關(guān)中盆地潛水環(huán)境背景值研究

霍晨琛 錢會 吳昊

摘要：依據(jù)關(guān)中盆地內(nèi)487組水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，在深入分析關(guān)中盆地地下水流場、補給徑流排泄條件和地下水環(huán)境狀況的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)進行了較為詳細的地下水環(huán)境單元劃分，運用迭代標準差法和計算分布函數(shù)法，求取了關(guān)中盆地潛水主要常量組分K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS的環(huán)境背景值，分析了各組分背景值的空間分布規(guī)律及形成因素。結(jié)果表明：地下水補、徑、排條件和水文地球化學(xué)作用對區(qū)內(nèi)主要常量組分背景值的空間分布起主要控制作用，其中區(qū)內(nèi)陰離子以HCO3-為主，陽離子渭河北岸以K++Na+為主，渭河南岸以Ca2+為主；在渭河以北地區(qū)水文地球化學(xué)作用主要以礦化和蒸發(fā)濃縮作用為主，渭河以南地區(qū)以溶濾作用為主。其結(jié)果為關(guān)中盆地地下水污染評價、水資源開發(fā)與保護等提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境背景值；地下水；迭代標準差；計算分布函數(shù)；關(guān)中盆地

中圖分類號：P641；X523 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0099-08

Abstract：Relatively detailed environmental units of shallow groundwater were divided in the Guanzhong Basin on the basis of the intensive study of groundwater flow field，recharge and discharge conditions and groundwater environment.Natural background levels of K++Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，HCO3-，TDS of different units were calculated by using the iterative 2-σ technique，the calculated distribution function，and the spatial distribution regularity of background levels for major components as well as its controlling factors were discussed on the basis of 487 groundwater samples collected from the Guanzhong Basin.The results indicated that the spatial distribution of the major components was mainly controlled by groundwater recharge，runoff，discharge and hydrogeochemical process，in which the anion in the area was mainly HCO3-，the cation in the north shore of Weihe was mainly K++Na+ while in the south shore of Weihe was mainly Ca2+；moreover，the hydrogeochemical process in the northern area of Weihe was mainly mineralization and evaporation，and in the southern area of Weihe was mainly lixiviation.The results obtained provide scientific reference for the evaluation of groundwater contamination and the future development and protection of water resources.

Key words：

background levels；groundwater；iterative 2-σ technique；calculated distribution function；Guanzhong Basin

近年來，隨著我國人口的不斷增長和經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種環(huán)境問題日趨嚴重，其中地下水污染問題也在日益加劇[1]。在部分城市和廣大農(nóng)村地區(qū)，地下水往往是唯一的供水水源。然而，目前地下水污染已成為制約許多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[2]。對此，眾多研究者在地下水污染源分析、污染程度確定、污染時空變化規(guī)律等方面開展了大量的研究工作[3-4]。在這些研究中，地下水環(huán)境背景值的確定具有重要作用，它是進行地下水污染程度評價及污染治理效果評價的基礎(chǔ)。地下水環(huán)境背景值是指未受到污染或基本未受到污染的情況下，地下水的化學(xué)組分和含量[5]。由于地下水化學(xué)成分的形成受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及地形地貌等多種自然因素及人類活動的影響，因此地下水環(huán)境背景值具有時間和空間的概念[6]。地下水中各組分的背景值受到水巖相互作用，地下水補、徑、排條件及各種生物化學(xué)進程的影響，會表現(xiàn)出局部差異的特點。因此，環(huán)境背景值應(yīng)為一個范圍值，而不是一個固定的數(shù)值[7]。

地下水是關(guān)中盆地生活飲用水的重要來源[8]。近年來，多位學(xué)者對關(guān)中盆地地下水水化學(xué)組分、水化學(xué)場演化及水化學(xué)特征做過相關(guān)研究[9-11]，但研究內(nèi)容均未涉及地下水環(huán)境背景值。因此，本文以關(guān)中盆地1997年-1999年地下水質(zhì)分析資料為依據(jù)，運用迭代標準差法、計算分布函數(shù)法，確定該區(qū)潛水主要離子環(huán)境背景值及其空間分布規(guī)律，并分析其形成因素。

