曹陽，李明明，楊耀棟，申月芳，馬晗宇

（1.天津市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心，天津 300191；2.國土資源部天津礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，天津 300191；3.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191）

薊縣盤山地區(qū)淺層地下水水質(zhì)分布特征及影響因素識別

曹陽1,2，李明明3，楊耀棟1,2，申月芳1,2，馬晗宇1,2

（1.天津市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心，天津 300191；2.國土資源部天津礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，天津 300191；3.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191）

針對天津市薊縣盤山地區(qū)官莊鎮(zhèn)開展了豐水期（2013年7～9月）與枯水期（2014年3～4月）地下水水質(zhì)取樣與分析。利用多元統(tǒng)計法研究了該區(qū)地下水總硬度、、、Cl-、TDS、Ca2+、Mg2+、Na+和CODMn等9項指標的季節(jié)變化。采用因子分析法對地下水水質(zhì)影響因素進行了識別，并通過一元線性回歸分析識別地下水水質(zhì)因子與研究區(qū)人口密度、耕地比例、禽類養(yǎng)殖、農(nóng)家院數(shù)量和工業(yè)產(chǎn)值等之間的相關(guān)性，識別出地下水污染來源。結(jié)果顯示：豐水期水質(zhì)劣于枯水期水質(zhì)，溶濾作用和生活污染是研究區(qū)水質(zhì)的主要影響因素，工業(yè)污染和商業(yè)服務(wù)均對該區(qū)地下水造成明顯影響。

地下水水質(zhì)；一元線性回歸；因子分析法；污染識別；薊縣盤山

地下水質(zhì)的分布特征反映了地下水形成演化特征和水質(zhì)變化情況，是自然因素和人為活動對地下水共同影響的直接表現(xiàn)。地下水由于其埋藏條件的特殊性，形成演化受含水層介質(zhì)特性、化學(xué)組分、水動力條件以及人為因素等影響，是一個相對復(fù)雜的過程[1-2]。隨著計算機技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展，因子分析法、主成分分析法和聚類分析法被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)成因分析、污染來源及影響因素分析研究中[3-5]。開展相關(guān)研究不僅對揭示地下水化學(xué)特征和水化學(xué)形成作用具有重要的學(xué)術(shù)意義，同時對地下水水資源保護和可持續(xù)開發(fā)利用具有重要的實際價值[6-9]。

天津市薊縣盤山地區(qū)，蘊藏著豐富的飲用天然礦泉水資源，分布著多家礦泉水生產(chǎn)企業(yè)。該區(qū)淺層地下水賦存在第四系松散沉積層和花崗巖全風(fēng)化裂隙含水層中，含水層底板埋深普遍小于60m，是礦泉水主要補給來源之一。近年來人們一方面對礦泉水的需求量增加，另一方面對礦泉水水源地的人為干擾也逐漸增大。目前針對區(qū)內(nèi)礦泉水開發(fā)利用與水質(zhì)現(xiàn)狀，開展了多項專題研究工作[10-13]，但研究集中在礦泉水成因及資源開發(fā)利用上，地下水水質(zhì)污染調(diào)查和成因分析也以定性研究為主，忽略了淺層地下水水質(zhì)季節(jié)性變化與人為活動的干擾。本文通過系統(tǒng)地采集研究區(qū)不同季節(jié)淺層地下水水質(zhì)樣品，利用多元統(tǒng)計法和一元線性回歸分析，對薊縣盤山淺層地下水水質(zhì)時空變化進行研究，定量地研究了研究區(qū)水質(zhì)影響因素，識別出淺層地下水污染來源，可為該區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測管理與礦泉水污染控制提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天津市薊縣盤山地區(qū)位于薊縣西部，區(qū)內(nèi)自然條件優(yōu)越、資源物產(chǎn)豐富，盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低鈉、低礦化度偏硅酸型礦泉水。工作區(qū)位于燕山山脈與華北平原交接地帶，地勢北高南低，主要地貌單元為侵蝕-剝蝕中低山丘陵和沖洪積扇（圖1）。北部屬盤山的一部分，侵蝕切割強烈，山勢陡峭，溝谷狹窄，多呈“V”字型。山區(qū)與平原交接過渡帶，發(fā)育坡殘積洪積裙，寬度約1～2km，第四系厚0～55m，花崗巖全風(fēng)化層平均厚度30m，巖性以砂質(zhì)粘土、亞砂土、粉細砂為主，夾卵礫石透鏡體，沖洪積裙上發(fā)育有一系列沖溝，寬度由幾米到幾十米不等，切割深度1～5m，沖溝兩側(cè)多為陡坎。研究區(qū)降水量主要集中在6～9月，達到全年降水總量的80%以上，多年平均降水量為627.2mm。該區(qū)淺層地下水水位動態(tài)主要受降水影響，地下水豐水期一般出現(xiàn)在7～9月，枯水期出現(xiàn)在3～5月。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Fig.1 Location of the research area and distribution of the sampling points

