王志强， 廖媛， 顾栩， 蔡鹤生， 马腾
（1．中国地质大学环境学院，湖北武汉430074;
2．生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北武汉430074）
摘要：污灌是污水最终处置的常见方式之一，长期开展污水灌溉将对地下水水质造成影响。以栾城地区为研究实例，首先通过对比污灌区及清灌区各项水质指标的差异，分析污水灌溉对地下水水质的影响效应。在此基础上，运用主成分分析法对地下水污染组分的主要物源进行解析，明确污灌对于地下水污染组分的贡献程度。结果表明：长期污水灌溉会使地下水中ci-及S042-.组分含量显著增加，从而改变地下水化学类型；污水灌溉对地下水TDS、电导率、盐度、硬度等指标，以及Cr、Cd等组分含量都具有显著影响，会造成盐污染及部分重金属污染。主成分分析结果显示，各物源对地下水化学组分的贡献率由大至小排序依次为：污水灌溉、农业生产资料施放、矿物淋溶作用、其他作用。
关键词：污水灌溉；地下水水质；影响效应；栾城污灌区
近年来，快速的人口增长和工业发展使水资源日趋紧张，农业用水来源的问题成为制约农业发展的重要因素。污水灌溉作为解决该问题的有效方法在我国得到了广泛应用。据全国第二次污灌区环境质量状况普查统计，我国污水灌溉的农田面积约为3.6xl06 hm2，占总灌溉面积的7.3%，约占地表水灌溉面积的10%。但近年来生活污水、工业废水排放量骤增，水质逐渐恶化。污灌在解决了污水处置和农业用水来源问题的同时，对环境也形成了巨大威胁，造成了土壤、作物及地下水的严重污染。
近年来，学者针对污水灌溉对土壤及农业作物的污染等方面进行了深入研究，但大多仅以污灌区为研究对象，将污水灌溉作为影响地下水水质的单一考量因素。而实际上，农灌区地下水水质受灌溉方式、农业资料施放等众多因素影响。如何综合考虑上述因素，并准确识别污水灌溉对地下水水质影响的贡献程度，是本文的研究重点。
本文以栾城农灌区为研究实例。在研究区的小空间尺度上，污灌区与清灌区自然地理、水文地质条件相同，农业耕作方式、作物种类相近，灌溉污水输入可以近似视为唯一变量。因此，污灌区与清灌区地下水各项指标的差异，可视为污灌对地下水环境的负效应。本文一方面对污灌区、清灌区各项水质指标的空间分异特征进行分析，讨论污水灌溉对地下水水质的影响效应；另一方面，运用主成分分析法对污灌区地下水污染组分进行物源解析，明确污灌对于地下水污染组分的贡献程度。通过上述工作的开展，明确污灌对地下水环境“是否影响”及“影响程度”等两方面问题，对于农灌区污水灌溉的开展具有一定指导意义。
1研究区概况
栾城县位于河北省西南部，其地理位置见图1。该区为温带大陆性季风气候．四季分明，年平均降水量为493 mm。研究区属太行山东麓山前平原的滹沱河冲积扇，地势西高东低，向东南倾斜，地形坡度约1%。。区内土壤类型主要为潮褐土和石灰性褐土，间或有砂壤质洪冲积潮褐土、粘壤质冲洪积潮褐土分布。区内土壤的有机质和氮素含量中等偏缺，磷素含量相当缺乏，钾素含量比较丰富。研究区内包气带岩性主要为壤土与粉砂土互层，夹薄层砂土，透水性较好，阻污作用并不显著。
研究区属滹沱河冲、洪积扇亚区，为太行山山前平原区水文地质单元的一部分，第四系覆盖从西北向东南逐渐增厚，主要划分为4个含水层组。因近年来地下水位下降，第1含水组基本疏干，第Ⅱ含水组(Q3)是目前主要开采层组。第Ⅱ含水组埋深在60—120 m，含水层为3～7层。单层厚度北部为5~15 m，南部渐薄。颗粒组成从北向南由粗变细。研究区补给来源主要为大气降水、农田灌溉回归水、河渠渗漏和西部山区侧向径流补给，排泄形式主要为人工开采，其次为侧向流出和蒸发。因长期持续超采地下水，区内地下水的开发利用程度较高，地下水动态完全是人为活动干扰下的动态过程，地下水水位表现为典型的开采型动态。由于地下水开采规模的不断扩大，地下水埋深水位埋深由20世纪60年代的0～3 m下降到目前30 m左右，下降速度达0.7 m/a。
