青岛西海岸新区地下水水化学特征及水质评价

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(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.青岛地矿岩土工程有限公司，山东 青岛 266100；3.青岛地质工程勘察院，山东 青岛 266100)

地下水是我国重要的供水水源，是支撑我国经济社会和谐快速发展的重要战略资源，对维持社会经济的快速发展和维系良好的生态环境具有不可替代的作用[1-3]。地下水水质的好坏直接关系到当地居民的饮水安全和健康问题，影响社会的稳定和发展[4]。地下水化学组分的含量与分布特征受多种因素影响和控制，如：大气降水、气候、地形地貌、海拔、岩石风化以及人为因素等等，而且地下水还与周围的环境发生各种复杂的水文地球化学作用[5-7]。因此，开展区域地下水水化学特征以及水质评价研究，对地下水资源的合理开发利用和生态环境的保护与建设具有重要实际意义。目前，有关青岛市地下水水化学及水质的研究较多，如：李艳梅等[8]分析了青岛市水质状况，并进行了评价及污染趋势研究；刘建霞等[9]对青岛大沽河水源地地下水水质进行了数值模型预测；董少杰等[10〗对青岛市18处地下水源地水质进行评价并分析了污染原因；刘贯群等[11]基于多种方法分析了青岛大沽河平原区地下水硝酸盐污染来源；方运海等[12]基于模糊综合与可变模糊集耦合对青岛大沽河水源地的地下水质量评价；尹子悦等[13]分析了青岛市大沽河流域地下水水化学时空演化及影响因素。然而，针对青岛西海岸新区地下水水化学特征以及水质评价的研究相对较少，如胡浩等[14]对青岛西海岸地下水特征进行了分析，得出水质整体较差，但限于胶州湾地区；付佳妮等[15]对青岛市黄岛区潮河水源地地下水进行了数值模拟，表明地下水位降低在不同程度上影响周围村民生活和农业生产，但缺少水质系统研究。因此，本研究利用青岛西海岸新区2017年35处地下水水质监测资料，综合运用数理统计、水化学方法、模糊综合评价法以及因子分析对地下水水化学特征和水质进行综合评价，并进行污染源解析，以期为该区地下水资源的合理开发与可持续利用提供一定的科学依据。

1 研究区概况

青岛西海岸新区位于青岛市胶州湾西岸(图1)，地理坐标：北纬35°35′～36°08′，东经119°30′～120°18′，地处京津冀和长三角两大都市圈之间，是山东半岛蓝色经济区的核心地带，区位优越，交通便捷。研究区属温带季风气候区，南临黄海，空气湿润，气候温和，雨量较多，四季分明。年平均气温12.9 ℃，年平均降雨量755.13 mm(1991—2017年)。研究区属东南沿海水系，均为季节性河流。因境内山水相连，形成了源短流急，单独直接入海的特点。较大的河流有曹汶-岛耳河、王戈庄河、白马-吉利河、两城河、辛安河、南辛安河、镰湾河、独垛子西河等。

研究区属滨海低山丘陵区，境内山峦起伏，沟壑纵横。地貌类型分为：低山区、丘陵区、山间平原区和微倾斜低平原区。地下水类型主要有松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和基岩裂隙水四种类型。地下水的赋存条件和分布与地层岩性、地形地貌、地质构造等因素密切相关。研究区属鲁东低山丘陵水文地质大区，胶南-崂山中低山丘陵水文地质亚区。山体主要为不同时期岩浆侵入形成的花岗岩及少量变质岩、沉积岩组成，岩石致密坚硬，赋存风化、构造裂隙水；地下水主要受大气降水补给，因所处地势高，地形坡降大，补给源贫乏，地下水赋存条件差，富水性弱。低山丘陵前缘的侵蚀剥蚀台地地区，地形坡度较缓，冲沟及基岩裂隙发育，表层不连续地覆盖着0～3 m厚度不等的第四系松散堆积物；地下水除接受大气降水补给外，还接受低山丘陵区基岩裂隙水补给，其赋存条件及补给源均比前者优越，富水性较前者好。在山间河谷及滨海地带，广泛分布着第四系松散堆积物，地形平坦、坡降小，主要岩性由粘质砂土、砂质粘土、砂、砂砾石、卵砾石组成，赋存孔隙水。河谷上游地段，含水层颗粒粗，含水层岩性为粗砂砾石；赋存条件好，但堆积物厚度较小，富水性弱；河流中游以及河流汇合地带，地形坡度变缓，第四系沉积厚度增大，富水性中等。河谷下游即山前地带地形平坦、第四系厚度大、分布广，颗粒变细，分选性好，赋存条件好，富水性强。

图1 研究区位置及取样点分布图

2 材料与方法

2.1 数据来源

2.2 样品分析

2.3 数据处理

运用SPSS21.0软件进行统计分析，用最大值(Max)、最小值(Min)、平均值(Mean)、标准偏差(SD)、变异系数(Cv)和箱线图描述地下水主要化学组分的基本统计特征；采用AqQA软件作Piper三线图、Gibbs模型图解探讨地下水水化学的主要控制因素；运用内梅罗指数法和模糊综合评价法对地下水水质进行评价，基于多元统计-因子分析法(factor analysis，FA)进行污染源解析。并运用MAPGIS6.7、Origin2017、Photoshop等软件进行图件绘制。

