銀川地區(qū)潛水環(huán)境背景值研究

孫玉芳，金曉媚，薛忠歧

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083；2.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，銀川750026）

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，引起的地下水污染已經(jīng)引起了相關(guān)部門的高度關(guān)注，進行地下水污染評價必須基于一定的參考值，地下水環(huán)境背景值就作為地下水污染評價的基礎(chǔ)［1］，直接影響到評價結(jié)果的科學(xué)性和合理性?！碍h(huán)境背景值”概念從1975年由康納［2］提出至今，就一直存在爭議［1，3］，爭議主要在于它是否能代表研究區(qū)的天然狀態(tài)，而未受到人類活動的影響。20世紀(jì)80年代初，“地下水環(huán)境背景值”概念被正式提出，較為認(rèn)可的闡述是：地下水環(huán)境背景值指研究區(qū)域內(nèi)相對清潔區(qū)（人類活動影響相對較小的地區(qū)）化學(xué)元素的含量［1］，指出因地下水含水巖組特征、補徑排條件及各種水文地球化學(xué)作用的影響，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［3-5］，并且具有時間特性和空間特性［5］。隨著人類活動對自然環(huán)境的改造和影響，清潔區(qū)越來越少，學(xué)界也認(rèn)識到地下水環(huán)境背景值是地下水在天然狀態(tài)下疊加人類正?；顒佑绊懰纬傻母魉瘜W(xué)組分特征含量、變化范圍、比例關(guān)系等，它反映了地下水中各水化學(xué)要素隨自然環(huán)境及人類正?；顒佑绊憲l件下演化和發(fā)展的過程及特征［6-8］，并指出地貌、水文地質(zhì)條件等因素控制地下水環(huán)境背景值的空間分布［9］，盡可能獲取人類活動影響相對較小時期的化學(xué)組分含量可作為一個地區(qū)的環(huán)境背景值。環(huán)境背景值研究常用的方法有類比法、歷時曲線法、數(shù)理統(tǒng)計法等［10］，應(yīng)用最廣泛的是數(shù)理統(tǒng)計法，即在綜合分析區(qū)域水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上劃分水文地質(zhì)單元，利用統(tǒng)計學(xué)方法處理和分析水質(zhì)結(jié)果，得出研究區(qū)的環(huán)境背景值［11-13］，這種表示方法，既有利于觀察統(tǒng)計數(shù)據(jù)的離散、變異程度，又便于刻畫背景值的集中趨勢，也能確定其取值區(qū)間［14］。

銀川地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件為山前洪積-沖洪積-河湖積平原型，是我國城市所在地質(zhì)環(huán)境的主要類型，有著廣泛的代表性。水文地質(zhì)條件復(fù)雜，潛水水化學(xué)類型繁多，其水文地球化學(xué)特征呈現(xiàn)著相應(yīng)的變異特征和分布規(guī)律。開展銀川地區(qū)潛水環(huán)境背景值研究，為確定地下水的污染程度和污染狀況提供對比依據(jù)，是評價環(huán)境質(zhì)量的不可缺少的。本文利用的銀川市枯水期的潛水水質(zhì)分析資料，運用數(shù)理統(tǒng)計法，對銀川地區(qū)環(huán)境背景值進行計算，分析其空間分布規(guī)律及其控制因素，可為研究銀川地區(qū)地下水水質(zhì)演化，水質(zhì)評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于銀川平原的中段，屬于干旱—半干旱氣候帶，日照充足、蒸發(fā)強烈，多年平均年降雨量185 mm，多年平均蒸發(fā)量1 800 mm，蒸發(fā)量接近降水量的10 倍之多。研究區(qū)東臨黃河、西依賀蘭山，南至永寧縣勝利鄉(xiāng)，北抵賀蘭縣立崗鎮(zhèn)，地勢開闊平坦，由西南向東北傾斜；地貌自西向東分別為山前洪積傾斜平原、沖洪積傾斜平原、河湖積平原及河漫灘，自西向東地形坡度變緩。包氣帶厚度由山前向河漫灘，總體上呈逐漸變薄的趨勢［見圖1（a）］。山前洪積傾斜平原包氣帶厚度在10～200 m 之間，沖洪積傾斜平原、河湖積平原包氣帶厚度相對均一，一般在1～3 m，局部小于1 m 或大于3 m。包氣帶巖性在不同地貌單元有較大差異，洪積傾斜平原以阻水性極差的砂礫石為主；沖洪積平原巖性主要為細(xì)砂，沿西干渠北段有一條寬約3 km 的黏砂土細(xì)粒帶，厚約3 m，向南巖性為細(xì)砂，滲水性能增強。河湖積平原在賀蘭縣東北、望遠(yuǎn)鎮(zhèn)和良田渠以南有部分黏砂土，其他均為砂黏土，該地區(qū)的潛水具有微承壓性。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點Fig.1 Location of study area and distribution of sampling sites

