張小文　袁偉　胡亞召

摘 要：自然環(huán)境和人為活動作用下的地下水水質(zhì)演化是近年來污染水文地質(zhì)領(lǐng)域的研究熱點，如何分析評價各種影響作用下地下水的水質(zhì)成因并有效指導(dǎo)地下水管控工作始終是一個難點。以南充市淺層地下水為例，在資料收集和水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過“環(huán)境篩查+水化學(xué)圖+數(shù)理檢驗”對239組地下水水樣進(jìn)行異常數(shù)據(jù)識別，分別計算了各水文地質(zhì)單元的地下水背景值，確定了研究區(qū)天然劣質(zhì)指標(biāo)。基于背景值提出地下水劣質(zhì)劣變評價，將研究區(qū)淺層地下水劃分為天然優(yōu)質(zhì)水、劣變優(yōu)質(zhì)水、天然劣質(zhì)水、劣變劣質(zhì)水和污染劣質(zhì)水5類，在劃分水質(zhì)優(yōu)劣的基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確了水質(zhì)成因。通過離子濃度關(guān)系、因子分析等數(shù)理統(tǒng)計方法歸納了區(qū)內(nèi)主要水質(zhì)問題，一是分布于天然劣質(zhì)水區(qū)，受自然環(huán)境影響下的天然劣質(zhì)指標(biāo)總硬度和Fe的濃度高值；二是分布于劣變劣質(zhì)區(qū)和污染劣質(zhì)區(qū)，輸入型人為污染導(dǎo)致的COD、“三氮”、重金屬等離子濃度的超標(biāo)以及天然劣質(zhì)指標(biāo)濃度的進(jìn)一步劣變升高。

關(guān)鍵詞：地下水；劣質(zhì)劣變；背景值；人為活動；南充市

Study on evaluation system of inferior and deteriorating groundwater

ZHANG Xiaowen， YUAN Wei， HU Yazhao

（Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation Group Co.， Ltd.， Chengdu 610072， Sichuan， China）

Abstract： Groundwater quality evolution under the influence of natural environment and human activities has been a research hot-spot in the field of pollution hydrogeology in recent years. It has been difficult to evaluate the causes of groundwater quality under various impacts and to carry out effective underground water pipe control. In this paper， based on data collection and hydrogeological survey， 239 groups of groundwater samples of Nanchong City were identified with abnormal data through "environmental screening+hydrochemical map+mathematical test"， and the groundwater background values of each hydrogeological unit were constructed respectively. The groundwater in the study area was divided into five categories： "natural high-quality water， degraded high-quality water， natural inferior water， degraded inferior water and polluted inferior water". The causes of water quality were further clarified on the basis of the division of water quality. Through mathematical and statistical methods such as ion concentration relationship and factor analysis， two main water quality problems in the area are summarized： firstly， the total hardness and Fe of high concentration， as natural poor quality indicators， are distributed in natural poor quality water areas and affected by the natural environment; secondly is the excessive concentration of COD， "three nitrogen"， and heavy metal plasma caused by input type human pollution， as well as the further deterioration and increase of natural poor quality indicator concentration， which is distributed in areas with degraded inferior and polluted inferior water.

Keywords： groundwater; inferior and deteriorating; background value; human activities; Nanchong City

地下水作為自然界水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，是全球重要的供水水源，其水質(zhì)的優(yōu)劣對社會的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及人民身體健康有著至關(guān)重要的作用。由于地下水賦存于地下巖土介質(zhì)中，在自然循環(huán)過程中會與巖土介質(zhì)發(fā)生相互作用，循環(huán)條件的差異導(dǎo)致地下水中賦存物質(zhì)的種類和濃度各異，當(dāng)某些物質(zhì)達(dá)到一定濃度時，會出現(xiàn)不宜使用的劣質(zhì)水。此外，地下水和巖土介質(zhì)的相互作用會直接或間接地被不同程度的人為活動所影響，導(dǎo)致水質(zhì)劣變惡化現(xiàn)象發(fā)生（張宗祜等，2004；姜紀(jì)沂，2007；廖磊等，2016a；孟令華，2023；張一鳴，2022）。