栾城污灌始于1956年，污灌面积约为8 470 hm2c9j，污灌定额约为3 150 m3/hm2，引污量约为4 815万t。研究区污灌水引自东明渠一汶河一线，而东明渠一汶河又是石家庄市及邻近县市的主要纳污水体，污水自西北向东南贯穿整个研究区，其类型为城市工业和生活混合污水。
2材料及方法
2.1取样点布设
栾城县污灌区主要包括楼底、冶河、西营的大部分以及城关镇的部分区域，主要分布在东明渠两侧；非污水灌溉区主要包括南高、南石碑等，该区的农田灌溉全部抽取浅层地下水。
为了分析不同灌溉区的地下水水质差异，将研究区内的取样点主要分为3类：灌溉污水取样点、清灌区地下水取样点和污灌区地下水取样点。各类取样点布设数量、位置如图2及图3所示。本文于2012年8月对研究区内21个地下水取样点进行了取样测试工作，其中污灌点11个，清灌点10个。按照灌区类型采集了污灌区楼底、冶河、西营等地地下水样品和清灌区南高等地地下水样品。污水取样断面主要布设在污灌区上游东明渠段一中游汶河南赵桥段一下游洨河石板桥，取样断面处河流开阔、水流平稳处，且周围无垃圾堆或排污口。
由表1可知，东明渠一洨河河段水质超标指标主要为全盐量，上、中、下游河段分别超标1.75倍、1.51倍及1.87倍。氯化物在东明渠及石板桥河段超标1.03倍。Cd及氟化物在东明渠河段有超标现象，中游南赵桥断面Cd超标1.02倍，上游东明渠河段氟化物超标1.02倍。其他指标总体在标准限值以下，污染程度较低。
为了总体了解灌溉污水水质，对其应用Nemerow指数法进行评价，根据综合指数(PI)值的计算结果，按照表2划分污染级别，从而判断其总体水质污染程度。综合指数PI的计算公式如下：
式中：，为各指标污染指数（单项组分评分值）的平均值；/m。。为污染指数（单项组分评分值）的最大值，PI为综合污染指数，，z为指标项数。其他符号意义同前。
计算结果见表1。由表1可知东明渠一洨河上、中、下游河段的综合指数PI分别为1.32、1.12和1.37，超标等级均为轻微超标。总体水质基本符合农业灌溉要求。
3.2污灌区与清灌区地下水水质空间分异特征
3.2.1水化学类型分异特征
根据地下水样品测试结果，对水化学类型进行分类，绘制Piper三线图（图4）。分析可知，污灌区和清灌区地下水水质主要组分含量的最显著差异在于S 042-和Cl-，污灌区地下水中（S042-+Cl-）含量所占百分比较高，清灌区较低。对该地区水化学类型分类(表2)也证明了上述结论。
由表2可知，研究区内清灌区地下水主要水质类型为HC03-Ca．Mg型水，少数取样点为HCO。．C1．S04-Na．Ca或HC03 - S04．Cl-Ca．Na．Mg型；而污灌区水化学类型主要为HCO。．Cl-Ca(Mg)、HCO。.CI．S04-Ca．Mg或HCO。．S04-Ca．Mg，只有陈村和梅家村为HCO。-Ca - Mg型水。可以看出，相对于清灌区，污灌区的S042-及Cl-占全部常规组分总量的百分比有显著上升，有的甚至成为首要离子。因此，污水灌溉对于地下水水质类型有着显著影响。
