河西走廊淺層地下水主離子特征及水質(zhì)評價

王 姝，高 宗 軍，王 貞 巖，吳 璽，安 永 會，劉 久 潭

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島266590； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071000)

近些年來，由于地球化學環(huán)境的改變與人類活動的影響，導致淺層地下水環(huán)境受到不同程度的污染，并造成了一系列不良后果[1]。通過研究地下水水化學特征，并在此基礎上對水質(zhì)進行評價，不僅能查明地下水與所處環(huán)境的相互作用機制，還可以反映區(qū)域地下水水體質(zhì)量狀況，這對所研究區(qū)域地下水資源的保護、管理以及合理開發(fā)利用具有重要的指導意義[2]。

河西走廊是絲綢之路經(jīng)濟帶要地，同時還是甘肅等地的重要生態(tài)屏障[3]，但由于近些年來人類活動的影響以及環(huán)境的改變，河西走廊地下水環(huán)境問題突出，嚴重影響到當?shù)鼐用竦纳睢?/p>

白福、丁宏偉等[4-5]在研究河西走廊地下水水化學特征中揭示了地下水水化學組分自補給區(qū)至排泄區(qū)存在典型的水平分帶和垂直倒置分異規(guī)律；盧穎等[6]運用聚類分析方法得出了張掖盆地水化學特征主要受控于蒸發(fā)濃縮作用，并說明了不同區(qū)域水化學類型具有一定的差異性且呈明顯的水文地球化學分帶性；王禮恒等[7]對河西走廊地下水同位素特征及水化學組分進行了比較總結(jié)，提出河西走廊地下水屬于獨特的水文循環(huán)模型，即冰雪融水-地下水系統(tǒng)；李慧、邢彬等[3,8-9]對張掖地區(qū)、高臺縣等地分別作了詳細的水質(zhì)狀況分析，但目前對河西走廊水化學及水質(zhì)進行綜合分析的研究較少。本文對河西走廊淺層地下水的主離子特征以及水質(zhì)狀況做了初步分析研究，對研究區(qū)地下水水資源的合理開發(fā)利用與保護管理具有一定的指導意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然條件

河西走廊位于我國西北干旱半干旱地區(qū)的黑河流域，該流域是我國西北部的第二大內(nèi)陸河流域，范圍覆蓋青海、甘肅和內(nèi)蒙古三省。河西走廊內(nèi)的主要城市包括青海省祁連縣，甘肅省張掖市、酒泉市和嘉峪關市，以及內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗。研究區(qū)地理坐標介于94° E～102°30′ E、37° N～41° N之間，深居亞歐大陸腹地，四面高山環(huán)繞。流域內(nèi)氣候主要受中、高緯度西風環(huán)流和極地冷氣團控制，因而表現(xiàn)為太陽輻射強，晝夜溫差較大，干燥多風，降水稀疏且時間分布不均(主要集中在7～9月份)[10]。研究區(qū)所處的黑河流域表現(xiàn)為一個獨立的水流系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)地表水與地下水之間的水力聯(lián)系及其歸屬，可將該流域劃分為東、中、西3個水流子系統(tǒng)[11]，研究區(qū)位于黑河流域中、東部，祁連山和龍首山、合黎山分別為流域的南北邊界，東西又分別受大黃山隆起、榆木山隆起和文殊山隆起的制約,如圖1所示。研究區(qū)地勢總體南高北低，呈現(xiàn)兩高夾一低的NWW向條帶狀格局，由南西向北東依次呈高山-盆地-次高山景觀。

圖1 研究區(qū)及采樣點位置

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

河西走廊屬于祁連山地槽邊緣坳陷帶，由一系列具有共生關系的構(gòu)造-地貌盆地所組成[12]，各盆地之間多為低矮的構(gòu)造山梁或基底隆起分隔。區(qū)內(nèi)主要為第四系松散堆積物，沉積厚度達百米以上，成為地下水賦存的主要場所。

河西走廊含水層巖性變化總趨勢由山前向平原變細，從南到北由單一礫卵石漸變?yōu)樯喜筐ば酝翃A砂、砂礫石，下部大厚度砂礫石的雙層結(jié)構(gòu)[13]，地下水類型由潛水變?yōu)樯喜繚撍?、下部承壓水。圖2表示自西北向東南跨越河西走廊，即穿過高臺縣、臨澤縣和張掖市的剖面圖。走廊東南部，地下水主要接受降水的入滲補給，以地表徑流形式流出山區(qū)進入張掖盆地；走廊中西部因含水層導水性變?nèi)酰托沽魇窃搮^(qū)域地下水的主要排泄途徑，研究區(qū)主要位于地下水排泄區(qū),其水文地質(zhì)圖如圖3所示。

