湖北省安陆地区地下水水质空间变异特征及评价

王艺霖,高 杰*,郭 静,蔡爱民,李亚云,李 寅,丁旭峰,杨虎成,陈梦源

(1.资源与生态环境地质湖北省重点实验室,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

近年来,随着人口增长和城市建设进程加快,水环境状况受到影响,地下水体受到大面积污染,水质恶化情况日趋加剧。安陆地区地处大别山连片贫困区,为配合湖北省地方安全供水及精准扶贫、大别山贫水区用水安全模式研究,对该区域进行地下水水质评价具有一定的现实意义。

水质分析问题包含了大量的空间数据统计和分析,利用地统计学(geostatistics)方法可对隐含信息进行深入有效地挖掘[1-2]。地统计学是20世纪60年代由法国统计学家G.Matheron创立的一门以区域化变量理论为基础,以变异函数为主要工具,研究在空间分布上既有随机性又有结构性,或空间相关和依赖性的自然现象的统计学分支[3],它依赖于统计学方法,但又不同于经典统计学,研究内容包括样本的数字特征和区域化变量的空间分布特征。在传统的地质、采矿领域以及土壤、生态、环境、气象、农业、临床医学、遥感、社会科学等其他空间相关领域均取得了一定的成果[3]。当前,越来越多的国内外学者利用空间变异特征研究水化学问题。Sahay et al.[4]利用ArcGIS软件中的统计分析工具研究美国爱达荷州西蛇河平原浅层地下水含水层中硝酸盐和污染物的时空数据;Asadi et al.[5]利用GIS技术对印度海得拉巴市地下水质进行评价,将土地利用类型与各水质参数空间分布图相结合分析合适饮用水的区域;Cay et al.[6]通过ArcGIS软件,利用地统计学方法研究了土耳其科尼亚市91口地下水监测井的地下水时空变化特征;李小玉等[7]通过将地统计学与地理信息系统结合,分析了地下水矿化度与土地利用变化的关系;闫金凤等[8]运用GIS的地统计学分析方法对新疆三工河流域绿洲的77个地下水水质监测数据进行半变异函数模型分析,揭示了区内地下水水质空间变异性特征;高蒙[9]采用变异函数模型对河南省浅层地下水水质的主要成分进行研究分析。此外,内梅罗指数法也在水质评价中被广泛应用,该方法通过计算各个评价因子的权重,充分考虑各个污染因子对水质的影响,可真实评价水体水质[10-11]。

目前,学术界针对湖北省地下水水质成分空间变异性研究相对较少。本文综合利用空间变异分析方法和地下水水质评价方法,揭示安陆地区地下水关键污染因子的空间变异特征,为后续有针对性地修复该地区地下水水环境提供重要科学依据,为大别山地区生态环境保护、保障地区水资源安全、支撑经济发展与生态保护提供基础地学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于湖北省东北部孝感市,所涉行政区主要为安陆市及云梦县北侧部分区域,地理坐标:东经113°30′～113°45′,北纬31°10′～31°20′。区内属于北亚热带季风气候区,气候特征为春秋短、冬夏长,四季分明,夏季炎热多雨。近30年年平均降水量为1 081 mm,年平均气温为16.0℃。研究区地处江汉平原北缘、鄂北丘陵山区(大洪山)南缘,整体地势北高南低,自北向南逐渐倾斜。区内河流纵横交错,水系发育,分属涢水、环水、大富水三大水系。受河流及白垩纪断陷盆地及其他隐伏构造影响,研究区地貌类型可划分为河流堆积地貌、剥蚀堆积垅岗地貌、构造侵蚀剥蚀地貌。区内主要地层由新至老为第四系、白垩系、寒武系、震旦系、青白口系,还包含两套岩浆岩地质体,分别是白垩系喷出相玄武岩及新元古界辉绿岩。

1.2 水文地质条件

根据地下水含水介质类型,区内可划分为5个含水岩组:①第四系松散岩类孔隙水含水岩组。该岩组主要由全新统和上更新统砂—砂(卵)砾石层组成,分布于府河、漳河河漫滩及滚子河两岸阶地;②碎屑岩类裂隙水含水岩组。该岩组主要由公安寨组砂—粉砂岩组成,分布于府河以西高岗地貌;③玄武岩孔洞裂隙含水岩组。该岩组主要由玄武岩组成,广泛分布于中部府河两岸;④变质岩风化裂隙水含水岩组。该岩组主要由板岩、片岩、变辉绿岩组成,分布于西北及东北角;⑤碳酸盐岩岩溶裂隙水含水岩组。该岩组主要赋存于灯影组灰岩、白云质灰岩中,分布于西北白兆山景区一带。

研究区总体地势较为平坦,地形起伏不大,地下水径流缓慢,总的径流方向是由西北流向东南。区内地下水补给主要有大气降水入渗、农田灌溉、洪水期河水沿途入渗补给和相邻含水层的侧向补给。地下水排泄方式主要有蒸发排泄、枯水期向河流排泄、人工开采及相邻含水层的侧向排泄。