1 研究區(qū)概況

關(guān)中盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關(guān)，南依秦嶺，北抵北山，是一個三面環(huán)山，東面敞開的新生代斷陷盆地。盆地屬暖溫帶半濕潤半干旱氣候帶，年均氣溫12 ℃～14 ℃，年均降雨量500～750 mm，蒸發(fā)量1 000～1 200 mm。盆地內(nèi)主河流渭河自西向東橫貫盆地中部，南岸支流密集短小，北岸支流少而長。地勢總體西高東低，向東微傾[11]。自山區(qū)向盆地中心呈階梯狀降落，依次分布山前傾斜平原、黃土臺塬、河谷階地。本文選取水樣數(shù)據(jù)較多的渭河北岸涇河以西和渭河南岸湯峪河以東地區(qū)為研究區(qū)，涉及西安、寶雞、咸陽和渭南4個行政市。

關(guān)中地區(qū)沉積了厚逾千米的第四系松散巖類，地勢低平，巖層透水性好，為地下水的賦存和運移提供了良好的空間。盆地內(nèi)潛水主要包括洪積漂石、砂礫石與粉質(zhì)黏土等互層孔隙潛水，沖積砂礫卵石層孔隙潛水和風(fēng)積黃土層孔隙裂隙潛水。潛水流動方向與地形坡度一致，由秦嶺、北山山前向盆地中心偏東流動（圖1）。徑流排泄、蒸發(fā)排泄、人工開采是潛水主要的排泄方式。

2 地下水環(huán)境背景值研究

2.1 地下水環(huán)境背景值研究方法

1924年，美國學(xué)者F.W.克拉克首先發(fā)表了背景值方面的報告；[HJ2.4mm]1975年，美國學(xué)者J.J.康納等人在對各環(huán)境要素化學(xué)元素豐度值研究的基礎(chǔ)上，提出了美國部分地區(qū)的環(huán)境背景值。中國自1976年開始，從環(huán)境科學(xué)角度出發(fā)，對北京、南京、廣東、松遼平原等地區(qū)的土壤環(huán)境背景值進行了調(diào)查和研究，并引入“土壤環(huán)境背景值”概念。20世紀80年代初，我國水文地質(zhì)學(xué)家正式提出了“地下水環(huán)境背景值”[12]。

地下水環(huán)境背景值的確定有多種方法，如類比法、歷史曲線法、數(shù)理統(tǒng)計分析法等。其中，類比法是一種間接方法，通過研究與工作區(qū)地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)條件相似區(qū)域的地下水環(huán)境背景值，以代表工作區(qū)內(nèi)的背景值；歷史曲線法是基于研究區(qū)內(nèi)長序列地下水化學(xué)觀測資料，研究未出現(xiàn)階躍變化的記錄數(shù)據(jù)以確定研究區(qū)的背景值。相比之下，數(shù)理統(tǒng)計分析法是目前應(yīng)用最多的方法，包括劃分水環(huán)境單元、布點、取樣分析，剔除異常值、確定環(huán)境背景值等步驟[13]。

數(shù)理統(tǒng)計分析法又包括概率圖法、回歸分析、迭代標準差法和計算分布函數(shù)法等[14-15]。多數(shù)數(shù)理統(tǒng)計方法通?；跇颖緮?shù)據(jù)服從正態(tài)分布的假設(shè)，而迭代標準差法和計算分布函數(shù)法既不需要某一特定的先驗分布，又可適用于相對數(shù)量較少的數(shù)據(jù)集（n>30）[16]。

本次地下水環(huán)境背景值研究充分利用1997年-1999年關(guān)中盆地潛水水質(zhì)分析資料，區(qū)內(nèi)潛水水樣共487組，[HJ1.9mm]樣品采集深度為120～300 m。對于n>30的水環(huán)境單元，運用迭代標準差法和計算分布函數(shù)法計算各組分環(huán)境背景值，并對兩種方法的適用性進行比較分析。其基本方法是先剔除異常數(shù)據(jù)以確保剩余數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，再運用Lilliefors檢驗法進行正態(tài)性檢驗，最終確定背景值范圍。

對于n<30的水環(huán)境單元，運用Grubbs準則對數(shù)據(jù)中的異常值進行剔除，并運用SPSS統(tǒng)計軟件，在判斷各指標符合何種分布類型的基礎(chǔ)上，對各水環(huán)境單元的地下水環(huán)境背景值進行確定。本文對K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS 7項常規(guī)指標進行了地下水環(huán)境背景值計算與分析。