2 采樣與分析方法

2.1 采樣與分析

本次研究對薊縣盤山地區(qū)淺層地下水進行了豐水期和枯水期采樣與分析，時間分別為2013年7～9月和2014年3～4月。現(xiàn)場取樣采用2 L塑料桶，取井、孔中水樣時，先抽水10分鐘左右再進行采樣，采樣前用去離子水清洗，待采水樣潤洗3遍。采樣后樣品置于4℃采樣箱保存，24小時內(nèi)送國土資源部天津礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進行檢測。檢測的水質(zhì)指標為總硬度、Cl-、TDS（溶解性總固體）、Ca2+、Mg2+、Na+和CODMn（高錳酸鹽指數(shù)）共9項。其中總硬度、、Ca2+、Mg2+、Na+采用ICP等離子體發(fā)射光譜法進行測定采用紫外分光光度法進行測定，Cl-采用硝酸銀容量法進行測定，TDS采用重量法進行測定、CODMn采用高錳酸鉀法進行測定。分析過程中進行質(zhì)量控制，每一批次樣品進行全流程空白分析2個，每10個樣品進行加標回收率樣品測試2個，每一批次樣品選擇10%的樣品進行平行樣分析，保證了測試結(jié)果準確可靠。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用單因子標準指數(shù)法評價水質(zhì)現(xiàn)狀，利用S= Ci/Cs計算標準指數(shù)，其中Ci為調(diào)查點水質(zhì)單因子實測值，Cs為地下水質(zhì)量標準中三類水限值，單位均為mg/L。

多元統(tǒng)計方法能夠從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中分析各水質(zhì)點潛在相關(guān)信息，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)時空變異性及污染源識別的研究中。本次研究利用因子分析法將原始變量和指標化為少數(shù)幾個代表原變量信息的綜合指標因子，達到降維和提取主要影響因素的目的，采用KMO和Bartlett球形檢驗數(shù)據(jù)運用因子分析的適用性。統(tǒng)計分析過程主要采用spss17.0完成。

利用線性回歸分析方法研究地下水水質(zhì)影響因素與區(qū)內(nèi)人口、土地利用情況和工業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)性，識別研究區(qū)地下水水質(zhì)主要影響因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水質(zhì)及季節(jié)性變化特征

研究區(qū)淺層地下水取水段埋深均小于60m，是該區(qū)自用民井的主要開采層位，根據(jù)《中華人民共和國地下水質(zhì)量標準》（T14848-93）對區(qū)內(nèi)46個采樣點指標進行評價，總硬度、NO3-N、TDS、CODMn四項指標存在超過地下水Ⅲ類標準的情況，其中總硬度和NO3-N超標比例比較高，分別為19.6%和32.6%。超標項目中，利用地下水質(zhì)量標準對總硬度進行評價，符合Ⅳ類水標準的調(diào)查點占8.7%，符合Ⅴ類水標準的調(diào)查點占10.9%，達到Ⅲ類及以上地下水標準的調(diào)查點占比為80.4%。若對NO3-N利用地下水質(zhì)量標準進行評價，符合Ⅳ類水標準的調(diào)查點占8.7%，符合Ⅴ類水標準的調(diào)查點占23.9%，達到Ⅲ類及以上地下水標準的調(diào)查點占比為67.4%。TDS、CODMn超標率均為3.4%，為地下水Ⅳ類水。

分別對研究區(qū)豐水期29個淺層水水樣和枯水期17個淺層水水樣的9項指標進行了統(tǒng)計描述，9項指標平均濃度值均為豐水期大于枯水期；其中總硬度、NO3-N、Cl-、TDS、Ca2+、Mg2+和Na+等7項指標的最小值和最大值均出現(xiàn)在豐水期；的最小值與最大值出現(xiàn)在枯水期，CODMn最小值出現(xiàn)在枯水期，最大值出現(xiàn)在豐水期。根據(jù)地下水質(zhì)量標準（GB/T-14848-93）超標的項目主要有總硬度、NO3-N、TDS和CODMn，其中總硬度在豐水期超標率為20.7%，最大標準指數(shù)為2.1，枯水期超標率為17.6%，最大標準指數(shù)為1.4 ；NO3-N豐水期超標率為34.5%，最大標準指數(shù)為3.7，枯水期超標率為29.4%，最大標準指數(shù)為3.6 ；TDS和CODMn均在豐水期單個點存在超標現(xiàn)象，超標率為3.4%，最大標準指數(shù)均為1.2 。水質(zhì)總體超標情況為豐水期超標率大于枯水期（圖2）。