2005—2015年，中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施了全國地下水污染調(diào)查評價，摸清了中國地下水水質(zhì)基本狀況及主要影響指標(biāo)。從全國各區(qū)地下水水質(zhì)綜合評價結(jié)果看，我國地下水具有明顯的高溶解性總固體、高硬度、高鐵錳、高硫酸鹽、高砷、高氟以及鹽化、硬化、硝化、酸化、多樣化的“六高”和“五化”特征，其中既有受地形地貌、氣象水文、水文地質(zhì)條件等自然因素影響表現(xiàn)為天然劣質(zhì)水的情況，也有受地下水不合理開發(fā)利用、污染物輸入等人為活動影響下劣變惡化的情況（何寶南等，2022）。對于這種在自然環(huán)境和人為活動2 種驅(qū)動作用下地下水質(zhì)量的空間差異分布，國內(nèi)外學(xué)者往往從水質(zhì)影響因素和水化學(xué)指標(biāo)2個角度進(jìn)行研究，其一是基于影響作用指標(biāo)體系，如地形地貌、氣象水文、水文地質(zhì)條件等天然因素指標(biāo)以及土地利用、人口密度、污染源分布等人為因素指標(biāo)，采用定性或半定量方法正向構(gòu)建評價體系，綜合研究各指標(biāo)對地下水的影響（Holding et al.，2016；王金哲等，2011）；其二是從地下水外界驅(qū)動作用對水質(zhì)影響的最終結(jié)果——水化學(xué)特征變化出發(fā)，反向構(gòu)建基于水化學(xué)特征異常識別的外界影響作用量化評價方法，可以定量識別人為活動對地下水的影響程度（張小文等，2018；Zhang Q Q et al.，2017）。但整體來說，對于外界驅(qū)動因素如何影響地下水水質(zhì)，導(dǎo)致的“背景水、污染水、優(yōu)質(zhì)水、劣質(zhì)水”之間的聯(lián)系及區(qū)別研究不夠，缺乏對地下水管控的實際指導(dǎo)意義，這需要我們進(jìn)一步深入探索。

基于以上背景，本次研究以嘉陵江流域中段南充市淺層地下水為例，結(jié)合基礎(chǔ)資料及水化學(xué)數(shù)據(jù)，劃分水文地質(zhì)單元，確定了南充市淺層地下水背景值，基于背景值開展地下水劣質(zhì)劣變評價體系研究，區(qū)分天然劣質(zhì)指標(biāo)及人為污染指標(biāo)，以期通過一套評價體系達(dá)到掌握地下水質(zhì)量現(xiàn)狀、污染情況及劣質(zhì)成因的目標(biāo)，為類似研究區(qū)地下水供水水質(zhì)安全及污染防治策略制定提供技術(shù)支撐。

1? 思路與方法

1.1? 研究思路

地下水質(zhì)量的空間差異主要受自然環(huán)境的約束控制以及人為活動的影響干擾，通過地下水水質(zhì)評價及污染評價可以了解地下水化學(xué)組分超標(biāo)情況和人類活動對地下水水質(zhì)的影響程度，但評價結(jié)果往往會出現(xiàn)由于原生地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致的大面積超標(biāo)地下水，可能引發(fā)人民群眾的恐慌，導(dǎo)致管理者過度重視，不科學(xué)地采用改善修復(fù)措施?；蛘叱霈F(xiàn)地下水受到了人類活動污染但水質(zhì)表現(xiàn)為合格水的現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致管理人員的忽視。且地下水質(zhì)量評價、污染評價2套評價體系側(cè)重內(nèi)容不同，成果表達(dá)繁多，未區(qū)分天然劣質(zhì)指標(biāo)及人為污染指標(biāo)，不能很好地揭示水質(zhì)成因（Zhang et al.，2019）。

為明確地下水質(zhì)量好壞及所受人為活動的影響程度大小，本研究基于GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類指標(biāo)限值及地下水背景值提出劣質(zhì)劣變評價。其中，劣質(zhì)水是指在原生地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)下與次生條件中被人為污染形成的水質(zhì)不合格水，主要表示地下水質(zhì)量的概念。劣變顧名思義為變劣的趨勢，指地下水在人為活動的作用下劣變惡化的過程，主要表示地下水污染的概念。通過劣質(zhì)劣變評價，整合地下水水質(zhì)評價和污染評價的表達(dá)內(nèi)容，基于地下水背景確定研究區(qū)天然劣質(zhì)指標(biāo)，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為天然優(yōu)質(zhì)水、劣變優(yōu)質(zhì)水、天然劣質(zhì)水、劣變劣質(zhì)水和污染劣質(zhì)水5類，在劃分水質(zhì)優(yōu)劣的基礎(chǔ)上進(jìn)一步區(qū)分水質(zhì)成因。

1.2? 背景值確定方法

背景值的確定，必須區(qū)分不同的地下水系統(tǒng)單元，將天然水化學(xué)基本原理與污染水化學(xué)原理結(jié)合在一起，綜合考慮天然條件下地下水水化學(xué)演化規(guī)律、水化學(xué)特征，以及人類活動影響的水化學(xué)演化規(guī)律及特征，這樣得出的背景值才能夠準(zhǔn)確代表該單元在正常影響下的地下水水質(zhì)情況。結(jié)合南充市水文地質(zhì)概況，包括地層巖性，含水層特征，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件等因素作為分區(qū)依據(jù)，將南充市分為4個水文地質(zhì)單元，分別計算各單元的地下水環(huán)境背景值。

