武漢市第四系淺層地下水環(huán)境背景值研究

何 軍，彭 軻，曾 敏

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205)

武漢市第四系淺層地下水環(huán)境背景值研究

何 軍，彭 軻，曾 敏

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205)

武漢市； 第四系； 地下水； 背景值

0 引言

水利部2016年1月地下水動態(tài)月報顯示，2015年我國主要盆地和平原區(qū)的2 103眼地下水監(jiān)測井中，80%地下水為四類或五類水，說明我國地下水普遍“水質(zhì)較差”，引起了社會廣泛關(guān)注。地下水與其賦存的環(huán)境條件有關(guān)，究竟是人類活動導(dǎo)致的地下水污染，還是地下水本身即為原生劣質(zhì)水，需要通過研究地下水的環(huán)境背景值才能確定。研究地下水的環(huán)境背景值有利于分析地下水是否受到污染，進(jìn)而針對性地開展地下水防護(hù)。地下水環(huán)境背景值是指某一地區(qū)在未受污染或基本未受污染的前提下，地下水中各化學(xué)組分的含量[1]。地下水環(huán)境背景值具有地區(qū)差異性和時效性，是地下水污染評價的基礎(chǔ)，對于判斷地下水污染程度及評定地下水質(zhì)量具有重要意義[2-3]。隨著現(xiàn)代分析測試技術(shù)的提高，一些地區(qū)相繼開展了地下水環(huán)境背景值研究工作，在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析以及背景值確定等方面取得了大量成果[4-6]。Zeng[7]于20世紀(jì)90年代以第四系淺層孔隙水為主要目的層，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對江漢平原東部地區(qū)進(jìn)行地下水環(huán)境背景值調(diào)查研究。

根據(jù)我國首輪地下水水質(zhì)調(diào)查評價工作部署，2014年，中國地質(zhì)調(diào)查局啟動中南重點地區(qū)地下水污染調(diào)查評價，研究中南重點地區(qū)地下水環(huán)境背景值。本文選擇武漢市郊區(qū)人類活動相對較小的地區(qū)進(jìn)行調(diào)查取樣，通過數(shù)理統(tǒng)計的方法計算研究區(qū)地下水環(huán)境背景值。并將獲得的地下水環(huán)境背景值與江漢平原東部地下水環(huán)境背景值[7-8]進(jìn)行對比，進(jìn)一步明確了該區(qū)地下水水質(zhì)的變化特征。

1 研究區(qū)概況

武漢市位于江漢平原東北部邊緣，長江和漢江呈“Y”字形交匯，地勢總體南高北低(圖1)。北部的漢口、漢陽及武昌沿江以長江一、二級階地為主，壟崗平原穿插其中，形成波狀起伏的地形。沿江一帶的沖積平原地形平坦，具明顯的二元結(jié)構(gòu)，上部為全新統(tǒng)黏土，下部為砂性土及卵礫石層。南部主要為壟崗平原，相對高差10～30 m不等，以更新統(tǒng)亞黏土、亞砂土和黏土為主。中部分布少量條帶狀丘陵和殘丘，主要分布于蔡甸新農(nóng)至漢陽永豐、洪山區(qū)的九峰和花山一帶，南部江夏烏龍泉和鄭店一帶零星分布，巖性多為泥盆系、志留系石英砂巖、砂質(zhì)頁巖和石灰?guī)r等。

1.沖積平原； 2.壟崗平原； 3.剝蝕丘陵； 4.取樣點及編號圖1 研究區(qū)地貌及采樣點分布圖Fig.1 Landform of the study area anddistribution of samples

本次調(diào)查采集的樣品為第四系淺層孔隙水，主要位于長江一級階地以及壟崗平原區(qū)。長江、漢江沿岸地區(qū)具有多層地下水含水層，淺部為淤泥質(zhì)土中的上層滯水或潛水，深部為賦存于砂層或卵礫石層中的承壓水，由于該含水層緊鄰長江或漢江，地下水與地表水具有強(qiáng)烈的直接水力聯(lián)系，因而具有較高的承壓水頭。壟崗平原的水文地質(zhì)條件較簡單，地下水以潛水為主，多賦存于粉質(zhì)黏土中，水位埋深較大，局部地區(qū)粉質(zhì)黏土下部存在砂、卵礫石層，具有承壓性。由于砂卵石層的結(jié)構(gòu)緊密且黏粒含量較高，導(dǎo)致壟崗地區(qū)富水性遠(yuǎn)小于長江一級階地，且壟崗地區(qū)與地表水無直接水力聯(lián)系，承壓水頭不高[9]。

