山东省淄河流域地下水化学污染源解析

赵 艳 丽，王 敏，李 常 锁

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2.山东省地质矿产勘查开发局 八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014； 3.山东省地质矿产勘查开发局 地下水资源与环境重点实验室，山东 济南 250014； 4.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)

0 引 言

地下水是水资源的重要组成部分，是农业灌溉、工矿企业以及城市生活用水的重要水源，其水质的好坏直接影响着人类生活的方方面面。山东省淄博地区是中国北部水资源紧缺的典型代表，其中主要是淄河为沿岸居民提供水资源，据以往资料显示，部分区域的地下水已经受到污染。卢杰等[1]分析了淄河上游源泉控制断面水质的变化，指出研究区水质污染呈下降的趋势；马震等[2]也对淄河下游污染区地下水污染特征进行了分析，得到淄河下游地表水和浅层地下水污染严重的结论；游京[3]对淄河水源地地下水的研究中也同样指出部分地区水质受种植业及人为影响。截至目前，仍缺少对淄河流域水化学特征及污染源的系统性研究。因此，本文以2017年5～6月和2017年9～10月两期各45个淄河流域水质监测数据为研究对象，运用统计分析、Piper三线图、舒卡列夫分类、离子相关性分析、Gibbs图、离子比例系数和主成分分析等对淄河地下水进行系统性分析，探讨该地区水化学特征和主要污染源，以期为保护淄河流域水资源及沿河流域生态建设提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 水文地质概况

淄河是黄河流域内山东省中部渤海水系的入海河流——小清河的右岸支流，发源于鲁山北麓，是淄博市的母亲河，自西南向东北流经博山、淄川、临淄三区，到广饶县汇入渤海独流入海河流小清河。淄河全长179.7 km，流域面积1 397 km2，其中市内长124 km，流域面积993.09 km2。淄河为暖温带半湿润季风区大陆型气候，年(1971～2015年)均气温12.8 ℃，年均蒸发量为1 804 mm，年均降水量633.9 mm，年均径流量16.064亿m2，径流深度161.8 mm。淄河流域降水量存在时空差异，属季节性河流。汛期因下游河道大量泥沙淤积导致河床较高。淄河因河床渗透性强，素有“淄河十八漏”之说，对地下水起重要的补给作用。

1.2 自然地理概况

淄河上中游沿岸地形多为低山丘陵区，碳酸盐岩地表、地下裂隙岩溶发育，地下水主要是碳酸盐岩类裂隙岩溶水，赋存于碳酸盐岩之中；流经淄河断裂带，主要含水层为寒武纪、奥陶纪灰岩，岩溶裂隙发育；顶板埋深18.82～152.00 m，底板埋深150.00～290.00 m，含水层厚度一般在7.50～60.00 m，最大厚度可达82.94 m。在低山丘陵灰岩裸露区，补给方式主要是大气降水的渗入补给与丰水期地表水补给。在低山丘陵前缘和山前倾斜平原(隐伏灰岩区，灰岩被第四系覆盖)，地下水主要接受大气降水补给及上覆第四系孔隙水的渗入补给，局部接受地表水的补给。淄河下游沿岸地区自永流水源地以北为淄河冲洪积扇分布区，地形为山前倾斜平原地带，均沉积第四纪松散堆积层，其岩性松散，孔隙发育，赋存第四系浅层松散岩类孔隙水，地下水渐变具承压性。浅部潜水含水层以粉砂和砂性土为主；冲洪积扇首部主要含水层岩性为砂砾石层，其颗粒粗大，含丰富的砂砾石层孔隙水；由首部向下含水层逐渐过渡为含砾石中粗砂，局部砂砾石层单层厚度大于10 m；冲洪积扇外围含水层为含砾中粗砂，向北埋深逐渐增大。顶板埋深自首部20～30 m，至中、尾部渐深于70～100 m以下，单层厚度变薄，其结构由呈水平状或微倾斜状单一结构变为多层结构。地下水以大气降水和地表水渗漏补给为主，冲洪积扇地段尚接受上游地下径流补给和下伏岩溶水或孔隙水顶托补给。淄河沿岸奥陶纪碳酸盐岩裂隙岩溶水最具供水意义，其水量丰富，水质优良，是当地生活和工农业生产最主要的供水来源，形成有多处水源地，其中包括北方地区特大型裂隙岩溶水水源地——大武水源地。