參考已有的背景值研究成果（王磊等，2018；張小文等，2017；廖磊，2016b），結(jié)合研究區(qū)實際情況，本次根據(jù)取樣點周邊環(huán)境，水文地球化學(xué)演化過程和各水化學(xué)指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及水化學(xué)數(shù)據(jù)集分布特征進(jìn)行污染數(shù)據(jù)的識別剔除，構(gòu)建科學(xué)合理的水化學(xué)背景范圍。具體方法如下：

1）周邊環(huán)境篩查：借鑒英國地調(diào)局背景值報告及歐盟頒布的《水框架指令》（WFD）（2000/60/EC）等，結(jié)合研究區(qū)實際水文地質(zhì)調(diào)查情況，將同一地下水系統(tǒng)中周邊存在明顯潛在污染源的水樣點剔除，不參與背景值的計算。存在明顯潛在污染源主要包括周邊工業(yè)園區(qū)、化工企業(yè)、礦渣、污水溝、垃圾場、養(yǎng)殖場、加油站、化糞池等。

2）水化學(xué)圖法剔除：Piper三線圖可簡潔明了、直觀形象地展現(xiàn)地下水主要組分的相對含量和一般化學(xué)特征，反映溶濾作用、混合作用等各種水化學(xué)作用。借鑒彭聰?shù)葘W(xué)者（Peng et al.， 2017）研究，首先將Piper三線圖轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)圖，再利用馬氏距離對各水化學(xué)圖進(jìn)行相似程度的計算。即通過將二維的水化學(xué)關(guān)系圖轉(zhuǎn)化為一維的馬氏距離判斷各水樣點的異常，剔除異常數(shù)據(jù)至無離群樣品。以單元Ⅱ為例，水化學(xué)圖法識別異常見圖1。

3）數(shù)理檢驗：最后利用Grubbs數(shù)理檢驗法分析驗證剩余采樣點各水化學(xué)指標(biāo)的離散程度，進(jìn)一步識別出各指標(biāo)測量數(shù)據(jù)中偏離平均值較遠(yuǎn)的個別“異常數(shù)據(jù)”，減少異常值對總體數(shù)據(jù)的影響，以加強(qiáng)數(shù)據(jù)篩選的準(zhǔn)確性。Grubbs檢驗法計算過程如下：

計算統(tǒng)計量Gn的值：

式中，X i為待檢測值，X ?為平均值，Sn為標(biāo)準(zhǔn)差，n為樣本數(shù)。

確定檢出水平α，本次檢驗檢出水平α為0.1，即置信概率p=0.9。在Grubbs檢驗的臨界值表中查出臨界值G1-α（n）；當(dāng)Gn> G1-α（n）時，判斷Xi為異常值，并剔除該組樣品；循環(huán)計算Gn值，直到Gn< G1-α（n），則完成Grubbs法剔除樣本異常值的過程。

1.3? 劣質(zhì)劣變評價體系

通過各水樣點背景范圍不僅能夠識別研究區(qū)天然條件下形成的劣質(zhì)水及其種類、分布和范圍，而且能夠有針對性地識別人類活動對地下水水質(zhì)的異常影響（Zhang Y et al.，2017）。如果地下水中某指標(biāo)背景值超標(biāo)，說明該區(qū)域在天然地質(zhì)環(huán)境和正常人類活動下形成了劣質(zhì)水，需要在該區(qū)域中進(jìn)行劣質(zhì)劣變水評價劃分。首先根據(jù)各水文地質(zhì)單元背景值構(gòu)建結(jié)果，將水化學(xué)指標(biāo)分為天然劣質(zhì)指標(biāo)和非天然劣質(zhì)指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)濃度值和該指標(biāo)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值、背景值上限，將天然劣質(zhì)指標(biāo)劃分為A、C、D類，將非天然劣質(zhì)指標(biāo)劃分為A、B、E類，具體劃分方法及各評價類別意義見表1。

參考GB/T 14848－2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中綜合評價方法，按照單指標(biāo)評價結(jié)果中最差的類別確定。首先對單指標(biāo)評價結(jié)果進(jìn)行優(yōu)先級排序：以Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值作為依據(jù)，A類、B類均表示指標(biāo)濃度小于等于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，C類、D類、E類表示指標(biāo)濃度大于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，水質(zhì)超標(biāo)指標(biāo)表達(dá)優(yōu)先級高于水質(zhì)合格指標(biāo)，因此A、B表達(dá)優(yōu)先級低于C、D、E；同理，以是否在人為活動影響下指標(biāo)濃度升高超過背景限值作為依據(jù)，A類、C類為未受或受輕度人為活動影響下天然背景指標(biāo)，B類、D類、E類為人為活動影響下已發(fā)生惡化的污染指標(biāo)，因此A表達(dá)優(yōu)先級低于B，C表達(dá)優(yōu)先級低于D、E；E類表示在人為活動影響下的超標(biāo)指標(biāo)，D類表示僅在原生自然環(huán)境導(dǎo)致的天然劣質(zhì)指標(biāo)在人為活動影響下濃度進(jìn)一步升高超過其背景閾值，因此D表達(dá)優(yōu)先級低于E。單指標(biāo)評價結(jié)果表達(dá)優(yōu)先級為A