注：1為第四系松散沉積物, 2為新近系砂礫巖, 3為白堊系泥巖, 4為華力西期花崗巖, 5為前震旦系花崗巖

圖2 河西走廊地層剖面示意(虛線為推測)

Fig.2 Stratigraphic profile of Hexi Corridor (Dotted line is speculation)

圖3 研究區(qū)水文地質(zhì)示意

2 數(shù)據(jù)來源與評價方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究共選用淺層(<100 m)地下水水樣75個(見圖1)。采樣點均勻分布于河西走廊。地下水水樣多取自機民井，取樣容器選用聚乙烯塑料瓶。取樣前將取樣容器用所取地下水清洗3～5次，取樣后在現(xiàn)場用石蠟密封瓶口并貼上標簽，盡快送至實驗室進行檢測。所采水樣埋深、經(jīng)緯度、水溫、pH、TDS、電導率等參數(shù)在現(xiàn)場使用便攜式檢測儀檢測得到，其他項目在中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心實驗室進行統(tǒng)一化驗。樣品從采樣、送樣、保存到化驗均嚴格依照標準進行，采樣和化驗操作過程嚴格遵循GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標準》[14]中的規(guī)定進行。

2.2 分析方法

為分析研究區(qū)水化學組分及類型，在本次研究中對水化學數(shù)據(jù)進行了數(shù)理統(tǒng)計分析和相關性分析，使用AquaChem軟件繪制了所取樣品的Piper三線圖[15]，并使用舒卡列夫分類法對水化學類型進行了詳細分類。為進一步對水樣數(shù)據(jù)的水化學組分特征進行分析，繪制了Gibbs圖[16]與離子比例圖。同時，采用了模糊綜合評價法[17]和內(nèi)梅羅指數(shù)法兩種方法對研究區(qū)淺層地下水進行了水質(zhì)測評，并分析對比了兩種方法基于相同數(shù)據(jù)得出的評價結(jié)果，進而對研究區(qū)的水質(zhì)狀況進行了綜合評價。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水化學特征

3.1.1地下水統(tǒng)計特征

地下水中的化學組分是在一定的地理和地質(zhì)背景下地下水與環(huán)境長期相互作用的產(chǎn)物[18]。描述性統(tǒng)計分析方法有助于理解地下水中各種化學成分的富集和變動規(guī)律[19]。所取淺層地下水水樣的水化學參數(shù)的統(tǒng)計分析結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 研究區(qū)淺層地下水水化學參數(shù)描述性統(tǒng)計特征值

圖4 水樣離子特征箱形圖

3.1.2水化學類型分布規(guī)律

根據(jù)舒卡列夫分類法可將研究區(qū)淺層地下水整體劃分為HCO3·SO4-Mg·Ca型(26.7%)、HCO3·SO4-Na·Mg型(25.3%)、HCO3·SO4-Mg型(13.3%)和SO4-Na·Mg型(10.7%)。

Piper三線圖常被用于分析地下水的組成與遷移規(guī)律[20]，這種方法的優(yōu)點是不受各種人為因素的影響，各離子的相對含量及水樣的基本化學類型可直接反映在三線圖中[21]。使用AquaChem軟件處理水樣數(shù)據(jù)并繪制出Piper三線圖，如圖5所示。

圖5 研究區(qū)各水樣點水化學Piper三線圖

3.1.3離子相關性分析

利用相關性分析處理地下水的水化學數(shù)據(jù)，可以反映出各參數(shù)之間的相似相異性[22-23]，并對地下水來源的一致性進行判斷[24]。本次研究中使用SPSS軟件,對研究區(qū)淺層地下水水化學參數(shù)的相關性進行了分析，結(jié)果如表2所示。

3.1.4地下水化學成分來源分析

Gibbs圖是控制水化學主要機制的一種有效方法，在水化學成分與氣候或地質(zhì)特征之間的關系研究中得到了廣泛的應用[25]。如圖6所示，本次研究將各水樣的相關數(shù)據(jù)進行了處理并繪制于Gibbs模型中。

圖6 研究區(qū)各水樣水化學Gibbs圖

由圖6可知，研究區(qū)絕大多數(shù)水樣分布于Gibbs模型中，且均分布在蒸發(fā)-結(jié)晶控制區(qū)域，表明研究區(qū)地下水的化學成分主要受蒸發(fā)作用和結(jié)晶作用的影響。由于研究區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)的地下水排泄區(qū)，地下水在該地涌出后經(jīng)強烈的蒸發(fā)作用致使水分大量散失，而水溶液中的鹽分則滯留下來保存于土壤中，長時間的積累過程中淺層地下水的TDS不斷升高，從而成為了地下水水化學組成的主要來源。