2 水樣采集與測試

3 背景值確定

由于地下水所處的含水介質(zhì)多為非均質(zhì)，即使同一地區(qū)的地下水各化學(xué)組分也具有局部差異，因此，各組分背景值不宜采用某一確定數(shù)值表示，而應(yīng)采用區(qū)間值表示[10]。本文運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計中的集中值(均值、中位數(shù)等)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等指標(biāo)，獲得地下水中各組分的環(huán)境背景值范圍。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法可以判斷地下水化學(xué)數(shù)據(jù)的離散和變異程度，從而確定地下水環(huán)境背景值的區(qū)間范圍。

表1 運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計確定地下水環(huán)境背景值的方法Tab.1 Mathematical statistics methods for determining environmental background levels of groundwater

3.1 異常值判斷與剔除

環(huán)境背景值是反映地下水組分的天然本底值，雖然在采樣過程中盡量避開了疑似受污染的樣品，選取城市遠(yuǎn)郊區(qū)進(jìn)行取樣，但在樣品采集、運(yùn)輸及檢測等環(huán)節(jié)中仍可能存在污染[10]，因此需要對獲取的地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，剔除異常數(shù)據(jù)。對于<30的樣本數(shù)量，一般采用Grubbs準(zhǔn)則進(jìn)行異常值剔除(顯著性水平為0.05時判定為異常)，Grubbs準(zhǔn)則引入正態(tài)分布中的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差2個最重要的參數(shù)，當(dāng)某個樣品的單一組分?jǐn)?shù)據(jù)存在異常時僅剔除該組分?jǐn)?shù)據(jù)，而不是將整個樣品的其他指標(biāo)值一起剔除[11]。本次調(diào)查的水樣檢出總數(shù)及各指標(biāo)經(jīng)Grubbs準(zhǔn)則檢驗后有效樣本數(shù)見表2。

表2 水樣檢出總數(shù)及經(jīng)Grubbs檢驗后的有效樣本數(shù)Tab.2 Total number of shallow groundwater samples and valid record by Grubbs test

注： 總硬度以CaCO3計(下同)。

3.2 檢驗分布類型

表3 研究區(qū)及江漢平原東部地區(qū)地下水環(huán)境背景值及統(tǒng)計特征值Tab.3 Environmental background levels and statistical eigenvalues of groundwater in the study area and eastern Jianghan Plain

(續(xù)表)

注： N表示正態(tài)分布； LN表示對數(shù)正態(tài)分布； P表示偏態(tài)分布； —表示未計算本項值。

4 結(jié)果與討論

圖2 研究區(qū)與20世紀(jì)90年代江漢平原東部地區(qū)地下水環(huán)境背景值對比Fig.2 Comparison of groundwater environmental background levels with the 1990s levels in eastern Jianghan Plain

地下水化學(xué)特征與其賦存的水動力條件、沉積環(huán)境有關(guān)[12]。通過分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件，可知區(qū)內(nèi)地下水中K+和Na+主要來自于北部山區(qū)變質(zhì)巖風(fēng)化溶解及第四系堆積物中K+和Na+的解吸。與江漢平原東部地區(qū)對比，武漢市位于江漢平原東部地區(qū)的腹部地帶，周圍的丘陵山區(qū)地下水徑流速度相對較快，含水介質(zhì)中K+和Na+經(jīng)礦物溶解后隨水流搬運(yùn)，K+和Na+大量被水帶至腹部地帶，使周圍環(huán)境介質(zhì)中的K+和Na+含量相對減少，而腹部地帶接受水流帶來的K+和Na+，加上緩慢的地下水交替，研究區(qū)K+和Na+含量表現(xiàn)為相對高值。江漢平原東部地區(qū)的漢川和嘉魚一帶，雖然地下水交替較緩慢，可以接受地下水流帶來的K+和Na+，但由于其遠(yuǎn)離山區(qū)變質(zhì)巖，K+和Na+來源有限，故未能表現(xiàn)出高含量的K+和Na+。