綜上，某水樣的劣質(zhì)劣變綜合評價等級為單指標(biāo)綜合評價結(jié)果中最差的類別，即表達(dá)優(yōu)先級最高的類別。以下分述劣質(zhì)劣變綜合評價各類水的用途及表達(dá)意義。

A類：天然優(yōu)質(zhì)水，未受或受輕度人為活動影響下的天然背景水，地下水化學(xué)指標(biāo)含量低，適用于集中式生活飲用水等各種用途。

B類：劣變優(yōu)質(zhì)水，受人為活動影響部分指標(biāo)濃度升高，整體地下水水質(zhì)合格，水化學(xué)指標(biāo)含量較低，適用于生活飲用及工農(nóng)業(yè)用水等用途。

C類：天然劣質(zhì)水，原生自然環(huán)境導(dǎo)致的部分指標(biāo)超三類水標(biāo)準(zhǔn)，未受或受輕度人為活動影響，部分天然劣質(zhì)組分含量較高。

D類：劣變劣質(zhì)水，原生自然環(huán)境導(dǎo)致的天然劣質(zhì)水在人為活動影響進(jìn)一步惡化形成的劣變水，部分天然劣質(zhì)組分含量高。

E類：污染劣質(zhì)水，受人為活動影響導(dǎo)致的水質(zhì)不合格水。

2? 實例驗證

2.1? 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

南充市位于四川盆地東北部、嘉陵江流域中段，是中國西部地區(qū)重要的交通樞紐城市。氣候?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)區(qū)，有著與四川盆地共同的氣象特點：四季分明，雨熱同季，降雨時空分布不均，多年平均年降雨量980～1 150 mm，由西向東北遞減，以夏季降雨最多，約占整年降雨量的一半。全市地勢從北向南傾斜，海拔256～888.8 m，地貌類型分為北部低山區(qū)、南部丘陵區(qū)、河谷平壩三大類。根據(jù)地層巖性、地形地貌、地下水補(bǔ)徑排條件等因素（毛文清等，1997；張廷山等，2006），將南充市劃分為4個水文地質(zhì)單元（圖2），各區(qū)特征分述如下：

水文地質(zhì)單元Ⅰ區(qū)：研究區(qū)北部閬中市店子埡—千佛場一帶，地層巖性為白堊系蒼溪組（K1c）、白龍組（K1b）灰色、灰白色厚層塊狀—細(xì)粒巖屑砂巖、長石砂巖夾紫紅色泥巖、鈣質(zhì)砂巖。主要賦存砂、泥巖風(fēng)化帶孔隙裂隙水，富水性中等。

水文地質(zhì)單元Ⅱ區(qū)：研究區(qū)中部南部縣、儀隴縣大部分地區(qū)，地層巖性為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3 p）灰黃色中至厚層狀細(xì)砂巖與紫紅色鈣質(zhì)、砂質(zhì)泥巖不等厚互層。主要賦存砂、泥巖風(fēng)化帶裂隙水，富水性貧乏。

水文地質(zhì)單元Ⅲ區(qū)：研究區(qū)南部嘉陵區(qū)至營山縣一帶，地層巖性為侏羅系遂寧組（J3 s）砂泥巖不等厚互層，常見淺灰、黃綠色的不規(guī)則鈣質(zhì)結(jié)核或團(tuán)塊，沙溪廟組（J2 s）紫紅色泥巖、鈣質(zhì)泥巖為主，夾薄層或脈狀石膏。該水文地質(zhì)單元以砂泥巖風(fēng)化帶溶蝕孔洞為主要的地下水儲集和運移空間，富水性中等。

水文地質(zhì)單元Ⅳ區(qū)：主要分布于嘉陵江兩岸漫灘和階地，地層巖性為第四系（Q4al、Q2+3fgl）沙質(zhì)黏土、粉質(zhì)砂土、卵礫石土。賦存河流堆積砂礫卵石層孔隙水及冰水堆積黏土砂礫石層孔隙水，富水性中等。

2022年4月開展南充市水文地質(zhì)調(diào)查、地下水樣品采集工作。采樣井主要為居民生活用井和農(nóng)業(yè)灌溉井，井深均小于30 m，為淺層地下水。收集的淺層地下水取樣測試數(shù)據(jù)來自2021年“四川省地下水環(huán)境調(diào)查評估與能力建設(shè)一期調(diào)查評估服務(wù)03包南充市地下水環(huán)境調(diào)查評估”項目及2004年“四川省紅層丘陵區(qū)地下水調(diào)查與開發(fā)利用規(guī)劃及農(nóng)村找水打井示范工程”項目（四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，2021；張廷山等，2005）。