2.2 地下水環(huán)境背景值單元劃分

環(huán)境背景值單元是指一定時間、一定范圍內(nèi)水環(huán)境要素和元素一致的水域地區(qū)，具有時間和區(qū)域變異性[17]。合理劃分環(huán)境背景值單元，對研究地下水環(huán)境背景值特征和客觀規(guī)律具有重要作用。

依據(jù)研究區(qū)內(nèi)地下水的形成條件，賦存特征、介質(zhì)特點和地下水類型等，并結(jié)合氣象、地貌類型，共劃分為10個環(huán)境背景值單元[18]（圖2）。

2.3 地下水環(huán)境背景值計算

對于n>30的水環(huán)境單元（Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅹ區(qū)）運用迭代標準差法和計算分布函數(shù)法計算，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用文獻[16]提供的Excel宏完成，計算結(jié)果見表1。

n<30的水環(huán)境單[HJ2.2mm]元（Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ及Ⅶ-Ⅸ區(qū)）運用Grubbs準則對數(shù)據(jù)中的異常值進行剔除，并運用SPSS統(tǒng)計軟件，在判斷各指標符合何種分布類型的基礎(chǔ)上，確定各水環(huán)境單元中各組分的地下水環(huán)境背景值，其詳細過程如下。

（1）剔除異常值。

為了獲取真實的水環(huán)境背景值，必須對測定數(shù)據(jù)進行檢驗，以避免在采樣、送檢和分析過程中可能存在的污染[19]。采用Grubbs準則（取顯著性水平α=0.01時判斷為異常值），對各水環(huán)境單元內(nèi)數(shù)據(jù)進行檢驗，若某一水樣的某一指標測試值存在異常，則剔除該指標，而不清除這一水樣記錄[20]，檢驗結(jié)果見表2。

（2）檢驗分布類型。

選用SPSS軟件中的Kolmogorov-Smirnov法和Shapiro-Wilk法（W檢驗）對各統(tǒng)計單元內(nèi)各組分含量概率分布類型進行綜合判定（信度選為0.05）。組分含量測試值的分布類型為正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布，不滿足上述兩種分布類型的，統(tǒng)一作偏態(tài)分布。

（3）確定背景值。

各組分背景值是一個范圍值，而不宜用某一確定數(shù)值來表示[18]。根據(jù)地下水組分測試值的分布類型，采用不同的統(tǒng)計計算方法，其中，正態(tài)分布類型采用算術(shù)平均值法，對數(shù)正態(tài)分布類型采用幾何平均數(shù)法，偏態(tài)分布則采用累積頻率法[13]。

在運用SPSS統(tǒng)計軟件分析各組分分布類型的基礎(chǔ)上，由上述方法對Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ及Ⅶ-Ⅸ水環(huán)境單元內(nèi)各化學(xué)組分背景值進行確定（見表3）。

3 結(jié)果討論

表1表示分別運用迭代標準差和計算分布函數(shù)法計算得出的水環(huán)境單元Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅹ區(qū)各組分環(huán)境背景值。各個水環(huán)境單元中大多數(shù)組分測試值服從正態(tài)分布，且這兩種方法確定的大多數(shù)組分背景值具有相似的結(jié)果，說明運用這兩種方法計算地下水環(huán)境背景值得到了比較合理的結(jié)果[7]。然而，兩種方法的計算結(jié)果在少數(shù)情況下也存在明顯的差異，現(xiàn)說明如下。

如圖3、圖4所示，在北山洪積扇孔隙水環(huán)境單元（Ⅰ區(qū)）中，運用迭代標準差法計算的TDS背景值上限較高，且沒有通過Lilliefors檢驗。其原因是，此方法目的是構(gòu)造一個正態(tài)分布，而此時TDS近似服從離散性較大的偏態(tài)分布，集中值落在兩個峰之間，較大的離散性會造成對背景值上限的過高估計。渭北一級黃土臺塬孔隙裂隙水環(huán)境單元（Ⅲ區(qū)）中的HCO3-離子也是類似情況。因此，迭代標準差法不適用于服從偏態(tài)分布的數(shù)據(jù)。