2 数据采集与研究方法

2.1 样品采集与处理

为查明研究区地下水水质,对区内进行了系统的地下水采样调查,共采集89组地下水样(图1),采样点均匀分布于研究区。

图1 地下水取样点分布图

根据本次取样分析项目,地下水水质评价因子为总硬度、pH、耗氧量、总溶解固体、Fe、Mn、As、Al、Cd、Pb、Hg、Cr(VI)、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、氟化物、硫酸盐以及氯化物等指标(表1)。其中,三氮(氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐)可作为评价地下水是否被有机物污染的间接指标。

表1 地下水质量分类指标表

2.2 研究方法

2.2.1空间变异分析方法

地下水水质参数的含量和分布既有空间结构性,又有随机性,满足区域化变量的特征[12-13]。本文以研究区地下水水质参数为研究对象,基于地统计学基本原理,利用半变异函数[14-15],研究安陆地区地下水水质参数的空间变异特征。

半变异函数又称为半变差函数、半变异矩。设Z(x)为区域化随机变量时,Z(x)的半变异函数定义为随机变量Z(xi)与Z(xi+h)空间距离为h的两变量方差的1/2,记为γ(x,x+h),在(准)二阶平稳假设的前提下,半变异函数亦可改写为γ(h),其公式如下:

(1)

式中:N(h)为以h为间距的样本数;h为抽样间距。

以γ(h)为y轴,h为x轴,可绘制半变异函数图。根据实测数据绘制的半变异函数图,利用常用的理论模型进行拟合,从而对空间参数的空间分布进行结构性分析和变异性分析。常用的理论模型有球状模型、指数模型、线性模型和高斯模型等。

2.2.2地下水水质评价方法

本文依据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017),运用内梅罗指数法进行水质综合评价[16-24],即根据地下水质量分类指标对各单项进行分类评分,以此为基础值对地下水质量进行分级。

首先根据各单项组分测量结果,划分组分所属类别(表1),确定各单项组分评价分值(表2),然后按照公式(2)和(3)计算综合评价分值,再根据综合评价分值对地下水质量级别进行分级(表3),可分为优良(Ⅰ)、良好(Ⅱ)、较好(Ⅲ)、较差(Ⅳ)、极差(Ⅴ)5级。相关计算公式为:

表2 地下水质量单项组分评价分值表

表3 地下水质量综合评定分级表

(2)

(3)

3 结果与分析

3.1 水质参数描述性统计分析

表4 安陆地区地下水水质描述性统计表

3.2 水质参数空间变异性分析

图2 化学成分指标检测值的频率直方图

表5 理论变差函数模型拟合值

图3 化学成分指标检测值实验半变异函数及理论模型拟合图

γ(h)

(4)

(5)

3.3 地下水水质参数评价及分析

图4 地下水质量分区图

根据内梅罗指数法,计算区内89组地下水采样点水质的综合指数,结果见表6。由表6可知,在采样点中,Ⅱ类水有4个,占全部采样点水质的4.5%;Ⅲ类水有53个,占比59.6%;Ⅳ类水有22个,占比24.7%;Ⅴ类水有10个,占比11.2%。

表6 内梅罗指数法地下水水质评价结果

根据地下水质量综合评价结果,结合地下水空间分布特征,对研究区地下水环境质量进行分区,利用ArcGIS软件进行可视化,分区结果如图4所示。安陆地区水质良好(Ⅱ)区域占比较小,呈零散分布,主要位于安陆地区东北角及南部,约占研究区总面积的4%,人类活动影响较小;水质较好(Ⅲ)区域占比最多,占研究区总面积的60%,分布在良好区域周围,是良好与较差区域的过渡带;而水质较差(Ⅳ)区域多分布于水系周围及居民聚居地(市区附近),约占研究区总面积的25%;水质极差(Ⅴ)区域约占研究区总面积的11%,该区域多种污染并存,地下水污染较重,受人类活动影响较大,可见人类活动对当地地下水质量产生极大的污染影响。

研究区地下水一般污染源主要包括生活污水、工业生产污水以及农业生产污水。工业生产污水主要包括当地的砖厂、大型工程等所产生的废水废渣;生活污水主要包括当地居民生活垃圾、生活用水以及粪便等;农业生产污水主要包括各种农业化肥的过量施用及不合理丢弃。

4 结论

本文利用实地采样数据,以地统计学原理为依据,利用半变异函数分析了安陆地区地下水水质指标中主要污染因子的空间变异特征,并采用内梅罗指数法对地下水水质进行评价,主要结论如下:

(4) 根据地下水质量综合评价结果,结合地下水空间分布特征,对研究区地下水环境质量进行分区,结果表明安陆地区水质良好—较好区域约占研究区总面积的64%;水质较差区域约占研究区总面积的25%,分布于水系周围及居民聚居地;水质极差区域约占研究区总面积的11%,表明人类活动对当地地下水质量产生极大的污染影响。