糊综合评价法用数字手段来表征模糊的评价对象。因其评价结果比较符合实际,在水质评价方面得到广泛的应用。然而传统的综合评价采用最大隶属度评价原则,在某些情况下容易造成较多信息的缺失,因此本研究通过加权平均来求隶属度等级 [14],将水质等级量化处理,从而得出较为直观的评价结果。它的基本思路为:建立综合判别隶属度函数,确定权重因子,构造模糊评价模型和加权平均求隶属等级。

      (1)建立隶属度函数

      第1级水质的隶属度函数为:

      j级水质的隶属函数为:

      n级水质的隶属函数为:

      式中,Xi—参数i的实测浓度;Yi,j—参数ij级水质标准。

      建立各因子水质的隶属度模糊矩阵R

      (2)权重因子的确定及评判标准

      其中,Mi为第i种污染物的权重;Gi为第i种污染物的实际测量的浓度;Hi为第i种污染物水质标准值的平均。

      最后,得出水质综合判别模型:

      (3)改进的模糊综合评价判别

      加权平均的原则是将水质等级评价结果进一步加工,得到一个点值,使其连续化。本研究用数值{1,2,3,4,5}代表五类水质等级的秩,然后再对应每个水质,通过加权运算将各水质等级的秩进行处理,最后得到被评水质的最终等级。加权公式如下:

      其中,fj为水样对第j级水质的隶属度;α=2。

    • 综合评价法首先应对单项组分进行分值评价(Ⅰ类水取Fi=0,Ⅱ类水取Fi=1,Ⅲ类水取Fi=3,Ⅳ类水取Fi=6,Ⅴ类水取Fi=10),综合评价常用理论公式如下:

      其中,$ \overline F $为各组分评分值的平均值;Fmax为单组分评分值的最大值;Fw为权重占比前几项的平均值。

    • 因子分析法因其应用简单,利用一般的统计软件便可计算;不需要事先对研究区污染源进行监测;不用事先对排放源进行假设等优点,被广泛地应用于水体污染物的来源分析。因子分析应用广泛,不仅可以降低变量维数,还可以对变量进行分类。它从原变量中提取互不相关的因子,然后通过线性组合的方法对提取出的公因子进行表示。常用的理论公式如下:

      即:

      式中, Mj为水质指标;Fi i = 1,2,$\cdots,$ m)为公因子分类; Ej为特殊因子;aj,i为水质指标隶属公因子分类系数;n为原始变量总数。

      最后进行方差贡献率的加权运算,其实质是提取的各公因子占提取的总公因子的比重乘以各公因子的实际得分来评判最终的污染[23],因子得分越高,采样点污染越严重。

    • 将所测水质数据运用数理统计的方法统计了最大值、最小值、平均值、变异系数和标准偏差等特征值,以描述地下水主要化学组分的基本统计特征;采用AqQA和 Origin软件进行Piper图和Gibbs图绘制;运用改进的模糊综合评价法和综合评价对地下水质进行评价;通过SPSS软件提取水样的公因子并计算得分,运用surfer软件绘制因子得分等值线图。

    • 对研究区采集的53组潜水水样和33组承压水水样统计分析,结果见表1。可以看出,西安主城区地下水中阳离子主要为Na+、Ca2+和Mg2+,阴离子主要为${\rm{HCO}}_3^ - $${\rm{SO}}_4^{2 - } $和Cl。潜水pH介于6.99—8.42,略偏碱性;TDS含量100—2628 mg·L−1; TH均值为478.21,为高硬水。承压水pH值为7.49—8.6,略偏碱性;TDS含量196—1112 mg·L−1; TH均值为183.97,为中硬水。变异系数结果表明,潜水中K+、Cl${\rm{SO}}_4^{2 - } $${\rm{NO}}_2^ - $变异系数均超过100%,反映其水质波动较大,而承压水中仅${\rm{SO}}_4^{2 - } $${\rm{NO}}_3^ - $${\rm{NO}}_2^ - $变异系数超过100%,且变异系数远远低于潜水的,表明承压水水质比潜水水质稳定。

    • Piper三线图常被用于反映区域水化学特征[24],基于水化学分析数据,绘制研究区潜水和承压水的piper三线图,结果见图2。由图2可知,从阳离子上看,潜水大部分为钙镁型水,少部分为钠型水;而承压水主要为钠型,少部分为钙镁型水;从阴离子上看,潜水和承压水均主要为重碳酸盐型。按照舒卡列夫分类,研究区潜水的水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg和SO4·Cl-Ca·Mg·Na,承压水的水化学类型主要为HCO3- Na和HCO3-Ca·Mg。

