湖北省安陸地區地下水水質空間變異特征及評價

王藝霖,高 杰*,郭 靜,蔡愛民,李亞云,李 寅,丁旭峰,楊虎成,陳夢源

(1.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

近年來,隨著人口增長和城市建設進程加快,水環境狀況受到影響,地下水體受到大面積污染,水質惡化情況日趨加劇。安陸地區地處大別山連片貧困區,為配合湖北省地方安全供水及精準扶貧、大別山貧水區用水安全模式研究,對該區域進行地下水水質評價具有一定的現實意義。

水質分析問題包含了大量的空間數據統計和分析,利用地統計學(geostatistics)方法可對隱含信息進行深入有效地挖掘[1-2]。地統計學是20世紀60年代由法國統計學家G.Matheron創立的一門以區域化變量理論為基礎,以變異函數為主要工具,研究在空間分布上既有隨機性又有結構性,或空間相關和依賴性的自然現象的統計學分支[3],它依賴于統計學方法,但又不同于經典統計學,研究內容包括樣本的數字特征和區域化變量的空間分布特征。在傳統的地質、采礦領域以及土壤、生態、環境、氣象、農業、臨床醫學、遙感、社會科學等其他空間相關領域均取得了一定的成果[3]。當前,越來越多的國內外學者利用空間變異特征研究水化學問題。Sahay et al.[4]利用ArcGIS軟件中的統計分析工具研究美國愛達荷州西蛇河平原淺層地下水含水層中硝酸鹽和污染物的時空數據;Asadi et al.[5]利用GIS技術對印度海得拉巴市地下水質進行評價,將土地利用類型與各水質參數空間分布圖相結合分析合適飲用水的區域;Cay et al.[6]通過ArcGIS軟件,利用地統計學方法研究了土耳其科尼亞市91口地下水監測井的地下水時空變化特征;李小玉等[7]通過將地統計學與地理信息系統結合,分析了地下水礦化度與土地利用變化的關系;閆金鳳等[8]運用GIS的地統計學分析方法對新疆三工河流域綠洲的77個地下水水質監測數據進行半變異函數模型分析,揭示了區內地下水水質空間變異性特征;高蒙[9]采用變異函數模型對河南省淺層地下水水質的主要成分進行研究分析。此外,內梅羅指數法也在水質評價中被廣泛應用,該方法通過計算各個評價因子的權重,充分考慮各個污染因子對水質的影響,可真實評價水體水質[10-11]。

目前,學術界針對湖北省地下水水質成分空間變異性研究相對較少。本文綜合利用空間變異分析方法和地下水水質評價方法,揭示安陸地區地下水關鍵污染因子的空間變異特征,為后續有針對性地修復該地區地下水水環境提供重要科學依據,為大別山地區生態環境保護、保障地區水資源安全、支撐經濟發展與生態保護提供基礎地學依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理

研究區位于湖北省東北部孝感市,所涉行政區主要為安陸市及云夢縣北側部分區域,地理坐標:東經113°30′～113°45′,北緯31°10′～31°20′。區內屬于北亞熱帶季風氣候區,氣候特征為春秋短、冬夏長,四季分明,夏季炎熱多雨。近30年年平均降水量為1 081 mm,年平均氣溫為16.0℃。研究區地處江漢平原北緣、鄂北丘陵山區(大洪山)南緣,整體地勢北高南低,自北向南逐漸傾斜。區內河流縱橫交錯,水系發育,分屬涢水、環水、大富水三大水系。受河流及白堊紀斷陷盆地及其他隱伏構造影響,研究區地貌類型可劃分為河流堆積地貌、剝蝕堆積垅崗地貌、構造侵蝕剝蝕地貌。區內主要地層由新至老為第四系、白堊系、寒武系、震旦系、青白口系,還包含兩套巖漿巖地質體,分別是白堊系噴出相玄武巖及新元古界輝綠巖。

1.2 水文地質條件

根據地下水含水介質類型,區內可劃分為5個含水巖組:①第四系松散巖類孔隙水含水巖組。該巖組主要由全新統和上更新統砂—砂(卵)礫石層組成,分布于府河、漳河河漫灘及滾子河兩岸階地;②碎屑巖類裂隙水含水巖組。該巖組主要由公安寨組砂—粉砂巖組成,分布于府河以西高崗地貌;③玄武巖孔洞裂隙含水巖組。該巖組主要由玄武巖組成,廣泛分布于中部府河兩岸;④變質巖風化裂隙水含水巖組。該巖組主要由板巖、片巖、變輝綠巖組成,分布于西北及東北角;⑤碳酸鹽巖巖溶裂隙水含水巖組。該巖組主要賦存于燈影組灰巖、白云質灰巖中,分布于西北白兆山景區一帶。

研究區總體地勢較為平坦,地形起伏不大,地下水徑流緩慢,總的徑流方向是由西北流向東南。區內地下水補給主要有大氣降水入滲、農田灌溉、洪水期河水沿途入滲補給和相鄰含水層的側向補給。地下水排泄方式主要有蒸發排泄、枯水期向河流排泄、人工開采及相鄰含水層的側向排泄。

