埃塞俄比亚西南部Wogaye流域的地下水适宜性分析：采用水文地球化学建模、多元统计分析及水质指数方法

《Journal of African Earth Sciences》：Groundwater Suitability Analysis in the Wogaye Catchment, Southwestern Ethiopia: Using Hydrogeochemical Modeling, Multivariate Statistical Analysis, and Water Quality Indices Approaches

埃塞俄比亚Wogaye集水区24份地下水样本分析显示，水化学类型分为Ca-HCO3、Ca-Na-HCO3和Na-HCO3三类，主要受硅酸盐风化、碳酸盐矿物溶解及离子交换影响。HCA聚类分析表明样品分为1-3类，空间分布与成分相似性相关。PCA显示EC、F?、TDS等参数对水质主导作用，WQI评估显示96%样本饮用质量优异。农业适用性指标显示多数样本适合灌溉。研究强调可持续管理和长期监测的重要性。

　　

Arefegn Arota | Yunde Liu | Muralitharani Jothimani

中国地质大学环境学院，武汉，430074

摘要

本研究调查了埃塞俄比亚西南部Wogaye流域地下水的地球化学特征及其作为饮用水和农业用水的适宜性。共收集了24个地下水样本，并对其关键物理化学参数进行了评估，包括主要和次要离子。根据地球化学特征，将这些地下水分为三种类型：Ca-HCO₃^-、混合型Ca-Na-HCO₃^-和Na-HCO₃^-。硅酸盐风化、碳酸盐矿物溶解和离子交换被认为是影响地下水化学变化的主要机制。层次聚类分析（HCA）在Q模式下将样本分为3组，在R模式下分为2组，反映了空间和成分上的相似性。年轻补给区的水大多被归入第1组，而裂谷底部高矿化的地下水则被归入第2组和第3组，表明存在显著的地质作用。主成分分析（PCA）显示EC、F^-、TDS、K⁺、HCO₃^-、Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-和Fe²⁺具有较高的正载荷，表明它们在地下水化学中起主导作用。水质指数（WQI）评估表明，96%的样本适合饮用，其余4%被归类为“良好”。灌溉适宜性通过以下指标进行评估：“盐度危害（SH）、钠百分比（%Na）、钠吸附比（SAR）、残留碳酸钠（RSC）、渗透率指数（PI）、镁危害比（MHR）和Kelly比率（KR）”。结果表明，大多数地下水样本适合农业用途。这项全面的评估强调了可持续管理和持续监测地下水资源的重要性，以确保饮用水安全并提高区域农业生产力。

引言

随着城市人口和农业活动的增加，全球干旱和半干旱地区的地下水供应面临着压力（Ahmad等人，2021年）。在埃塞俄比亚等发展中国家，地下水是饮用水、居民用水和农业用水的重要来源。该国90%以上的饮用水来自地下水（Gaye & Tindimugaya，2019年；Jude，2020年）。由于城市化和人口增长，地下水抽取量正在增加。此外，农业生产活动日益 intensify，进一步加剧了这一压力（Akale等人，2018年；Sinha等人，2023年）。跨学科的研究为了解地下水的特征、地球化学过程、人类活动的影响及其在不同应用中的适宜性提供了宝贵的见解。在埃塞俄比亚南部进行的地下水适宜性分析评估了地球化学参数和水质指标，以确定地下水是否适合灌溉和饮用（Teklearegay等人，2025年）。

由于地下水通过地下路径流动，化学成分浓度的增加是最常见的后果之一（Asfaw & Mengistu，2020年；Bawoke & Anteneh，2020年）。影响地下水成分的因素多种多样，包括地质条件、人类活动、各种岩石的化学风化、补给水的质量以及与水-岩相互作用无关的来源（Ahada，2019年；Almaliki等人，2022年；Ayenew等人，2008年；Kebede等人，2017年）。根据Haji等人（2021年）的研究，人类活动对多个地区的水质产生了负面影响，导致水质被归类为“差”或“不适宜”。