為了保證研究數(shù)據(jù)的代表性和科學(xué)性，對已獲取的區(qū)域地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行測試指標(biāo)篩選及可靠性檢驗。只保留測定指標(biāo)含TDS、pH值、總硬度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO4 2-、HCO3 -、CO3 2-、NO3 -、NO2 -、NH4 +、F-、COD、Fe、Mn、Cu、Al、Zn、H2SiO3、Hg、Cr6+、Pb、As、Cd的樣品共有247組，進(jìn)行碳酸平衡和電荷平衡檢驗后，共獲得239組樣品水化學(xué)數(shù)據(jù)用于本次研究，其中2022年平水期分析樣品48組，2021年平水期分析樣品95組，2004年分析樣品96組。取樣點具體位置見圖2，根據(jù)實地調(diào)查及相關(guān)收集資料，研究區(qū)淺層地下水主要的潛在污染源分布見圖3。

2.2? 背景值計算結(jié)果

根據(jù)水文地質(zhì)條件將研究區(qū)分為4個水文地質(zhì)單元，分別構(gòu)建各單元的地下水環(huán)境背景值。首先利用環(huán)境篩查法剔除了可能受人為活動影響較大的取樣點，其次考慮地下水水文地球化學(xué)演化過程及各水化學(xué)指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系利用水化學(xué)圖法進(jìn)一步識別異常取樣數(shù)據(jù)，最后利用Grubbs數(shù)理檢驗法分析驗證剩余采樣點各水化學(xué)指標(biāo)的離散程度，進(jìn)一步識別出各指標(biāo)測量數(shù)據(jù)中偏離平均值較遠(yuǎn)的個別“異常數(shù)據(jù)”。異常識別結(jié)果見表2、表3。

基于上述背景值構(gòu)建方法，分別對研究區(qū)4個水文地質(zhì)單元進(jìn)行了異常識別，最后計算異常剔除后剩余數(shù)據(jù)的累積頻率，背景值范圍為累計頻率為5%～95%所對應(yīng)的濃度值。以單元Ⅱ為例，計算結(jié)果見表4。

2.3? 劣質(zhì)劣變評價結(jié)果

根據(jù)背景值構(gòu)建成果，水文地質(zhì)單元Ⅱ、Ⅲ區(qū)存在天然劣質(zhì)指標(biāo)，均為總硬度和Fe。對收集到的各期水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行劣質(zhì)劣變評價，結(jié)果如表5所示。2004年“紅層找水”數(shù)據(jù)以及2022年本次取樣數(shù)據(jù)主要以居民生活用井和農(nóng)業(yè)灌溉井為主，顯示為A類天然優(yōu)質(zhì)水占比最多，其次為B類劣變優(yōu)質(zhì)水及E類污染劣質(zhì)水，C類天然劣質(zhì)水及D類劣變劣質(zhì)水分布較少。2021年“四川省地下水環(huán)境調(diào)查評估與能力建設(shè)一期調(diào)查評估服務(wù)03包”項目數(shù)據(jù)，主要針對南充市20個重點調(diào)查對象布設(shè)監(jiān)測點，完成地下水的取樣和分析工作。重點對象除2個地下水集中式飲用水源地外，其余為工業(yè)聚集區(qū)、重點行業(yè)企業(yè)、危險廢物處置場、垃圾填埋場等潛在污染源。均屬于受人為影響較大的區(qū)域，因此評價結(jié)果主要表現(xiàn)為E類污染劣質(zhì)水最多，其次為B類劣變優(yōu)質(zhì)水及D類劣變劣質(zhì)水。

本次評價共102組水樣為E類污染劣質(zhì)水，占總水樣點41.3%，以2021年重點調(diào)查對象監(jiān)測點為主，分布于閬中市區(qū)、南部縣東側(cè)安壩、西充縣南側(cè)蓮池、蓬安縣騎龍場等區(qū)域。結(jié)合研究區(qū)潛在污染源分布情況，污染劣質(zhì)水的分布與工業(yè)聚集區(qū)、垃圾填埋場、畜禽養(yǎng)殖場有關(guān)。天然劣質(zhì)水樣共19個，占7.69%，主要分布于南部縣東南部大河壩至東壩場一帶、儀隴縣石佚場、蓬安縣南部羅家場等地。此外，在天然劣質(zhì)水區(qū)附近居民聚集地，如南部定水寺、順慶華光場等區(qū)域天然劣質(zhì)水受人為活動影響，水質(zhì)進(jìn)一步劣變惡化，出現(xiàn)了局部的劣變劣質(zhì)水，劣變劣質(zhì)水點共23個，占比9.31%。天然優(yōu)質(zhì)水及劣變優(yōu)質(zhì)水分別占總水樣點的21.86%、19.84%，廣泛分布于研究區(qū)。劣質(zhì)劣變評價結(jié)果分區(qū)見圖4。