2 研究方法

本次潛水環(huán)境背景值研究選用數(shù)理統(tǒng)計法，主要步驟為：①劃分水文地質(zhì)單元→②選取統(tǒng)計樣點及水質(zhì)化驗結(jié)果→③數(shù)據(jù)檢驗→④統(tǒng)計處理→⑤確定背景值［1］，運用數(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［15，16］。

3 背景值計算

3.1 水文地質(zhì)條件概述及地下水環(huán)境單元的劃分

銀川地區(qū)潛水水化學(xué)成分主要來自地層，又受地質(zhì)地貌、水動力條件、地下水賦存條件、地下水動態(tài)及補徑排條件的影響而隨時空變化，在不同環(huán)境中，形成不同的水文地球化學(xué)分區(qū)。研究區(qū)由西部山前洪積傾斜平原單一潛水區(qū)向東部平原潛水承壓水多層含水層結(jié)構(gòu)過渡［見圖1（b）、表1］。根據(jù)地貌類型、含水層結(jié)構(gòu)，并結(jié)合補、徑、排條件、水化學(xué)特征及富水性，將研究區(qū)潛水自西向東劃分為4 個區(qū)（見圖1），分別是：山前洪積傾斜平原單一潛水區(qū)、沖洪積平原潛水區(qū)、河湖積平原潛水區(qū)、河漫灘單一潛水區(qū)（見表1）。

表1 銀川地區(qū)潛水環(huán)境單元分區(qū)說明表Tab.1 Zone descriptions of phreatic water in Yinchuan area

3.2 樣點的選取

根據(jù)水文地球化學(xué)的時空分布，考慮其復(fù)雜程度，既要滿足環(huán)境背景值取樣的基本要求又要滿足統(tǒng)計方法的要求。本次地下水環(huán)境背景值研究充分利用研究區(qū)1987-1989年《寧夏回族自治區(qū)銀川地區(qū)潛水主要化學(xué)成分調(diào)查》項目的枯水期潛水水質(zhì)分析資料，該資料是研究區(qū)最早開展的水化學(xué)調(diào)查資料。統(tǒng)計樣點選取以環(huán)境單元為主要依據(jù)，同時，為了剔除受到污染影響的非背景點，在選擇統(tǒng)計樣點時遠(yuǎn)離和避開了工業(yè)區(qū)、城鎮(zhèn)等污染源，選擇不受人為污染的井點為統(tǒng)計樣本。自然狀態(tài)下，NO3-是地下水污染的敏感指標(biāo)，通過對潛水化學(xué)成分與NO3-的相關(guān)性分析，可以確定潛水化學(xué)成分受到污染物影響的起始值［17］，為選擇統(tǒng)計樣點提供依據(jù)。為了分析NO3-的含量達(dá)到多少時對潛水化學(xué)組分產(chǎn)生明顯影響，并引起其他組分的上升，故將NO3-分成不同的數(shù)值段，計算其與各組分之間的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)檢驗時給定信度α=0.05，計算結(jié)果見表2。結(jié)果顯示當(dāng)NO3-小于10 mg/L 時，其與其他化學(xué)組分相關(guān)系數(shù)低，對地下水其他化學(xué)組分產(chǎn)生影響小，當(dāng)NO3-含量大于10 mg/L 時，其與其他化學(xué)組分相關(guān)性顯著增加，與Ca2+、K+、SO42-、Cl-、TDS 的相關(guān)性最大，因此在選擇背景值統(tǒng)計樣點時將NO3-含量大于10 mg/L 的樣點排除在統(tǒng)計之外。綜合考慮環(huán)境單元、非背景樣點剔除和統(tǒng)計精度，并盡量保持統(tǒng)計樣本在地域分布上的均勻性，最終確定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ單元的統(tǒng)計樣本數(shù)分別為12個、30個、49個、8個，共計99個。