有多种方法可以帮助表征地下水化学性质并确定其质量。据广泛认为，水化学、多变量统计和水质指数（WQI）是有效的工具。根据Babanezhad等人（2018年；Patel等人，2023年；Soujanya Kamble等人，2020年；Tirumalesh等人，2010年；Zhu & Schwartz，2011年）的研究，水化学有助于确定地下水的来源、主要成分和关键过程。最近，“多变量统计方法如主成分分析（PCA）、层次聚类分析（HCA）和多元相关分析（MCA）被用于理解水质的空间变化并识别潜在的水质影响因素。决策者可以通过水质指数轻松理解结合多个水质参数的单一数值。Barkat等人（2022年；Bawoke & Anteneh，2020年；Demelash等人，2023年；Tesema等人，2023年）提出的水质指数是一种成熟且有用的技术。此外，地球化学建模以及源岩推断对于了解该地区显著改变地下水化学成分的过程至关重要（Kebede等人，2017年；Mengistu等人，2019年）。

早期研究中从Upper Omo流域收集的大多数地下水样本符合世界卫生组织（WHO）制定的消费标准。水质被分为优秀、良好或差，且样本符合灌溉要求，只有少数样本超出规定阈值（APHA，2017年）。然而，在Andasa流域，地下水普遍被认为质量优良，从“良好”到“优秀”不等。同样，Bilate河流域的研究强调了氟化物暴露对健康的危害，特别是对儿童的影响，因为发现大量地下水样本中的氟化物含量超过了允许的饮用标准（WHO，2011年）。

研究区域Wogaye流域位于埃塞俄比亚西南部的Dawuro区，该地区依赖地下水满足多种用途，尤其是人类饮用。选择这个研究区域主要是因为当地社区严重依赖井水和泉水作为家庭和农业用水。尽管如此，对地下水地球化学特性和整体适宜性的全面评估仍然不足，因此有必要对其质量和可持续性进行评估。许多研究（如Abiye & Kebede，2011年；Demelash等人，2023年；Kebede等人，2017年）一致发现，地下水是该地区大部分人口的主要饮用水来源。其中一个原因是地表水来源（如溪流）由于季节性变化难以获取，且容易受到粪便污染（Rajmohan & Elango，2004年；Singh等人，2008年）。由于位置偏远，钻孔为该地区的城市地区提供了有限的处理过的地下水供应。

相比之下，研究区域的农村地区主要依赖未经处理的地下水，这些水源来自天然泉水、手挖井和浅井。人们对这种水源可能带来的健康风险缺乏认识（Rajmohan等人，2009年）。这种情况不仅使得水资源规划和管理更加困难，还增加了我们对导致水质随时间变化的基本地球化学过程的理解难度。鉴于此，本研究通过进行全面的地下水地球化学评估、识别地球化学特征并使用多种水质指标来确定地下水用于农业和饮用的适宜性，以填补这一知识空白。

研究区域

研究区域

Wogaye流域位于埃塞俄比亚西南部，属于Wogaye河流域，该地区具有半干旱气候，降雨具有季节性。该流域是重要的地下水来源，属于Omo-Gibe盆地的一部分。如图1所示，其总面积为596.42平方公里。该流域的平均最低温度为12.3°C，平均最高温度为34.6°C。

原位参数

对研究地点收集的所有地下水样本进行的统计分析结果见表2，而从该流域收集的单个样本详见表3。数据显示，该地区的pH值范围为6.34至8.14，平均值为7.08（表2）。电导率（EC）的范围为21至698 μS/cm（平均值为229.37 μS/cm）。

地下水化学

地球化学研究表明，研究区域内地下水的主要离子浓度存在显著变化。根据pH值，该流域的地下水被归类为微酸性至微碱性。电导率（TDS）和电导率（EC）的值从补给区向排放区逐渐增加，在研究区域的中心和北部达到最高水平。

结论

本研究评估了埃塞俄比亚西南部Wogaye下游流域地下水的地球化学性质及其作为饮用水和灌溉用水的适宜性。分析了24个地下水样本的主要和次要离子以及原位参数，以研究地球化学过程和水质的适宜性。在Wogaye流域的研究区域内，地下水主要为淡水，呈微酸性至微碱性。

作者贡献声明

Arefegn Arota：撰写——初稿、验证、软件使用、方法论、数据整理、概念构思。 Yunde Liu：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、概念构思。 Muralitharani Jothimani：撰写——审阅与编辑、数据整理

未引用的参考文献

Ahada and Suthar, 2019.

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突

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。

资金支持

本研究未获得特定资金支持。

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

作者衷心感谢中国地质大学（武汉）和中国 Scholarship Council（2024GSP004439）的支持。同时，作者还要感谢Arba Minch大学供水与环境工程学院的水质实验室在样品检测方面提供的宝贵合作。