3 结果与讨论

3.1 地下水水化学特征

3.1.1 地下水主要化学组分统计特征

表1 地下水主要化学组分统计特征

研究区地下水水样pH值范围为6.30～8.15，均值为7.22，整体上呈弱碱性。TDS含量100.20～1 498.60 mg/L，均值421.40 mg/L。水样总硬度(TH)为57.66～850.14 mg/L，平均值248.23 mg/L。按硬度分类[15-16]：75～150 mg/L为软水，150～300 mg/L为中硬水，300～450 mg/L为硬水，青岛西海岸新区地下水为中硬水。pH变异系数较小，说明其在地下水中十分稳定，而NO3ˉ的变异系数较大，说明其在地下水中含量不稳定，这可能与人类活动有关。

图2 地下水主要离子浓度箱图

图3 地下水Piper三线图

3.1.2 地下水水化学类型

3.1.3 地下水水化学控制因素

3.2 地下水质量评价

图4 地下水水化学Gibbs图

类别ⅠⅡⅢⅣⅤFi013610

表3 地下水质量分级表

3.2.1 内梅罗指数法

内梅罗指数法[20]，先进行各单项组分评价，划分组分质量类别确定单项组分评价分值(表2)，然后计算综合评分值，最后划分地下水质量级别(表3)。其方法如下：

(1)

(2)

3.2.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法基本思路为：建立地下水质量综合判别隶属度集，确定评价集，建立隶属函数。首先建立隶属函数，其方法如下：

1级水的隶属函数，即j=1：

2级至第(m-1)级，即j=2，3，…(m-1)：

(4)

m级，即j=m：

其中：Xi是第i中水质污染因子的实测值；Sij是第i种因子第j级水的标准值。

各因子地下水质量的隶属度可组成模糊矩阵R：

(6)

权重因子的确定：

(7)

其中：Wi是第i种污染物的权重因子；Ci是第i种污染因子的实测值；Si是第i种污染物标准值的平均值。

最后，得出地下水质量综合判别模型：D=W·R。

3.2.3 评价结果

1) 水质评价结果

内梅罗指数法评价结果见表4，地下水水样水质良好的有8个，而较差及其以下有27个，约占77%；由模糊综合评价结果(表4)可知，研究区地下水水样中质量达到Ⅲ级及以上的共有13个，其中水质为Ⅰ级的有7#、19#、30#、33#，评价结果为Ⅴ级的共有22个，约占63%。研究区东北胶州湾附近的2#和9#Cl-含量较高，这可能与海水入侵有关。

2) 评价结果分析

内梅罗指数法突出了主要污染因子对水质评价结果的影响，评价结果对水质变化的灵敏度较低。模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法。模糊综合评价充分考虑了地下水水质分级界限的模糊性，数据具有连续性，并且计算了每种污染因子对各级标准的隶属程度，评价结果更接近实际[19]。

基于模糊综合评价法，对地下水水质进行分区，如图5所示，总的来看，研究区地下水水质较差，这与胡浩[14]等研究结果较一致。在城市的快速发展中，应该科学、合理地开发和利用地下水资源。加强对研究区内各类工矿企业、养殖业和生活排污的监管，控制地下水污染源，提高污水处理效率，改善地下水水质；完善地下水环境监督管理，加强对地下水动态监测，从而实现地下水资源的可持续利用。

表4 地下水质量评价结果

图5 地下水水质综合评价图

3.3 地下水污染源解析

多元统计是用于提取复杂数据中有用信息的有效方法，在地下水污染源解析的应用研究中已得到广泛应用[21-23]。其方法是运用数学方法对地下水数据进行降维，提取地下水数据基本结构的代表性因子，来解释污染物的污染源情况[22]。本次研究选取地下水水质评价的14项影响因子，基于多元统计——因子分析法[21-23]，借助SPSS 21.0软件，对地下水进行污染源解析，以期为研究区地下水的合理开发和利用、科学保护与管理提供一定的参考。

因子分析具体数学模型如下：

X=AF+E,A=(aij)n×m，

(8)

即：

(9)

其中：Xn表示各地下水水质指标，Fm表示公因子分类，aij表示水质指标隶属于公因子分类系数，εn表示特殊因子。

在进行因子分析之前，为消除各指标间的尺度范围差异，首先需要将数据进行归一化处理，公式如下：

(10)

其中，Ri为指标i归一化处理后的结果，Fi为指标i的检测指标，Fimax为指标i的最大值，Fimin为指标i的最小值。

对数据进行标准化处理后，采用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)检验和Bartlett球形检验，来检验地下水数据是否适合因子分析。KMO测度为0.594，Bartlett检验具有显著性，可知适合进行因子分析(表5)。

表5 KMO 和 Bartlett 检验结果

表6 旋转成分矩阵

通过SPSS软件计算各水质监测点的公因子得分，运用SURFER进行Kriging插值并结合MAPGIS软件绘制研究区因子得分等值线图，如图6所示。因子得分越高表明所受污染越严重。

图6 因子得分等值线图

4 结论

2) 地下水水化学类型主要为HCO3·SO4·Cl-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca、HCO3-Na·Ca型。地下水水化学组分主要受大气降水和蒸发结晶作用影响微弱，水岩作用为主要的控制因素。

3) 基于内梅罗指数法和模糊综合评价法分析，认为研究区地下水水质整体较差。在城市的快速发展中，应科学、合理地利用和开发地下水资源，控制污染源，提高污水处理效率，加强对地下水动态监测。

4) 基于因子分析法，共提取4个主因子，累积方差贡献率73.747%。公因子F1解析为来自农业生产活动，F2主要与地质因素有关，F3表征为生活污水排放，F4代表工业生产活动。4个主因子方差贡献率分别为：35.697%、15.148%、12.131%和10.771%。