表2 銀川地區(qū)潛水中NO3-與其他化學(xué)組分相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表 mg/LTab.2 Correlation Coefficient between NO3-and other chemical components of phreatic water in Yinchuan area

3.3 數(shù)理統(tǒng)計檢驗

在確定背景值之前，經(jīng)過分析樣本數(shù)據(jù)和剔除異常值，按單元進行顯著性差異檢驗后，再進行樣本數(shù)據(jù)的分布類型檢驗，以確定組分含量的分布類型，為背景值參數(shù)的計算奠定基礎(chǔ)。

（1）異常值的判定和剔除。Grubbs 法檢驗的嚴(yán)格程度適中，檢驗精度較高［16］，本次檢驗數(shù)據(jù)樣本數(shù)服從Grubbs 準(zhǔn)則的計算范圍，因此異常值剔除采用Grubbs準(zhǔn)則。

（2）離子含量分布類型檢驗。應(yīng)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α=0.05）。宏量組分在各環(huán)境單元分布類型為正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布，整個研究區(qū)Ca2+、Na+、K+、HCO3-服從正態(tài)分布，F(xiàn)-服從對數(shù)正態(tài)分布，其他均按偏態(tài)分布。

3.4 背景值確定

根據(jù)不同單元內(nèi)水化學(xué)組分的分布類型，采用不同的統(tǒng)計計算方法。當(dāng)樣本服正態(tài)分布時，采用算術(shù)平均值法，當(dāng)樣本服從對數(shù)正態(tài)分布時，采用幾何平均數(shù)法［14］，對Na+、Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-、F-、pH 值和溶解性總固體（TDS）常規(guī)指標(biāo)進行地下水環(huán)境背景值計算與分析。計算方法見表3。

表3 運用數(shù)理統(tǒng)計確定地下水環(huán)境背景值的方法Tab.3 Mathematical statistics methods for determining environmental background levels of groundwater

最終確定的銀川地區(qū)潛水環(huán)境背景值見表4，各單元環(huán)境背景值見表5。背景值計算包括中位數(shù)、平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和背景值域。

表4 研究區(qū)潛水環(huán)境背景值及特征值Tab.4 Background value and characteristic value of phreatic water in Yinchuan area

表5 不同地下水環(huán)境分區(qū)的潛水環(huán)境背景值及特征值一覽表Tab.5 Background values and their characteristics of phreatic water in different environmental zones in Yinchuan area

4 結(jié)果與討論

4.1 潛水環(huán)境背景值分布特征

地下水化學(xué)組分含量差異受到地下水埋藏、徑流條件和水文地球化學(xué)作用的影響。依據(jù)環(huán)境單元的劃分，分單元分析各組分的背景值特征。

山前洪積傾斜平原單一潛水區(qū)（Ⅰ），因靠近賀蘭山，地形坡度大，是地下水物質(zhì)成分的流失區(qū)，潛水埋藏深度大，受蒸發(fā)影響小，包氣帶及含水層以粗顆粒的砂礫石為主，透水性良好，地下水處于氧化環(huán)境，偏堿性（pH平均值8.000）（見表5）。水力坡度大，潛水流動迅速，水交替作用和溶解作用強烈，利于潛水中各組分的運移，遷移能力較強的Na+、SO42-、Cl-易溶鹽組分隨著水交替而迅速遷移，被較充分的淋出。Na+、SO42-、Cl-被溶濾掉，平均值分別僅為22.233、46.361、26.393 mg/L，遷移能力弱的Ca2+、HCO3-相對富集，其平均值分別為44.768、220.132 mg/L。各組分變異系數(shù)均小于0.500，背景值域分布寬度均較窄，平均值均較低，水化學(xué)類型簡單，形成了以HCO3-Ca·Mg型為主的淡水區(qū)（TDS 平均值421.833 mg/L），成為研究區(qū)內(nèi)的低背景單元（圖2）。