表1 研究區(qū)采樣點水質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 The results of water quality data of sampling points in the study area

3.2 地下水主要污染因子識別

對調(diào)查點水質(zhì)的9項指標進行數(shù)據(jù)檢驗，得到KMO（Kaiser-Meyer-Olkin檢驗統(tǒng)計量）值為0.7，Bartlett球形檢驗顯著性水平sig為0.00，低于0.01 的顯著性水平，說明各因素具有一定相關(guān)性，適合運用因子分析法進行分析。利用主成分法計算載荷矩陣，最終選取3個因子作為主要影響因素，累計方差貢獻率達到89.4%，可以解釋研究區(qū)地下水約90%的影響因素（表2）。

經(jīng)分析提取影響研究區(qū)水質(zhì)的主因子F1，總方差貢獻率為57.57%，綜合主成分貢獻率為64.4%，是該區(qū)水質(zhì)的主要影響因子，因子載荷較高的水質(zhì)因子主要為總硬度、Ca2+、TDS、Mg2+、NO3-N和Cl-；第二主因子F2，總方差貢獻率為18.74%，綜合主成分貢獻率20.96%，因子載荷較高的水質(zhì)因子主要為、Na+；第三主因子F3，總方差貢獻率為13.09%，綜合主成分貢獻率為14.64%，載荷因子主要為CODMn。

3.3 地下水主要污染源識別

利用一元回歸分析對水質(zhì)因子及特征進行分析，研究各水質(zhì)因子與各村莊的人口密度、耕地比例、畜禽養(yǎng)殖種類和農(nóng)家院數(shù)量以及工業(yè)產(chǎn)值之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)結(jié)果見表3。結(jié)果顯示研究區(qū)各水質(zhì)參數(shù)與人口密度相關(guān)性明顯，其中人口密度與NO3-N具有強烈正相關(guān)，與TDS具有強烈負相關(guān)，同時人口密度還影響到總硬度、CODMn、Cl-和Na+，影響因子眾多；畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)家院對水質(zhì)各因子影響不明顯，畜禽養(yǎng)殖與Na+有一定的正相關(guān)性，農(nóng)家院數(shù)量與CODMn呈正相關(guān)性，與Cl-呈負相關(guān)；工業(yè)產(chǎn)值與各因子相關(guān)性最大，其中影響最為明顯的是，與工業(yè)產(chǎn)值相關(guān)性達到0.76，其次為Na+和總硬度，相關(guān)系數(shù)分別為0.604 和0.516 。

圖2 淺層地下水水質(zhì)季節(jié)分布特征Fig.2 Seasonal variation of the water quality paramters in the shallow groundwater

表2 因子載荷矩陣Tab.2 Factor loadingmatrix

表3 水質(zhì)參數(shù)與影響因素的相關(guān)系數(shù)Tab.3 The correlation coefficient of the water quality parameters and influencing factors

4 討論

研究區(qū)各離子季節(jié)性變化顯示，總硬度、NO3-N、Cl-、TDS、Ca2+、Mg2+和Na+最大值與最小值均出現(xiàn)在豐水期，該區(qū)豐水期降水量相對集中，隨著降水入滲補給量的增加，各離子垂向淋溶補給量有所增加，導(dǎo)致地下水中各離子含量上升，同時該7項離子在空間分布上存在一定的差異性，部分地區(qū)離子富集，隨著降水量增大濃度逐漸升高；局部地區(qū)上覆地層離子較貧乏，隨著降水量增大濃度逐漸減小，影響因素主要呈面狀分布。最大值和最小值均出現(xiàn)在枯水期，說明該因素在區(qū)域上受到降水量影響較小，與地下水徑流關(guān)系不明顯，主要受到其他因素的影響；CODMn最小值出現(xiàn)在枯水期，最大值出現(xiàn)在豐水期，表明CODMn不僅受到季節(jié)性變化的影響，同時還受到面狀分布趨勢的影響，在枯水期地表污染物垂向補給量減小，CODMn出現(xiàn)最小值，豐水期污染物隨著雨水遷移到地下水中，導(dǎo)致地下水中CODMn升高。