据相关资料，栾城县污灌区1980年地下水水化学类型为HC03-Ca．Mg型，而到2005年7月水化学类型为HC03．Cl- Mg．Ca型，2012年则大多为HC03 - Cl - S04-Ca．Mg或HC03 - S04-Ca - Mg，只有2个取样点为HC03-Ca．Mg型水。而清灌区基本保持了太行山山前平原地下水的化学类型，目前大多数仍为HCO。-Ca．Mg，少数取样点为HCO。．Cl．S04-Na - Ca型或HC03．S04．Cl-Ca．Na- Mg。
由此可知，污灌区内地下水水质随污灌时间演化，污水灌溉会显著增加地下水中Cl-及S042-的百分含量，从而改变地下水水质类型。
3.2.2常规指标分异特征
根据采样数据，Eh、pH等物理性指标在清灌区、污灌区的差异并不明显，本文主要对总溶解固体、电导率、硬度等指标进行对比，见图5—7。为便于比较，将某一指标污灌区与清灌区的比值定义为相对污染指数。
污灌区地下水电导率在597—1 875 yS/cm之间，清灌区在460—1 115 Lr,S/cm之间，两者平均值相差383 yS/cm，相对污染指数为1.48；污灌区TDS平均值比清灌区高209.2 mg/L。污灌区地下水硬度普遍高于清灌区，前者平均值是后者的1.61倍。绘制反应地下水中溶质浓度的TDS、电导率、硬度等3项指标浓度分布等值线图如图8—9所示。由图可知，TDS、电导率、硬度等3项指标的高浓度区基本在污灌区一侧，都表现为污灌区浓度高，而向清灌区浓度降低的大体趋势，但因地下水流动等原因，导致高浓度区等值线与污灌区范围并不十分一致，沿西南一东北向地下水流向TDS、电导率较高。通过以上分析，表明了长期污灌将会一定程度上造成TDS、电导率、硬度的增加。
3.2.3无机组分浓度对比
3.2.3.1常规组分
常规组分组分主要是指Na+、Ka+、Mg2+、Ca2+、S 042-、HC03-、NO。一、Cl-等8大常量离子组分。常规组分在地下水化学成分中的作用已为人们所熟知，但因其含量升高而引起的盐污染却往往被忽视，常规组分过高会降低地下水的使用价值。但对其重视程度远不如有机污染、有毒组分的污染等。因此，有必要将常规组分的变化纳入到污水灌溉对地下水水质影响的研究范围。
由图10可知，阴离子方面S 042-、HC03一、N03一、CI-均表现为污灌区大于清灌区，且超出幅度较大：污灌区Cl-平均值为117.99 mg/L，是清灌区的近4倍；污灌区NO。一平均值为43.28 mg/L．是清灌区的2倍；污灌区SO。2—平均值为159.92 mg/L，高于清灌区平均值。HCO。一也体现为污灌区大于清灌区的总体浓度分布趋势。Na+并没有体现出清灌区和污灌区的含量显著差异，而K+则是体现出清灌区平均值稍大于污灌区平均值，差值为-0.60 mg/L。
根据上文中灌溉污水取样测试结果，东明渠一汶河河段中Cl-含量超出了《农田灌溉水质标准》，是东明渠一洨河河段的主要污染物；灌溉污水的输入量高，且大量的S 042-和HCO。一不能被植物充分吸收，而研究区的包气带岩性主要为壤土与粉砂土互层，夹薄层砂土包气带透水性较好，将使各种离子经过地表渗透到地下水中，所以污灌区地下水作为输出端也表现为高浓度，其相应组分的含量远大于清灌区。
N03一浓度整体体现为污灌区>清灌区>灌溉污水。其原因为虽然生活污水中N03-含量较低，但氨氮含量较高，在灌溉污水经过包气带时发生“三氮”转化，转化为硝态氮和亚硝态氮。因此污灌区地下水中硝酸根含量是污水中的几十倍，浓度最高。而该灌区氮肥等农业资料的使用，同样会输入一部分无机氮转化为硝态氮，因此清灌区浓度大于污水浓度，污水中硝酸根浓度最低。