沖洪積平原潛水區(qū)（Ⅱ），地形坡度變緩，包氣帶巖性以細(xì)砂為主，潛水賦存的巖性顆粒變細(xì)，黏性土增多，含水層巖性為中砂、細(xì)砂及粉砂，地形平緩，地下水徑流急劇減緩，水交替減弱，蒸發(fā)濃縮作用和交替吸附作用增強，水化學(xué)組分開始富集，潛水趨向濃縮，是由徑流流失向濃縮累積的過渡帶。Na+、Ca2+、Mg2+、K+的平均值分別增加至98.350、53.362、43.151、5.918 mg/L（見表4），HCO3-、SO42-、Cl-平均值分別增加至331.220、151.831、75.162 mg/L，形成了以HCO3·SO4-Na·Mg、HCO3·Cl-Na·Mg型為主的中等復(fù)雜的弱堿性（pH 平均值7.910）淡水區(qū)（TDS 平均值823.021 mg/L）。潛水水化學(xué)組分的背景值域?qū)挾群透鹘M分平均值均有所增加，除pH 值外，各組分的標(biāo)準(zhǔn)差均增大，變異系數(shù)增大，說明該區(qū)水化學(xué)類型增多、水質(zhì)復(fù)雜。

河湖積平原潛水區(qū)（III），潛水埋藏淺，大部分地帶為1～3 m，水力坡度小，水交替緩慢，溶濾作用不發(fā)育，潛水蒸發(fā)濃縮作用強烈，含水層巖性顆粒細(xì)小，為細(xì)砂、粉砂、粉細(xì)砂，并夾有黏土薄層，阻礙了水化學(xué)組分的遷移，含水層中易溶鹽保存較多，為潛水化學(xué)組分濃縮累積區(qū)，潛水水化學(xué)組分的環(huán)境背景值分布寬度和各組分平均值均達(dá)到最大，水化學(xué)類型最復(fù)雜。其中F-、SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+、Mg2+繼續(xù)富集，均為研究區(qū)最高值（見表5），Cl-為次高值（112.132 mg/L），標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均較高，形成了本單元以HCO3·Cl-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg 型為主的中等復(fù)雜的中性（pH 平均值7.791）微咸水（TDS 平均值1 228.690 mg/L）。致使本單元的TDS和易溶組分都居于研究區(qū)各單元的最高水平，成為研究區(qū)的高背景單元。

河漫灘單一潛水區(qū)（IV）為潛水化學(xué)組分濃縮富集區(qū)，因靠近黃河并與其產(chǎn)生一定的水力聯(lián)系，黃河側(cè)向補給的沖淡作用使?jié)撍瘜W(xué)組分的環(huán)境背景值分布寬度和各組分平均值均有所下降。該區(qū)地形平緩，潛水埋藏淺，一般小于2 m，含水層以細(xì)砂、粉砂為主，夾薄層黏土透鏡體，蒸發(fā)濃縮作用強烈。地下水化學(xué)組分的含量均超過或略低于研究區(qū)的平均水平，其中易于遷移的Cl-為全研究區(qū)最高值，平均值達(dá)116.724 mg/L（見表5），HCO3-為各單元次高值（451.632 mg/L），標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)顯著降低，在地下水化學(xué)背景分區(qū)中，屬于水化學(xué)組分含量中等的中性（pH 平均值7.672）HCO3·Cl-Na·Mg 和SO4·Cl-Na·Mg 型微咸水區(qū)（TDS 平均值1 026.182 mg/L），該單元成為全研究區(qū)的次高背景單元。

為了研究銀川地區(qū)潛水環(huán)境背景的區(qū)域分布情況，選用整個研究區(qū)的潛水環(huán)境背景值區(qū)間的分級范圍（±S）作為評價參數(shù)，并定義當(dāng)背景值＜-S為低背景，背景值介于-S～+S為一般背景，背景值＞+S為高背景，繪制研究區(qū)水化學(xué)組分的環(huán)境背景值分布圖（見圖2）。