2 材料与方法

2.1 数据来源

图1 研究区位置及取样点分布

2.2 样品采集与分析

2.3 研究方法

综合运用统计分析、Piper三线图、舒卡列夫分类、离子相关性分析、Gibbs图、离子比例系数和主成分分析等方法对淄河流域水样检测结果进行系统性分析。用最大值、最小值、平均值、标准偏差和变异系数分析地下水水化学基本特征；Piper三线图分析研究区水化学主要成分组成特征；舒卡列夫分类法确定地下水化学类型；离子相关性分析判别研究区离子的同源性；Gibbs模型分析水化学主要控制因素；离子比例系数和主成分分析法进一步确定离子主要来源。

3 结果分析

3.1 地下水水化学基本特征

淄河流域2017年枯丰期地下水水化学基本特征如表1所列。由表1可知：pH枯丰水期均值为7.70和7.50，呈弱碱性。两期pH变异系数都很小，表示pH在地下水中处于稳定状态，时空差异性小。枯水期TDS的均值为486.29 mg/L，变化范围为310.00～867.00 mg/L；丰水期TDS的均值为497.31 mg/L，变化范围为356.00～896.00 mg/L。枯水期TH含量为227.18～544.29 mg/L，均值为368.59 mg/L；丰水期TH含量为265.00～502.00 mg/L，均值为371.71 mg/L；根据硬度分类标准[4]，淄河流域均属于硬水。研究区内阴离子均呈HCO3->SO42->NO3->Cl-的关系；阳离子均呈现Ca2+>Mg2+>Na+>K+的关系；阴离子含量多于阳离子含量。其中HCO3-相对含量较高，为优势阴离子；阳离子中Ca2+相对含量也较高，为优势阳离子。Na+和Cl-的变异系数较高且丰水期大于枯水期，表示研究区内其含量不稳定，具有时间差异性，推测可能受人类活动的影响。

表1 地下水水化学基本特征

3.2 地下水化学类型

图2 地下水Piper三线图

4 结果讨论

4.1 离子相关性

表2 地下水基础离子相关系数矩阵

4.2 基于Gibbs模型的地下水水化学控制因素

图3 地下水Gibbs图

4.3 基于离子比例系数的地下水化学成分来源

图4 地下水离子比例系数

4.4 基于主成分分析的地下水化学污染源

主成分分析法是通过正交变换将可能存在相关性的变量转换为线性不相关的综合指标的一种统计方法[17-18]。该方法对数据进行标准化及降维处理，从而提取独立的综合因子，目前广泛应用于地下水化学分析[19-23]。运用SPSS软件对选取的9项指标数据进行主成分分析。KMO和巴特利特球形度检验[24]结果如表3所列，KMO取样适切性量数为0.53，大于0.5，巴特利特球形度检验显著性为0，小于0.05，符合主成分分析的检验要求。以特征值大于1为提取原则，研究区的污染源可以提取出3个主成分，如表4所列，累计贡献率为81.803%，大于80%，可解释总体指标数据表征的绝大部分信息。基于凯撒正态化最大方差法原则旋转，得到主成分旋转因子载荷矩阵如表5所列。

表3 KMO和巴特利特检验结果

表4 主成分特征值及贡献率

表5 主成分旋转因子载荷矩阵

表6 枯水期主成分得分

表7 丰水期主成分得分

5 结 论

(2)淄河流域绝大部分点落在三线图的A、E区。地下水水化学类型共出现10种，主要以重碳酸硫酸型为主，其次为重碳酸钙型。枯水期水化学类型有9种，HCO3·SO4-Ca型水占比最大；丰水期水化学类型有8种，其中HCO3·SO4-Ca·Mg型水占比最多。丰水期在41号点临淄区齐都镇龙贯村出现了复杂的HCO3·Cl-Na·Ca型水；枯水期在35号点临淄区辛店街道仇行村出现了复杂的HCO3·Cl·SO4-Ca型水，在14号点淄川区太河镇小口头村出现了更复杂的HCO3·SO4-Na·Ca·Mg型水。