绘制常规组分浓度分布等值线如图11、图12所示。由图可知，S042-、HC03一、N0.3 -、CI-均表现为污灌区高于清灌区，其高浓度等值线范围偏向污灌区一侧。说明污水灌溉是地下水S042-、HC03一、N03一、Cl-含量升高的主要原因。而阳离子方面，Ca2+、Mg2+的高浓度等值线基本分布在污灌区一侧。而Na+高浓度等值线则分布于清灌区一侧。K+的浓度范围与污灌区及清灌区范围基本无一致性，其浓度没有明显的空间分布差异。
Na+和K+并没有体现出清灌区和污灌区的显著差异。其原因在于污水中Na+和K+浓度高，在灌溉过程中Na+和K+交换出包气带土壤介质中的Ca2+和Mg2+，具体体现为Ca2+和Mg2+在地下水中的含量明显高于污水，而Na+和K+显著低于污水，从而使土壤中的可交换阳离子交换量降低。相关研究表明，随污灌时间推移，栾城地区包气带土壤阳离子交换量有减小的趋势，也佐证了本文观点。因此灌溉污水中虽然Na+和K+浓度较高，但因阳离子交换作用吸附于包气带，因此不同灌区Na+和K+实际上并无太大差异。
3.2.3.2重金属组分
重金属在环境中具有不可降解和生物积累的特性，通过食物链的不断积累放大，进而危害人体健康。污灌区作为一个复杂的污染环境系统，重金属污染就是其中的表征之一。重金属作为直接性毒害指标，明确污水灌溉对其含量贡献的大小，对于污水灌溉技术的进一步科学指导和污灌区地下水资源开发利用具有重要意义。
由图13、图14可以看出，Cr和Cd体现出了较为显著的清灌区、污灌区差异性，污灌区Cr的浓度达到了22.63 ug/L，是清灌区的近3倍。而污灌区Cd的平均值是清灌区的1.5倍。两者都是工业废水中典型的污染物，即使污灌区地下水Cr和Cd的浓度和污水中的浓度还有一定差距，也符合地下水环境质量标准中的限值，但污灌区显著高于清灌区的浓度分布现象，表明了污水灌溉中的重金属组分已经进入了地下水，造成了地下水的污染。
由图15可知在区域内Cr和Cd呈现较为明显的污灌区大于清灌区的浓度分布特征，研究区内污灌区、清灌区As和Pb的浓度差异并不明显。Pb在污灌区、清灌区浓度差值仅为1.11 yg/L，说明其在整个区域内分布较为均匀，原因在于其物源不仅为污水，农药等农业生产资料也有一定贡献，污染源较为复杂。
3.3 污灌区地下水污染组分物源解析
污灌区区内地下水的污染物来源有多种，在实际条件下，影响地下水水质的因素多种多样。例如农业生产资料的施用、耕作方式等原因也会对地下水水质造成影响。
通过清灌区和污灌区地下水水质的时空分异特征对比，可以确定污水灌溉对地下水水质会造成影响，但尚不能够揭示污水灌溉和农业生产资料施放等其他影响因素那种因素对地下水水质影响效果最显著。如果能够明确各类污染源对地下水污染组分的贡献程度，从而对重点污染源予以优先控制，将有利于污灌区地下水的污染防治，对污水灌溉的科学有效开展具有一定指导意义。
因此，本文结合污灌区地下水水质取样测试数据，利用SPSS统计分析软件对各水样进行主成分分析。选择N03一、Cl-、S 042-、HC03一、K+、Mg2+、Na+、Ca2+、As、Cr、Pb、Sr、Cd为统计变量。采用Vax-imax最大正交旋转法，使具有较大因子负载的变量个数减到最低限度。旋转后各因子的载荷及特征值、贡献率见表3。
利用主成分分析法提取4个公因子，从表3可以看出，4个公因子累积贡献率达到88.207%，提取4个公因子可以代表13个变量所提供的综合信息。
由表4可知，第一因子的贡献率为38.842Vo，与Cl-、Mg2+、S042-、Mg2+、Na+相关性较大。高浓度硫酸盐废水大量存在于矿山、冶金、食品及医药等行业中，氯化物为东明渠一洨河段主要超标组分之一。同时，在东明渠一汶河河段污水中Na+含量较高(均值178.68mg/L)，远高于污灌区地下水和清灌区地下水。因此第一因子可以近似代表污水灌溉对地下水污染组分的贡献。但第一因子与Mg2+的相关性也达到了0.836，而Mg2+在污水中含量并不高。其原因有待进一步研究。