    • 通常使用Gibbs模型来判别天然水体中的离子起源[25]。它将控制水化学类型的因素分为3种类型,如图3所示,纵坐标是TDS的对数,横坐标是阴、阳离子的比值。在Gibbs图中,右下角区域主要受大气降水的控制,中部区域主要受水岩作用控制,右上角区域主要受蒸发-浓缩作用控制。由图3可以看出,西安主城区潜水和承压水的水样点全都主要分布在中间区域,说明水岩作用在潜水和承压水水化学组分的形成中起主要作用。其中潜水水样点落在中间区域偏上,个别水样点落在图的右上角蒸发-浓缩带,说明潜水受蒸发-浓缩作用的影响较承压水的略大,仅在部分地势较低,水位埋深较浅的地方,蒸发浓缩作用较强烈。

    • 本研究依据西安主城区地下水水样水质数据,考虑到生活饮用水要求感官性状良好不得危害人体健康等,因此从感官性状,一般化学性指标和毒理学指标的三个方面出发,选取TDS、TH、${\rm{SO}}_4^{2 - } $、Cl、Fe、Mn、${\rm{NH}}_4^ + $、F、AS、Cr6+${\rm{NO}}_3^ - $${\rm{NO}}_2^ - $、pH等13项影响因子,以地下水质量标准(GBT/14848—2017)[17]为评价标准,运用改进的模糊综合评价法和综合评价法,对研究区潜水和承压水进行水质评价。结果显示,研究区潜水多为Ⅱ类和Ⅲ类水,部分水质为Ⅳ类水;承压水多为Ⅰ类和Ⅱ类水,少部分为Ⅲ类水。因此,认为研究区内承压水水质远远好于潜水水质,这与董艳慧等[11]的研究结果基本一致。

    • 根据图4(a, b)可知,模糊综合评价结果和综合评价结果基本相似,研究区潜水大多以Ⅱ类和Ⅲ类水居多。两种方法在新筑镇以南和灞桥以北少部分地区评价结果均为Ⅰ类水,表明该地区水质优良;西工大-小寨-电子城-八里村附近模糊综合评价结果好于综合评价,但总体上表现该区水质较好;模糊综合评价法显示Ⅳ类水主要分布在六村堡皂河支流沿岸,毛西村周围地区和胡家庙以北等地区,多呈点块分布;而综合评价显示渭河沿岸均为Ⅳ类水,该原因可能是因为参数最大值过大导致,渭河沿岸草滩农场使用大量氮肥致使该区${\rm{NO}}_3^ - $含量较高,加之原生背景下锰铁含量较高,因此该区水质评价结果较差。常见的修正参数方法有引入权重法和引入函数法,两种方法均有一定的适用性,应根据实际情况进行选择使用。皂河支流是皂河排水系统的重要组成部分,主要接纳周边各行政区沿途的雨污水排放,而皂河两岸分布各种各样的重污染企业,皂河沿岸排污孔较多,企业排放的废水污水中,硫酸根的含量过高致使皂河周边六村堡附近水质相对较差。草滩农场附近主要从事农业活动,${\rm{NO}}_3^ - $引起该地区水质较差。毛西村附近为东南黄土台塬,地质原生背景下氟离子超标严重导致该区地下水质较差。

    • 图4(c, d)所示,模糊综合评价结果和综合评价结果不尽相同,模糊综合评价结果显示研究区承压水大部分为Ⅰ类水,仅在浐河流域红旗两岸和东方红少部分地区为Ⅲ类水,新合及胡家庙-十里铺-席王村-高桥范围内为Ⅱ类水。综合评价结果显示研究区大部分为Ⅱ类和Ⅲ类水,新筑镇和灞桥一带为Ⅰ类水,浐河两岸红旗以北少部分地区为Ⅳ类水,水质较差,一方面与地质环境有关,氟元素的大量超标导致该区水质较差;另一方面是因为地下水过量开采改变了原有的地下水动力条件,致使周边潜水和污染的河水往承压水运移污染承压水,西安市主城区的降落漏斗主要集中在十里铺,胡家庙等区域,较大的水力坡度促使潜水及地表水污染物加速运移至承压水,进而使得该区承压水水质较差。

    • 由水质评价结果可知,研究区局部区域潜水存在不同程度的污染。多元统计将地下水中的原有变量综合成少数几个代表性因子,常被用来解释地下水的污染源情况。本研究选取潜水中的13项影响因子,针对变量做因子分析[15,26],利用SPSS软件,对潜水污染物进行来源解析,以期达到合理开发和利用研究区潜水的目的,并探明主要污染物来源。