回歸分析顯示區(qū)內(nèi)總硬度、NO3-N、和Cl-與人口密度具有正相關(guān)性，NO3-N、與人口密度呈強相關(guān)，說明研究區(qū)內(nèi)各村落人口數(shù)量和人類活動對地下水水質(zhì)造成十分明顯的影響，尤其是生活污染源氨氮的排放導(dǎo)致地下水中硝酸鹽含量顯著升高，從研究區(qū)相同村落調(diào)查點NO3-N分布規(guī)律來看（表4），村內(nèi)地下水NO3-N標準指數(shù)遠遠高于村落周邊。其次工業(yè)污染源對地下水水質(zhì)的影響較為明顯，通過2013—2014年對工作區(qū)31處地表水的取樣分析，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）進行單因子指標評價，發(fā)現(xiàn)當?shù)氐乇硭傮w水質(zhì)狀況較差，達到或優(yōu)于地表水III類水標準的僅占25.8%，超過一半的地表水為劣V類水。

表4 研究區(qū)同村鄰近調(diào)查井中硝酸鹽標準指數(shù)差異Tab.4 The differences of nitrate standard survey index in study area near the village wells

當?shù)刂饕绊懙乇硭|(zhì)量的指標為總氮，僅此一項就使51.6%的地表水成為劣V類水。此外，CODMn、CODCr（化學(xué)需氧量）、氨氮和總磷也是主要的影響指標，本次研究中，4處食品廠附近的坑塘均是劣V類地表水，其總氮、TDS等指標濃度較高，其中總氮最高可達23.05mg/L，坑塘底泥中總氮含量也偏高，屬于典型的食品工業(yè)廢水污染。當?shù)刂饕称饭I(yè)排污坑污水中Cl-含量都超過1 000mg/L，而在地下水環(huán)境中，Cl-是保守離子，性質(zhì)穩(wěn)定，一般不參與水文地球化學(xué)反應(yīng)。西后子峪和北小屯淺層地下水中Cl-含量偏高可以作為地下水受到食品工業(yè)污水影響的直接證據(jù)。同時，食品工業(yè)污水中同樣含有大量的Na+，這些Na+大大增加了離子交換作用的強度，使更多的Ca2+、Mg2+進入地下水中，導(dǎo)致了硬度的升高。同時，據(jù)前人研究，區(qū)內(nèi)部分地下水井水中的等組分受到區(qū)內(nèi)工業(yè)尤其是食品廠等企業(yè)排污影響，濃度存在不同程度的逐年增高的趨勢[8]，從側(cè)面反映了工業(yè)對濃度變化的影響。雖然工作區(qū)淺層地下水中硝酸鹽主要來自于生活污染源，但溶解性總固體含量和離子組分異常證明了食品工業(yè)污水對當?shù)氐牡叵滤|(zhì)同樣造成了污染；農(nóng)家院數(shù)量與CODMn呈正相關(guān)性，說明該區(qū)農(nóng)家院對地下水中有機物含量和還原性無機物含量造成一定的影響。

因此研究區(qū)主要的影響因素為以總硬度、Ca2+、TDS、Mg2+、NO3-N和Cl-為載荷的自然因子和生活污染因子，主要成因是研究區(qū)長期的地下水溶濾作用和生活垃圾及污水排放。其次是以、Na+為主要荷載的工業(yè)污染，主要來源于工業(yè)廢水排放和地下水自然成因。最后以CODMn為載荷的商業(yè)服務(wù)因素也是造成研究區(qū)地下水水質(zhì)變差的主要因素之一。研究區(qū)內(nèi)耕地和畜禽養(yǎng)殖對地下水影響不明顯。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)總體水質(zhì)指標滿足地下水Ⅲ類標準，但水質(zhì)普遍較差，地下水中總硬度、NO3-N、TDS、CODMn四項指標存在超標情況，其中總硬度和NO3-N超標比例分別為19.6%和32.6%，NO3-N最大超標倍數(shù)為3.7 。研究區(qū)地下水水質(zhì)總體表現(xiàn)為豐水期水質(zhì)劣于枯水期水質(zhì)，季節(jié)變化明顯。

（2）將影響研究區(qū)地下水水質(zhì)的主要因素概化為以總硬度、Ca2+、TDS、Mg2+、NO3-N和Cl-為荷載的自然因子和生活污染因子，綜合主成分貢獻率為64.4%；以、Na+為載荷的工業(yè)污染因子F2，總方差貢獻率為18.74%；以CODMn為載荷的商業(yè)服務(wù)污染因子，總方差貢獻率為13.09%。

（3）研究區(qū)地下水水質(zhì)總體為自然成因，同時受到人類活動影響，其中總硬度和硝酸鹽受生活垃圾及污水排放影響，與人口密度密切相關(guān)，工業(yè)污水排放以及商業(yè)服務(wù)行業(yè)的發(fā)展均對該區(qū)地下水造成明顯影響。

[1]滕彥國，左銳，王金生，等.區(qū)域地下水演化的地球化學(xué)研究進展[J].水科學(xué)進展，2010，21（1）：127-136.