圖5、圖6表示兩種方法在臨潼至華縣一級黃土臺塬孔隙裂隙水環(huán)境單元（Ⅵ區(qū)）的HCO3-離子背景值計算中存在顯著差異。迭代標準差法可以將低于下限和高于上限的異常值剔除，且通過了正態(tài)分布檢驗，背景值為294.7～494.3 mg/L；而計算分布函數(shù)法得出的背景值是215.7～557.8 mg/L，但沒有通過正態(tài)性檢驗。因此，對于在自然狀態(tài)下，組分的濃度分布幾乎都傾向于較高值且較低值很少的情況下，用迭代標準差法計算背景值更合理。

圖7和圖8分別表示了K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-及HCO3-離子在各水環(huán)境單元內(nèi)的背景值（集中值）對比曲線圖。不同水環(huán)境單元內(nèi)各離子背景值具有明顯差異性，但呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。從圖8中可以看出，在渭河北岸，K++Na+較富集，其背景值在各水環(huán)境單元內(nèi)大小表現(xiàn)為Ⅰ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)。Ⅰ區(qū)位于漆水河至涇河北山洪積扇前緣，水系少，徑流條件差，主要受礦化作用的影響，K++Na+較富集。而Ⅱ區(qū)位于漆水河以西，水系發(fā)育，徑流條件較好，以溶濾作用為主，礦化作用減弱，陽離子的背景值表現(xiàn)為Ca2+>K++Na+>Mg2+。而在Ⅲ、Ⅳ區(qū)分別為渭河北岸黃土臺塬區(qū)和渭河沖積平原，地勢低平，徑流滯緩，加之黃土對陽離子的吸附作用及蒸發(fā)濃縮作用增強，加劇了K++Na+離子升高。在渭河南岸由于秦嶺洪積平原及各支流沖積平原內(nèi)徑流條件通暢，陽離子背景值整體表現(xiàn)為Ca2+>K++Na+>Mg2+的特征。由圖可見，K++Na+離子背景值由東向西、自北向南呈遞減趨勢；從陽離子分布特征來看，渭河北岸礦化作用較南岸強。

從圖8可以看出，關(guān)中盆地地下水化學(xué)成分中陰離子以HCO3-為主，其背景值占絕對優(yōu)勢。在洪積扇前緣和渭河沖積平原，由于含水層巖性變細，地下水徑流緩慢，水交替作用弱，Cl-、SO42-出現(xiàn)一定程度的富集。從表2和表4可以看出，Cl-、SO42-離子背景值變異系數(shù)較大，屬于氣候和人類活動變化的敏感性因子，對地下水鹽化起著重要作用。

總體來看，渭河北岸K++Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-背景值均大于渭河南岸，而渭河以南Ca2+背景值較渭河以北高。在地下水流滯緩、礦化作用和蒸發(fā)濃縮作用強烈的區(qū)域，地下水水環(huán)境有利于K++Na+、Cl-和SO42-離子的富集。可見，關(guān)中盆地主要常規(guī)組分背景值特征受到地質(zhì)地貌、水文地質(zhì)條件和水化學(xué)作用的影響。

4 結(jié)論

（1）本文通過對關(guān)中盆地水文地質(zhì)條件和地下水環(huán)境狀況的深入研究，對關(guān)中盆地進行了詳細的地下水環(huán)境背景值單元劃分，運用迭代標準差法和分布函數(shù)法求取了關(guān)中盆地潛水主要常量組分K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS的環(huán)境背景值。

（2）7項化學(xué)指標環(huán)境背景值在研究區(qū)的分布情況總體上表現(xiàn)為陰離子以HCO3-為主，陽離子渭河北岸以K++Na+為主，渭河南岸Ca2+為主。黃土臺塬孔隙裂隙水和渭河階地孔隙水環(huán)境單元各組分的背景值高于洪積扇孔隙水環(huán)境單元。這一規(guī)律基本體現(xiàn)了地下水流動系統(tǒng)中補給區(qū)與排泄區(qū)地下水組分含量變化的特點，符合地下水水化學(xué)類型形成演化規(guī)律，且驗證了所劃分的背景值單元的合理性。

（3）渭河以北地區(qū)水文地球化學(xué)作用主要以礦化和蒸發(fā)濃縮作用為主，渭河以南地區(qū)以溶濾作用為主。

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