      表2所示,KMO测度为0.581,Bartlett检验具有显著性,适合进行因子分析。按照特征值大于1的原则,本次研究共提取4个公因子。

      表3可知提取的4个主因子解释了研究区潜水水质方差贡献率的75.061%,所以对这4个主因子进行评价基本可以反映研究区的水质信息。其中第一主成分(F1)影响最大,主要反映了TH、TDS、${\rm{SO}}_4^{2 - } $和Mn的信息,研究区位于渭河冲积平原中部 ,潜水水位埋深较浅,蒸发浓缩作用造成水走盐留,随着时间的推移,潜水中盐分逐渐浓缩,潜水中的TDS和总硬度也逐渐升高。${\rm{SO}}_4^{2 - } $主要来自于工业硫的使用,Mn主要是因为研究区本体母岩经过长期风化,溶滤和氧化还原作用随潜水通过径流的方式迁移,${\rm{SO}}_4^{2 - } $和Mn对TDS增大也起到了关键作用。第二主成分(F3)主要解释了F和As,占总方差的17.436%,研究区黄土中含氟矿物丰富,碳酸氢根的存在会促进地下水中氟的增加[25]和高砷水的形成,因此F3可以解析为主要来自于地层岩性的影响。第三主成分(F2)解释了总方差15.962%,主要反映了${\rm{NH}}_4^ + $和Cl的信息,在微生物的分解作用下,生活污水中有机物会分解成${\rm{NH}}_4^ + $,Cl主要来自于人为污染,因此,F2代表了人类生产生活污水的排放。第四主成分(F4)影响最小,仅为11.150%,主要解释了${\rm{NO}}_3^ - $的信息,研究区${\rm{NO}}_3^ - $主要是农业生产的产物。综上所述,研究区污染来源主要分为人为污染和地质背景污染,人为污染源主要有${\rm{SO}}_4^{2 - } $${\rm{NH}}_4^ + $ 、Cl${\rm{NO}}_3^ - $,原生地质污染主要为Mn、As和F

      图5可知,研究区F1得分较高的区域主要集中在六村堡、草滩镇和东方红一带,六村堡附近接纳了周边各行政区的雨污水排放,并且六村堡附近重污染企业较多,容易造成硫酸盐污染;研究区河流与地下水有密切的水力联系,在运移过程中易发生水岩作用,所以锰元素含量比较高。F2得分较高的区域主要集中于毛西村,东南黄土台塬氟离子浓度严重超标,其主要是受黄土矿物中高氟源影响,在偏碱性水和污水的影响下,含氟矿物如萤石等的进一步溶解,从而使地下水中的氟含量超标;水中砷含量的增加与${\rm{HCO}}_3^ - $有一定的联系[27],并且在弱碱性环境下,溶液中的阴离子可以交换吸附黏土矿物表面的吸附态砷。另外,该区域硅酸盐的溶解会促进pH值的升高,导致黏土矿物对砷的吸附能力下降,从而吸附态砷发生溶解。F3因子在鱼化寨附近得分高,主要与生产生活有关。F4主要在草滩镇的草滩农场附近超标严重,农业生产使用的的氮肥促使该地区${\rm{NO}}_3^ - $的含量比较高。

    • 基于研究区潜水污染物来源分析,对潜水环境保护提出以下建议:

      (1)由污染源解析可以看出,目前西安市潜水资源开发利用中存在的主要问题包括:农村居民环境保护意识淡薄;生态环境地质问题依然严重。在城市快速发展中,亟需构建区域水环境大数据平台,提升监控能力及水平,实现地下水资源可持续开发利用,以支撑区域经济社会发展。

      (2)重视潜水保护工作。潜水与承压水、地表水体有密切的水力联系,应尽快实现潜水保护、污染防控与河湖长制推进落实的有机结合,重点是地表水体的环境整治,应对重污染企业排放的废水废渣进行重点监控。

      (3)有关部门应加强监督,健全水污染管理机构,制定严格的水环境保护制度,提高居民潜水保护意识,从而降低人为因素对潜水的污染。

    • (1)研究区潜水水化学组分波动较大,承压水水化学组分相对稳定;潜水水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型和SO4·Cl-Ca·Mg·Na型水,承压水水化学类型主要为HCO3-Na型和HCO3-Ca·Mg型水;水岩作用是控制水化学组分的主要因素。

      (2)该区承压水水质远远好于潜水水质。针对潜水水质评价,模糊综合评价结果和综合评价结果基本相似,潜水Ⅳ类水主要分布在六村堡皂河支流沿岸,毛西村周围地区和胡家庙以北等地区,多呈点块分布。模糊综合评价显示研究区承压水大部分为Ⅰ类水,综合评价法显示研究区大部分为Ⅱ类水和Ⅲ类水,仅在新筑镇和灞桥附近水质优良。两种评价方法均显示研究区在浐河流域红旗两岸和东方红少部分地区水质较差。

      (3)基于因子评价法对潜水进行污染物来源分析,共提取四个主因子,累计方差贡献率75.061%。F1贡献率最高,为30.513%,主要反映TDS的影响;F2主要反映地质因素造成的污染,贡献率为17.436%;除此之外,F3和F4反映人类生产生活和农业活动的污染,分别占15.962%和11.150%。

    参考文献 (27)

目录

/

返回文章
返回