多多马地区地下水的化学特性与污染评估：指数与多元统计方法的应用意义

《Journal of African Earth Sciences》：Hydrochemistry and pollution assessment of groundwater in the Dodoma: Implications of indices and multivariate statistics

地下水质量评估与污染分析在半干旱 Dodoma 地区，基于35个样本的实验室数据和水质量指数（WQI）及多元统计方法，发现地下水呈碱性（pH 5.8–8.2），TDS和EC较高，主要离子组成为Na?>Ca2?>Mg2?>K?和Cl?>SO?2?>HCO??>NO??，74.3%样本轻微污染，17.1%低污染，8.6%中度污染，61.2%不适宜饮用，但97.1%适合耐盐作物灌溉。研究揭示了地质（岩-水相互作用）与人为（污染）共同作用机制，强调持续监测和污染治理必要性。

　　

作者：Uwezo Frank Mao、Benatus Norbert Mvile、Mahamuda Abu、Emmanuel Sulungu

坦桑尼亚多博马大学自然科学与数学科学学院物理系，邮政信箱259，多博马

摘要

在多博马等干旱和半干旱地区，地表水稀缺，地下水是主要的淡水来源。本研究利用水质指数和多元统计方法评估了该地区地下水的化学成分和污染状况。从不同地质和土地利用类型的钻孔中采集了35个地下水样本。实验室分析显示，地下水总体呈碱性（pH值在5.8–8.2之间），总溶解固体（TDS）含量介于135 mg/L至1780 mg/L之间，电导率（EC）在210 μS/cm至2740 μS/cm之间。主要阳离子和阴离子的顺序分别为Na⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺，阴离子的顺序为Cl^? > SO₄^2? > HCO₃^? > NO₃^?。Piper图和碱交换图将地下水主要分为Cl(SO₄)–Na型和Na⁺–SO₄^2-型，表明矿化作用主要由岩石-水相互作用和蒸发作用主导。地下水污染指数（PIG）显示74.3%的样本污染程度较低，17.1%的样本污染程度较低，8.6%的样本污染程度中等；而污染百分比指数（PPI）表明污染主要来源于人为因素。水质指数（WQI）值介于42至255之间，表明61.2%的样本不适合饮用。根据渗透率和盐度危害分类，97.1%的样本适合用于耐盐作物灌溉。总体而言，多博马的地下水矿化作用受地质和人为因素共同影响，因此需要定期监测并减少人为污染。

引言

干旱和半干旱地区的水资源短缺问题日益严重（Basheer和Alezabawy，2020年）。在这些地区，地表水资源很少或根本没有，因此地下水成为当地居民的主要用水来源（Wang等人，2023年）。对于许多家庭和经济用途（包括饮用、建筑、制造和农业），地下水变得越来越重要，因为其天然过滤过程通常比地表水所需处理更少（Basavarajappa和Manjunatha，2015年；Abu等人，2023年）。然而，监测和处理潜在污染物对于确保地下水的安全使用仍然至关重要（Gamal等人，2023年；Reghais等人，2025年）。 人为因素和地质因素都会显著影响这些地区的地下水质量。采矿、农业、城市化和工业活动等人为活动，以及岩石风化等自然过程，都会导致地下水质量下降（Ed-Idoko等人，2024年）。常见的污染源包括不当的废物处理、化学物质的无控制使用以及生产过程中的废物管理不善（Banyikwa，2023年）。同时，来自宿主岩石的矿物溶解等地质过程也会影响水的成分（Rubio-Arellano等人，2024年）。 在非洲，特别是在撒哈拉以南地区，由于降雨不稳定且河流和湖泊等地表水资源的储水能力有限，人们对地下水的依赖程度正在增加（de Bont和B?rjeson，2024年；El Kenawy，2024年）。高蒸发率进一步减少了地表水和浅层地下水的可用性，使得深层地下水成为人类和农业用水越来越重要的资源（Godfray和Tembo，2024年；Villholth，2023年）。 坦桑尼亚位于东非，人口快速增长，经济也在扩张，这导致对水资源的需求不断增加。该国的中部地区，尤其是多博马、辛吉达和塔博拉，由于半干旱的气候条件，面临严重的水资源短缺（Godfray和Tembo，2024年；Kabote等人，2024年）。这些地区降雨量少且不规律，蒸发率高，使得地下水成为最可靠的水源。因此，可持续的地下水管理不仅需要开发新的水源，还需要持续监测和评估地下水质量，以确保其适用于家庭、农业和工业用途（Venkatesh等人，2024年）。 关于多博马地区地下水是否适合人类饮用和农业生产，目前还缺乏全面的评估（Nkotagu，1996年）。现有的研究主要集中在特定污染物（如氟化物和硝酸盐离子）上，而对影响整体水质的其他关键物理化学参数关注不足（Banyikwa，2023年）。这种缺乏全面评估的情况在了解该地区地下水的化学成分和污染状况方面存在重要的研究空白。为填补这一空白，本研究采用了综合水质指数和多元统计方法。这些方法已被广泛认为是评估地下水质量和确定其适用性的有效工具（Abu等人，2023年；Azzeddine等人，2024年；Subba Rao，2012年；Uddin等人，2023年）。因此，本研究旨在：（i）评估多博马地区地下水的矿化程度；（ii）评估其污染水平；（iii）考察其灌溉适用性；（iv）确定其是否适合家庭使用。

研究区域和地质背景

多博马地区（图1）位于坦桑尼亚中部，南邻伊林加，东接莫罗戈罗，西邻辛吉达，北邻马尼亚拉（Ally等人，2024年）。该地区面积约为41,311平方公里，包括七个行政区：孔多阿、切姆巴、查姆维诺、孔瓦、多博马城区、巴希和姆普瓦普瓦（Banyikwa，2023年）。该地区的地理坐标约为南纬6°09′40.26″，东经35°44′43.53″。多博马是坦桑尼亚增长最快的地区之一。

结果

本研究通过整合化学、地质和水文数据来评估地下水质量，因此结果分为物理化学、地质和水文三类。

化学成分

本研究采用了三线性Piper图（图3a）来确定不同类型的地下水。从阳离子三角形来看，（I）代表Mg²⁺型，（II）代表Ca²⁺型，（III）代表Na⁺型，（IV）表示没有主导类型。从阴离子三角形来看，（I）代表SO₄^2?型，（II）代表HCO₃^?型，（III）代表Cl^?型，（IV）表示没有主导类型。从菱形图中可以看出，（A）代表Cl(SO₄)-Na(Mg)型，（B）代表...

结论

通过对坦桑尼亚多博马地区地下水进行化学分析和多元统计分析，得出以下结论： - 采样孔中的离子浓度顺序为：Cl^? > SO₄^2? > HCO₃^? > NO₃^?，Na⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺。 - 该地区的地下水呈碱性。 - 在姆普瓦普瓦、孔瓦、巴希和查姆维诺等地区，电导率（EC）和总溶解固体（TDS）含量较高。

作者贡献声明

Uwezo Frank Mao：撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据整理、概念构建。 Benatus Norbert Mvile：撰写初稿、验证、监督、调查。 Mahamuda Abu：撰写、审稿与编辑、软件应用、方法论设计。 Emmanuel Sulungu：数据可视化、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢坦桑尼亚地质调查局（GST）对地下水样本的实验室分析工作。