表2 水化學成分相關系數(shù)矩陣

注：*和**分別代表0.05和0.01的顯著水平。

圖7 淺層地下水主要離子的比例系數(shù)

Fig.7 Proportional coefficient of major ions in shallow groundwater

3.2 水質(zhì)評價

3.2.1評價因子與評價標準

本次研究依據(jù)獲得的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，選取鈉、氯化物、硝酸鹽(以N記)、硫酸鹽、TDS、pH和總硬度7項主離子污染指數(shù)作為評價因子，評價標準選用GB/T 14848-2017《地下水質(zhì)量標準》[14]中規(guī)定的Ⅲ類水標準。

3.2.2水質(zhì)評價結(jié)果

按照2.2節(jié)所列方法，利用公式進行模糊綜合運算，獲得水質(zhì)評價結(jié)果，如圖8所示。同時采取內(nèi)梅羅指數(shù)法獲得水質(zhì)評價結(jié)果，如圖9所示，以便于對照。各點目標水質(zhì)為Ⅲ類。

由圖8可見，利用模糊綜合評價法得到的評價結(jié)果中，上壩鎮(zhèn)、下河清、臨澤縣和張掖市周圍的淺層地下水水質(zhì)較差，評價結(jié)果為Ⅴ類水，不經(jīng)適當處理不適合作為生活飲用水源；而其他地區(qū)水質(zhì)評價結(jié)果較好，為Ⅰ-Ⅲ類水，可直接作為生活飲用水使用。就Ⅴ類水地區(qū)進行分析，由于上壩鎮(zhèn)、下清河地區(qū)補給徑流量減少，地下水埋深變淺，加上強烈的蒸發(fā)濃縮作用使得該地區(qū)表層潛水礦化度持續(xù)升高，鹽分源源不斷濃縮析出，導致該地區(qū)水質(zhì)整體較差；在臨澤縣、張掖市等人類聚集地周圍，不合理的施用農(nóng)藥、化肥，生活廢水隨意排放，工業(yè)廢水未經(jīng)正規(guī)處理隨意排放等均對水質(zhì)產(chǎn)生了很大影響。

如圖9所示，根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法得到的水質(zhì)評價結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)淺層地下水水質(zhì)整體較差，僅有34.7%的水樣水質(zhì)為Ⅰ～Ⅲ類，這些水樣主要分布在河流沿岸地區(qū)。Ⅳ～Ⅴ類水樣點主要分布在人類聚集地處，如上壩鎮(zhèn)、下河清、鹽池西部、高臺縣、臨澤縣及張掖市周圍。

圖8 模糊綜合評價法所得水質(zhì)結(jié)果

分析對比兩種評價結(jié)果所得數(shù)據(jù)(見表3)可知，水質(zhì)較差水樣點的分布范圍大致相似，主要分布在上壩鎮(zhèn)、下河清、臨澤縣、張掖市周圍，但內(nèi)梅羅指數(shù)法所得的水質(zhì)較差的水樣點較多。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于內(nèi)梅羅指數(shù)法受突出因子的影響較大，而模糊綜合評價法充分考慮了各項指標之間的隨機性和模糊性，既考慮各因子對水體的危害程度，也考慮各評價指標之間的非線性關系，將水質(zhì)評價問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銌栴}，評價結(jié)果更合理。

圖9 內(nèi)梅羅指數(shù)法所得水質(zhì)結(jié)果

表3 兩種評價方法所得每種類型水樣點的數(shù)量

3.3 水化學特征與水質(zhì)分析結(jié)果比對

4 結(jié) 論

本次研究對河西走廊淺層地下水的主離子化學特征進行了分析，并采用模糊綜合評價法與內(nèi)梅羅指數(shù)法，對研究區(qū)淺層地下水水質(zhì)進行了評價，可以得出如下結(jié)論。

(3)在研究區(qū)的水質(zhì)評價過程中，模糊綜合評價法顯示出了較好的效果。分析模糊綜合評價法所得結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)的淺層地下水水質(zhì)30.0%屬于Ⅳ，Ⅴ類水，70.0%屬于Ⅰ～Ⅲ類水，總體水質(zhì)較好；而依據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法所得結(jié)果，研究區(qū)65.3%的淺層地下水水質(zhì)屬于Ⅳ，Ⅴ類水，污染物超標，這與該方法受突出因子影響較大有關。兩者相比較，應用模糊綜合評價法所得水質(zhì)評價結(jié)果更加客觀、有效。

(4)分析對比河西走廊淺層地下水水化學特征與水質(zhì)評價結(jié)果，總體來看，水質(zhì)較差的區(qū)域水化學組分中基本都存在超標項。