為分析不同評價類別的水化學(xué)特征，選用箱型圖統(tǒng)計對比不同評價等級樣品各指標(biāo)的濃度分布特征（圖5）。明顯可以看出，天然優(yōu)質(zhì)水（A類）和劣變優(yōu)質(zhì)水（B類）各指標(biāo)整體濃度值較低，COD、NH4 +、NO3 - 等指標(biāo)表現(xiàn)為B類水整體濃度值高于A類水；天然劣質(zhì)水（C類）中總硬度、TDS、SO4 2-、Fe等指標(biāo)濃度值整體較A類水、B類水明顯高，但COD等污染指標(biāo)表現(xiàn)為較劣變優(yōu)質(zhì)水（B類）低值。其次，劣變劣質(zhì)水（D類）和污染劣質(zhì)水（E類）均表現(xiàn)為各指標(biāo)的整體高濃度，但劣變劣質(zhì)水（D類）中位值及平均值相差不大，污染劣質(zhì)水（E類）表現(xiàn)為平均值遠(yuǎn)大于中位值，極值更大，離散程度更高。

地下水在不同的自然環(huán)境下或受不同的人為影響往往表現(xiàn)出不同水化學(xué)特征變化，而因子分析作為一種多元統(tǒng)計分析法可以將具有相似水化學(xué)特征或者代表相同潛在污染的指標(biāo)歸納為幾個主因子（F j），并通過計算因子得分（每個采樣數(shù)據(jù)在不同主因子（F j）上的具體數(shù)值）來表示該因子（F j）對水樣點攜帶的水質(zhì)信息的解釋程度（Guler et al.，2012；張小文等，2021）。本次基于SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行因子分析，利用加權(quán)最小二乘法計算因子得分，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查信息及劣質(zhì)劣變評價結(jié)果歸納分析研究區(qū)主要水質(zhì)問題，驗證劣質(zhì)劣變評價結(jié)果的可靠性。

對研究區(qū)20個水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行R型因子分析，其中未檢出數(shù)據(jù)用0.7倍檢出限代替，利用主成分法提取特征值，根據(jù)特征值大于1的原則共提取4個主因子，累計方差解釋率為76.55%，能夠反映原始數(shù)據(jù)的基本信息。旋轉(zhuǎn)成分矩陣見表6。

根據(jù)因子分析結(jié)果，做出各水樣點因子得分情況與劣質(zhì)劣變評價結(jié)果關(guān)系圖（圖6），可以看出，因子F1的解釋率最高，達(dá)49.16%，其中Na+、Ca2+、Mg2+、SO4 2-、HCO3 -、總硬度、TDS的因子荷載較大，均與F1呈正相關(guān)。因子得分高值點主要分布在南部縣東南部、儀隴縣石佚場、蓬安縣南部羅家場等地，與天然劣質(zhì)水（C類）分布基本一致，此外部分D類、E類水點同樣也表現(xiàn)為F1得分高值。因此，因子F1代表天然作用下和人為活動影響下導(dǎo)致的水巖作用加強(qiáng)，表現(xiàn)為主要組分的濃度高值。

F2解釋率為12.11%，其中Fe、F的因子荷載較大，與F2呈正相關(guān)，因子得分高值點與C類水分布基本一致，此外部分D類、E類水點同樣也表現(xiàn)為F1得分高值。因子F2代表天然及人為綜合影響下高氟、高鐵問題。

F3解釋率為8.25%，其中Zn、Mn與F1呈較高的正相關(guān)，NO3 - 與F3呈負(fù)相關(guān)。因子F3得分高值點主要為閬中工業(yè)集中區(qū)、南充都京工業(yè)園區(qū)附近采樣點，與F4得分高值點有一定的相關(guān)性。因子F3主要代表工業(yè)污染物對地下水的輸入導(dǎo)致的Mn、Zn等重金屬離子濃度值的升高。

F4解釋率為7.03%，其中pH、COD、NH4+的因子荷載較大，與F4呈正相關(guān)，因子得分高值點主要分布在閬中市工業(yè)集中區(qū)、垃圾填埋場，高坪區(qū)化工園區(qū)附近，部分居民聚集地也有高值點出現(xiàn)。高值點大部分周邊有明顯潛在污染源，為背景值構(gòu)建過程中環(huán)境篩查法剔除水點。因子F4代表工業(yè)及生活污染源導(dǎo)致的地下水酸堿環(huán)境變化、COD和NH4 + 濃度值的高值。