[2]曹陽，滕彥國，劉昀竺.寧夏吳忠市金積水源地地下水水質(zhì)影響因素的多元統(tǒng)計分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2013，43（1）：235-244.

[3]Shrestha S,Kazama F.Assessment of Surface Water Quality Usingmultivariate Statistical Techniques:A Case Study of the Fuji River Basin,Japan[J].Environmentalmodelling and Software,2007,22 (4):464-475.

[4]Zhou F,Huang G,Guo H,et al.Spatio-temporal Patterns and Source Apportionment of Coastal Water Pollution in Eastern Hong Kong[J].Water Research,2007,41 (15):3429-3439.

[5]張妍，尚金城，于相毅.主成分-聚類復(fù)合模型在水環(huán)境管理中的應(yīng)用：以松花江吉林段為例[J].水科學(xué)進展，2005，16（4）：592-595.

[6]章光新，鄧偉，何巖，等.中國東北松嫩平原地下水水化學(xué)特征與演變規(guī)律[J].水科學(xué)進展，2006，17（1）：20-28.

[7]王文祥，王瑞久，李文鵬，等.塔里木盆地河水氫氧同位素與水化學(xué)特征分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（4）：29-35.

[8]張婷，劉靜玲，王雪梅.白洋淀水質(zhì)時空變化及影響因子評價與分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，30（2）：261-267.

[9]黃金良，黃亞玲，李青生，等.流域水質(zhì)時空分布特征及其影響因素初析[J].環(huán)境科學(xué)，2012，33（4）：1098-1107.

[10]李學(xué)美，趙子軍，崔亞莉，等.盤山山前地下水與礦泉水污染成因分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008（1）：112-116.

[11]劉兆茂，沈鍵，郭晶.薊縣盤山花崗巖區(qū)天然礦泉水形成機理分析[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2004（6）：49-53.

[12]王作友，張偉，李希武.天津市薊縣盤山礦泉水形成機理、賦存規(guī)律及開發(fā)利用研究報告[R].天津：天津市薊縣水資源開發(fā)技術(shù)研究所，1993：1-10.

[13]馬晗宇，楊耀棟，曹陽，等.天津市薊縣盤山地區(qū)礦泉水水源地水質(zhì)評價研究成果報告[R].天津：天津市地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心，2015：5-12.

Analysis of variation and its influence factors of the shallow groundwater quality in the Panshan area of Jixian，Tianjin

CAO Yang1,2，LIming-ming3，YANG Yao-dong1,2，SHEN Yue-fang1,2，MAHan-yu1,2
(1.Tianjin Geology andmineral Testing Center,Tianjin 300191 ,China;2.Tianjin Supervision and Inspection Center ofmineral Resources,Ministry of Land and Resources,Tianjin 300191 ,China;3.Tianjin Institute ofGeologicalSurvey,Tianjin 300191 ,China)

Water samples are collected in flood season(July,August and September)and average season(March and April)in the Panshan area of Jixian，Tianjin city in 2013.Multivariate statistics analysis are used to study the seasonal variation of the nine indicators of groundwater including of total hardness,,,Cl-,TDS,Ca2+,Mg2+, Na+and CODMn.Influencing factors of groundwater quality variation are identified by factor analysis.The unitary linearity regressionmethod are used to explore the correlation of groundwater quality and the population density, proportion of cultivated land,the number of livestock breeding,the number of farmyards and industrial production.This article shows the source of groundwater pollution.The results show that water quality in flood season is worse than that in average season.Leaching effect and domestic pollution aremain influencing factors. Industrial pollution and commercial services have significant impact to the groundwater.

groundwater quality,unitary linearity regressionmethod,factor analysis,identification of pollution source,the Panshan area of Jixian

P641

A

1672－4135（2016）04－0305-06

2016-04-29

天津市礦產(chǎn)資源補償費項目“天津市薊縣盤山地區(qū)礦泉水水源地水質(zhì)評價研究（國土房任[2013]15號）”

曹陽（1984-），女，工程師，2013年畢業(yè)于北京師范大學(xué)地下水科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事水工環(huán)地質(zhì)研究工作，E-mail：caoy84@163.com。