2 數據采集與研究方法

2.1 樣品采集與處理

為查明研究區地下水水質,對區內進行了系統的地下水采樣調查,共采集89組地下水樣(圖1),采樣點均勻分布于研究區。

圖1 地下水取樣點分布圖

根據本次取樣分析項目,地下水水質評價因子為總硬度、pH、耗氧量、總溶解固體、Fe、Mn、As、Al、Cd、Pb、Hg、Cr(VI)、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、氟化物、硫酸鹽以及氯化物等指標(表1)。其中,三氮(氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽)可作為評價地下水是否被有機物污染的間接指標。

表1 地下水質量分類指標表

2.2 研究方法

2.2.1空間變異分析方法

地下水水質參數的含量和分布既有空間結構性,又有隨機性,滿足區域化變量的特征[12-13]。本文以研究區地下水水質參數為研究對象,基于地統計學基本原理,利用半變異函數[14-15],研究安陸地區地下水水質參數的空間變異特征。

半變異函數又稱為半變差函數、半變異矩。設Z(x)為區域化隨機變量時,Z(x)的半變異函數定義為隨機變量Z(xi)與Z(xi+h)空間距離為h的兩變量方差的1/2,記為γ(x,x+h),在(準)二階平穩假設的前提下,半變異函數亦可改寫為γ(h),其公式如下:

(1)

式中:N(h)為以h為間距的樣本數;h為抽樣間距。

以γ(h)為y軸,h為x軸,可繪制半變異函數圖。根據實測數據繪制的半變異函數圖,利用常用的理論模型進行擬合,從而對空間參數的空間分布進行結構性分析和變異性分析。常用的理論模型有球狀模型、指數模型、線性模型和高斯模型等。

2.2.2地下水水質評價方法

本文依據《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017),運用內梅羅指數法進行水質綜合評價[16-24],即根據地下水質量分類指標對各單項進行分類評分,以此為基礎值對地下水質量進行分級。

首先根據各單項組分測量結果,劃分組分所屬類別(表1),確定各單項組分評價分值(表2),然后按照公式(2)和(3)計算綜合評價分值,再根據綜合評價分值對地下水質量級別進行分級(表3),可分為優良(Ⅰ)、良好(Ⅱ)、較好(Ⅲ)、較差(Ⅳ)、極差(Ⅴ)5級。相關計算公式為:

表2 地下水質量單項組分評價分值表

表3 地下水質量綜合評定分級表

(2)

(3)

3 結果與分析

3.1 水質參數描述性統計分析

表4 安陸地區地下水水質描述性統計表

3.2 水質參數空間變異性分析

圖2 化學成分指標檢測值的頻率直方圖

表5 理論變差函數模型擬合值

圖3 化學成分指標檢測值實驗半變異函數及理論模型擬合圖

γ(h)

(4)

(5)

3.3 地下水水質參數評價及分析

圖4 地下水質量分區圖

根據內梅羅指數法,計算區內89組地下水采樣點水質的綜合指數,結果見表6。由表6可知,在采樣點中,Ⅱ類水有4個,占全部采樣點水質的4.5%;Ⅲ類水有53個,占比59.6%;Ⅳ類水有22個,占比24.7%;Ⅴ類水有10個,占比11.2%。

表6 內梅羅指數法地下水水質評價結果

根據地下水質量綜合評價結果,結合地下水空間分布特征,對研究區地下水環境質量進行分區,利用ArcGIS軟件進行可視化,分區結果如圖4所示。安陸地區水質良好(Ⅱ)區域占比較小,呈零散分布,主要位于安陸地區東北角及南部,約占研究區總面積的4%,人類活動影響較小;水質較好(Ⅲ)區域占比最多,占研究區總面積的60%,分布在良好區域周圍,是良好與較差區域的過渡帶;而水質較差(Ⅳ)區域多分布于水系周圍及居民聚居地(市區附近),約占研究區總面積的25%;水質極差(Ⅴ)區域約占研究區總面積的11%,該區域多種污染并存,地下水污染較重,受人類活動影響較大,可見人類活動對當地地下水質量產生極大的污染影響。

研究區地下水一般污染源主要包括生活污水、工業生產污水以及農業生產污水。工業生產污水主要包括當地的磚廠、大型工程等所產生的廢水廢渣;生活污水主要包括當地居民生活垃圾、生活用水以及糞便等;農業生產污水主要包括各種農業化肥的過量施用及不合理丟棄。

4 結論

本文利用實地采樣數據,以地統計學原理為依據,利用半變異函數分析了安陸地區地下水水質指標中主要污染因子的空間變異特征,并采用內梅羅指數法對地下水水質進行評價,主要結論如下:

(4) 根據地下水質量綜合評價結果,結合地下水空間分布特征,對研究區地下水環境質量進行分區,結果表明安陸地區水質良好—較好區域約占研究區總面積的64%;水質較差區域約占研究區總面積的25%,分布于水系周圍及居民聚居地;水質極差區域約占研究區總面積的11%,表明人類活動對當地地下水質量產生極大的污染影響。