結(jié)合上文不同評價類別的水化學(xué)特征及因子分析，說明研究區(qū)劣質(zhì)劣變評價結(jié)果較為科學(xué)可靠，主要的水質(zhì)問題：一是分布于天然劣質(zhì)水區(qū)，受自然環(huán)境影響下的天然劣質(zhì)指標(biāo)總硬度和Fe的濃度高值；二是分布于劣變劣質(zhì)區(qū)和污染劣質(zhì)區(qū)，輸入型人為污染導(dǎo)致的COD、“三氮”、重金屬等離子濃度的超標(biāo)，以及天然劣質(zhì)指標(biāo)濃度的進(jìn)一步劣變升高。

2.4? 成因分析及防控建議

根據(jù)飲用地下水對人體的健康風(fēng)險，原始地質(zhì)條件控制下正常水巖作用可形成面狀分布的天然優(yōu)質(zhì)水及天然劣質(zhì)水，而隨著社會生產(chǎn)力增長，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)等人為活動的發(fā)展，造成污染物直接輸入，溶濾混合、離子交替吸附等水化學(xué)作用加強(qiáng)，導(dǎo)致地下水離子濃度變化，形成劣變污染現(xiàn)象。以南部玉臺場—定水—安壩一帶為典型示意剖面（圖7），分析地下水成因并提出劣質(zhì)水防控思路。

天然優(yōu)質(zhì)水區(qū)：南部光中場、玉臺場一帶人口較為稀疏，人為活動強(qiáng)度小，土地利用類型以林地、草地等為主，在正常水巖作用下形成天然優(yōu)質(zhì)水，各指標(biāo)濃度均未超標(biāo)且處于背景值范圍，整體水質(zhì)較好，呈面狀分布。

劣變優(yōu)質(zhì)水區(qū)：升鐘寺等地受農(nóng)業(yè)種植、鄉(xiāng)村聚集地生活污水、生活垃圾以及畜牧養(yǎng)殖等影響，表現(xiàn)為片狀、面狀分布的劣變優(yōu)質(zhì)水，各指標(biāo)濃度均未超標(biāo)，但在輕度人為活動影響下部分指標(biāo)濃度有濃度升高現(xiàn)象，高于背景值上限，主要以COD、“三氮”指標(biāo)為代表。對于這種污染現(xiàn)象，污染源分布面積廣而散，單純從污染源防控角度出發(fā)不能解決根本問題，而應(yīng)當(dāng)結(jié)合政策管理，合理控制人類活動的強(qiáng)度，從降低對地下水影響的角度去緩解污染程度。如農(nóng)村污水、垃圾一體化處理，減少農(nóng)藥、化肥的使用，精準(zhǔn)施肥等。

天然劣質(zhì)水區(qū)：根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，天然劣質(zhì)區(qū)為侏羅系中上統(tǒng)地層，巖性主要為鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)砂巖等，CaO、MgO含量高達(dá)10%～12%。地層中常見鐵質(zhì)結(jié)核、薄層或脈狀石膏等（圖8），在地下水溶濾作用下，形成溶蝕孔洞，是研究區(qū)地下水中鐵、硫酸鹽、鈣鎂等離子聚集的物源基礎(chǔ)，導(dǎo)致了鐵和總硬度的天然高值。對于原始地質(zhì)條件導(dǎo)致的天然劣質(zhì)水，只能通過修建集中式飲用水水源地、相應(yīng)的水處理設(shè)施推廣、用水習(xí)慣（如水燒開后飲用以減少Ca2+、Mg2+的攝入）等方式降低對人體的健康風(fēng)險。

劣變劣質(zhì)水區(qū)：在南部定水鎮(zhèn)等居民聚集區(qū)表現(xiàn)為劣變劣質(zhì)水（D類）分布。分析其原因，一方面研究區(qū)地下水中大部分點未檢出有NH4 +，N主要存在形式為NO3 -，而有氧條件下氨氮經(jīng)硝化菌作用發(fā)生硝化作用的過程，造成NO3 -升高的同時釋放出H+使水土系統(tǒng)中的pH值降低，水化學(xué)條件的變化影響了碳酸平衡；另一方面污染物中有機(jī)質(zhì)在微生物作用下分解產(chǎn)生CO2和H2S等還原性物質(zhì)導(dǎo)致的氧化還原環(huán)境變化。

而酸堿環(huán)境和氧化還原環(huán)境的改變將極大增強(qiáng)對碳酸鹽巖的溶解，溶濾作用的增強(qiáng)導(dǎo)致HCO3 -、Ca2+、Mg2+等離子的升高（繆澤等，2022），使高價鐵氧化物還原成低價的含鐵易溶鹽，最終導(dǎo)致地下水中鐵含量持續(xù)升高（朱錦旗等，2006；姚普等，2022）。反應(yīng)式如下：

從總硬度與NO3 - 濃度的關(guān)系（圖9）可看出，劣變劣質(zhì)水（D類）和部分污染劣質(zhì)水（E類）中總硬度、鐵與NO3 - 呈較好的正相關(guān)關(guān)系。