區(qū)內(nèi)F-主要來源于氟化物及含氟硅酸鹽礦物的溶解、水解作用和大氣降水，但其提供的F-含量有限，故F-含量較低，且變化較小。較20世紀(jì)90年代，Cl-含量具有較大的增加，主要由于北部山區(qū)含氯化物的礦物經(jīng)長期淋濾，Cl-隨水流被帶至平原地帶，Cl-含量不斷增高，且不易被吸附，因而礦化度也隨之增高。

與20世紀(jì)90年代相比，本次調(diào)查獲得的硫酸鹽環(huán)境背景值具有較大增加，高硫酸鹽的水樣主要位于武漢市北部山前地帶，可能受北部山區(qū)巖石風(fēng)化淋濾作用影響較大，而二級階地地下水賦存環(huán)境為氧化環(huán)境，金屬硫化物的氧化也將造成硫酸鹽含量增加。

5 結(jié)論

[1] 賀秀全.地下水環(huán)境背景值研究中存在的幾個問題[J].地下水,1994,16(2):68-69.

[2] 高迪,潘國營,鐘福平,等.新鄉(xiāng)市地下水化學(xué)背景值研究[J].露天采礦技術(shù),2006(4):51-54.

[3] 吳霞,吳津蓉,李巧,等.新疆漢水泉地區(qū)地下水環(huán)境背景值計算[J].人民黃河,2015,37(1):83-86,90.

[4] 郭曉靜,周金龍,王毅萍,等.塔里木盆地地下水環(huán)境背景值[J].人民黃河,2011,33(1):61-63.

[5] 張英,孫繼朝,黃冠星,等.珠江三角洲地區(qū)地下水環(huán)境背景值初步研究[J].中國地質(zhì),2011,38(1):190-196.

[6] 劉文波,馮翠娥,高存榮.河套平原地下水環(huán)境背景值[J].地學(xué)前緣,2014,21(4):147-157.

[7] Zeng Z H.The background features and formation of chemical elements of groundwater in the area of the middle and lower beaches of the Yangtze River[J].Acta Geologica Sinica,1996,70(3):262-269.

[8] 遇廣弟,茅貴文,韓德坤,等.江漢平原東部地區(qū)地下水環(huán)境背景值調(diào)查研究[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,1989:46-47.

[9] 楊育文,敖晨霞,熊增強(qiáng).武漢地質(zhì)條件與城市地質(zhì)問題概述[J].城市勘測,2015(6):147-153.

[10] 樊麗芳,陳植華.地下水環(huán)境背景值的確定[J].西部探礦工程,2004,16(7):90-92.

[11] 楊吉忠.數(shù)理統(tǒng)計方法在岷沱江水環(huán)境背景值計算中的應(yīng)用[J].干旱環(huán)境監(jiān)測,1997,11(1):28-33.

[12] 楊麗芝,楊雪柯,劉春華.山東平原地區(qū)淺層地下水有機(jī)污染特征分析[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2015,2(8):25-30.

StudyonenvironmentalbackgroundlevelsofQuaternaryshallowgroundwaterinWuhanCity

HE Jun， PENG Ke， ZENG Min

(WuhanCenterofChinaGeologicalSurvey,Wuhan430205,China)

Wuhan City; Quaternary; groundwater; background levels

劉永權(quán))

10.19388/j.zgdzdc.2017.06.10

何軍,彭軻,曾敏.武漢市第四系淺層地下水環(huán)境背景值研究[J]. 中國地質(zhì)調(diào)查,2017,4(6): 71-75.

X143; P641.12

A

2095-8706(2017)06-0071-05

2017-05-08；

2017-06-07。

中國地質(zhì)調(diào)查局“中南重點地區(qū)地下水污染調(diào)查評價(編號： 12120114029601)”和“長江中游宜昌—荊州和武漢—黃石沿岸段1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查(編號： 121201009000150014)”項目聯(lián)合資助。

何軍(1984—)，男，高級工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作。Email： 05302105hj@163.com。