第二因子的贡献率为24.278%，与N03一、HC03一、K+相关性较大，分别达到了0.655、0.758、0.660，该因子可能与农业生产资料的施放有关。我国农业化肥的种类主要有氮肥、磷肥、钾肥、复合肥及微量元素肥。化肥中的氮肥一部分被植物吸收，一部分随水淋失进入包气带在有氧条件下发生“三氮”转化作用，生成易随水迁移的N03一进入地下水。K+迁移规律相同。施用的有机肥在包气带土壤中为微生物分解后生成大量C02，促进了包气带矿物中的CaC03溶解，生成随水迁移的HC03，进入地下水，所以HCO。一表现出较强的相关性。而有机砷农药中砷的含量较高，其极有可能进入包气带随水淋失进入地下水。因此可以将第二因子视为农药化肥等农业生产资料施放对地下水污染组分的贡献。‘
而HCO。一与第二因子的相关系数大于其与第一因子的相关系数，说明因灌溉污水所贡献的HC03一少于农业生产资料的投放。
第三因子的贡献率为17.253%，第三因子与各组分的相关性并不显著，但与Sr呈现出相对较高水平的相关性，且与人为作用成因组分Pb、Cr等呈现非常显著的负相关关系。而Sr -般为自然成因，主要为地壳源。因此根据以上两点可以初步推测第三因子代表因淋溶造成的矿物溶解作用。
第四因子的贡献率为7.834%，与As、Cd的相关性较大，与4种重金属组分均呈现正相关关系。因此初步推测该因子代表来源于污灌区工厂企业的工业排放。
由以上分析可知，栾城污灌区地下水水质受多种因素影响，污染组分的物源多样。根据贡献率依次为污水灌溉、农业生产资料施放、淋溶溶解作用、工业排放。
4结论
本文以河北省石家庄市栾城县污灌区为研究实例，明确了研究区地下水水质空间分异特征，尝试分析了污水灌溉对于地下水水质的影响。
4.1灌溉污水水质评价
东明渠一汶河河段水质超标指标主要为全盐量和氯化物。以《农业灌溉水质标准》中的标准限值应用内梅罗指数法对该河段污染水平进行评价，结果表明该河段上、中、下游污染程度都为轻微等级。
4.2清灌区污灌区水质对比及空间分异特征
(1)水化学特征对比。通过绘制Piper三线图及水化学类型分类可知，污灌区地下水化学类型由HC03-Ca -Mg型向HC03．Cl-S04-Ca' Mg或HC03' S04-Ca- Mg转变，而清灌区地下水化学类型基本保持不变。表明污水灌溉会显著提高地下水中Cl-,及S042-组分的含量，从而影响地下水水质类型。
(2)物理性指标对比。污灌区地下水电导率、总溶解固体、硬度普遍大于清灌区，而污灌区盐度更是达到清灌区的近两倍。电阻率变化情况与上述三者相反。TDS、电导率、盐度3项指标浓度分布等值线基本与污灌区范围相一致。
(3)无机组分浓度对比。S042-、HC03-、N03-、Cl~J表现为污灌区大于清灌区，且超出幅度较大：污灌区cr平均值是清灌区的近4倍；污灌区NO。一平均值是清灌区的2倍。HC03_组分也体现为污灌区大于清灌区的总体浓度分布趋势。而Na+和K+并没有体现类似Ca2圾Mg2的清灌区和污灌区的含量显著差异。重金属污染物方面，Cr和Cd体现出了较为显著的清灌区、污灌区差异性。因此，污灌区内，污水灌溉对地下水的影响主要为Cl-、S 042-、HC03-、NO。一、硬度、TDS等盐污染，以及Cr和Cd等部分重金属超标。
4.3地下水污染组分的物源解析
根据主成分分析结果，通过各污染源的特征组分与公因子的相关性推测可知，各污染源对地下水污染组分的贡献率由大至小排序依次为：污水灌溉、农业生产资料施放、矿物淋溶作用、工业排放。