因此，地表潛在污染對地下水污染輸入，打破了天然水化學(xué)平衡、導(dǎo)致地下水環(huán)境發(fā)生變化，造成污染指標(biāo)濃度升高的同時也會誘導(dǎo)總硬度、鐵的濃度升高。對于這種“誘導(dǎo)型”污染，同樣應(yīng)當(dāng)從排污系統(tǒng)完善、政策管理等角度出發(fā)，合理控制人類活動的強(qiáng)度，從而降低對地下水質(zhì)量的影響。

污染劣質(zhì)水區(qū)：在南部安壩河?xùn)|科技工業(yè)區(qū)一帶表現(xiàn)為污染劣質(zhì)水（E類）分布，超標(biāo)污染物為總硬度、鐵、氨氮、錳、鋁、砷等，該工業(yè)集中區(qū)以絲綢、金屬制品公司為主，超標(biāo)污染物多為其特征污染物。對于這種“輸入型”污染，通常有特定的污染來源，從污染源防控角度出發(fā)是解決這類問題的關(guān)鍵。如易滲漏環(huán)節(jié)防滲漏工藝和技術(shù)改造，在企業(yè)輸出端和污水處理廠輸入端設(shè)置在線計量裝置，自行監(jiān)測、環(huán)保制度和環(huán)保措施落實情況等。

3? 結(jié)論

針對研究區(qū)4個水文地質(zhì)單元，通過環(huán)境篩查+水化學(xué)圖+數(shù)理檢驗進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除，分別構(gòu)建各單元的地下水環(huán)境背景值。其中，水文地質(zhì)單元Ⅰ、Ⅳ區(qū)各指標(biāo)背景上限均低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，單元Ⅱ、Ⅲ區(qū)存在天然劣質(zhì)指標(biāo)，為總硬度和Fe，背景濃度上限分別為495.4 mg·L-1和0.389 mg·L-1。

劣質(zhì)劣變評價結(jié)果顯示，天然劣質(zhì)水（C類）樣占總?cè)狱c的7.69%，主要分布于南部縣東南部大河壩至東壩場一帶、儀隴縣石佚場、蓬安縣南部羅家場等地；劣變劣質(zhì)水（D類）和污染劣質(zhì)水（E類）分別占總?cè)狱c的9.31%、41.3%，整體分布較為密集，主要分布于閬中市區(qū)、南部縣南側(cè)、蓬安縣騎龍場等區(qū)域。結(jié)合水化學(xué)特征及因子分析驗證了劣質(zhì)劣變評價的可靠性，歸納了主要的水質(zhì)問題：一是分布于天然劣質(zhì)水區(qū)，受自然環(huán)境影響下的天然劣質(zhì)指標(biāo)總硬度和Fe的濃度高值；二是分布于劣變劣質(zhì)區(qū)和污染劣質(zhì)區(qū)，輸入型人為污染導(dǎo)致的COD、“三氮”、重金屬等離子濃度的超標(biāo)，以及天然劣質(zhì)指標(biāo)濃度的進(jìn)一步劣變升高。

研究區(qū)地層中常見鐵質(zhì)結(jié)核、薄層或脈狀石膏是地下水中鐵、硫酸鹽、鈣鎂等離子聚集的物源基礎(chǔ)，控制著天然劣質(zhì)水的分布，可通過修建集中式飲用水水源地、相應(yīng)的水處理設(shè)施推廣、用水習(xí)慣等方式降低天然劣質(zhì)水區(qū)人體健康風(fēng)險。劣變劣質(zhì)水區(qū)地表潛在污染對地下水污染輸入導(dǎo)致地下水酸堿環(huán)境、氧化還原環(huán)境發(fā)生變化，造成污染指標(biāo)濃度升高的同時也會誘導(dǎo)總硬度、鐵的濃度升高。對于這種“誘導(dǎo)型”污染，應(yīng)當(dāng)從排污系統(tǒng)完善、政策管理等角度出發(fā)，合理控制人類活動的強(qiáng)度。污染劣質(zhì)水區(qū)工業(yè)集中區(qū)等輸入型人為污染導(dǎo)致的COD、“三氮”、重金屬等特征污染指標(biāo)的超標(biāo)，通常有特定的污染來源，從污染源防控角度出發(fā)是解決這類問題的關(guān)鍵。

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收稿日期：2023-04-03；修回日期：2023-06-25

基金項目：嘉陵江流域中段典型淺層地下水劣質(zhì)劣變評價體系研究項目（SCDKZCKJXM-2021060）資助

第一作者簡介：張小文（1995- ），男，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)相關(guān)工作。E-mail：1978165803@qq.com

通信作者簡介：袁偉（1983- ），男，碩士，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)相關(guān)工作。E-mail：1147408998@qq.com

引用格式：張小文，袁偉，胡亞召，2023.地下水劣質(zhì)劣變評價體系研究［J］.城市地質(zhì)，18（3）：24-36