圖2 銀川地區(qū)潛水環(huán)境背景值分布圖Fig.2 Distribution of phreatic environmental background values in Yinchuan

從各化學(xué)組分的背景值分布來看，研究區(qū)潛水水化學(xué)背景受其賦存環(huán)境和水動力條件的影響，造成遠(yuǎn)離山前，水化學(xué)成分相對富集的變化特征。各組分的低背景區(qū)在山前地帶連片分布，在黃河西岸也有零星分布；一般背景區(qū)在山前地帶以東至黃河西岸大面積分布；高背景區(qū)則多在一般背景區(qū)內(nèi)呈片狀、島狀和條帶狀分布，主要分布于Ⅱ、Ⅲ單元地勢低平地段。對比銀川地區(qū)潛水環(huán)境背景值分級結(jié)果（圖2）及環(huán)境單元劃分圖［圖1（a）］，環(huán)境背景值的分布受到環(huán)境單元的影響，但其分級界線不完全與環(huán)境單元界線重合，尤其在Ⅱ、Ⅲ單元內(nèi)受到微地貌及包氣帶巖性分布的影響，高背景區(qū)呈片狀、島狀和帶狀的不連續(xù)分布于地勢低平的黏性土分布地段。

4.2 潛水環(huán)境背景值空間變化規(guī)律

研究區(qū)潛水總體背景值計算結(jié)果顯示（見表4），Na+、Ca2+、HCO3-、SO42-的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差較大，表明其在潛水中的絕對含量較大，分布范圍大，是主要水化學(xué)成分。Na+、SO42-、Cl-、pH、TDS、F-的變異系數(shù)均大于0.5，Mg2+和K+的變異系數(shù)接近0.5，說明其在潛水中的含量變化相對較大，遷移能力較強，而Ca2+、HCO3-的變異系數(shù)較小，說明其遷移能力弱，含量相對穩(wěn)定。

pH 值反映氧化還原條件，pH 增大，氧化環(huán)境增強，反之還原環(huán)境增強。研究區(qū)的pH 值分布于7.440～8.400 之間，各單元平均值Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅳ，TDS 含量范圍在318.904～1 994.601 mg/L之間，其各單元平均值Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。

從主要陽離子和主要陰離子在各環(huán)境單元內(nèi)的背景值平均值對比曲線（圖3）可以看出，各種離子的背景值分布規(guī)律基本一致，總體上，陽離子平均值Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，陰離子平均值HCO3-＞SO42-＞Cl-。

圖3 各單元水化學(xué)組分的對比曲線Fig.3 Comparison curves of the hydrochemical components of different zones

區(qū)域比率為地下水環(huán)境單元的水化學(xué)組分環(huán)境背景值與研究區(qū)的環(huán)境背景值的比值，反映了該單元地下水化學(xué)組分環(huán)境背景值在全研究區(qū)的相對大小。各環(huán)境單元區(qū)域比率結(jié)果顯示（表6），銀川地區(qū)潛水環(huán)境背景值在地質(zhì)地貌、水文地質(zhì)條件和水文地球化學(xué)作用的影響下存在空間差異，平均值Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。對比表5中各單元的背景值，自西向東，由山前洪積傾斜平原單一潛水區(qū)→沖洪積平原潛水區(qū)→河湖積平原潛水區(qū)→河漫灘單一潛水區(qū)，pH不斷下降，由偏堿性向中性過渡；離子組分中除Ca2+的平均值不斷增加外，其他組分和TDS 的平均值均先升高后降低，山前洪積傾斜平原區(qū)離子平均值最低，在河湖積平原潛水區(qū)各種離子平均值最高，至河湖積平原以東黃河沿岸一帶離子含量降低，表明銀川地區(qū)潛水化學(xué)組分從上游的補給源向下游排泄匯，潛水徑流變緩，水動力條件變差，潛水水化學(xué)組分由溶濾淋失轉(zhuǎn)為吸附累積，在河漫灘地帶受黃河水倒灌淡化作用影響，水質(zhì)變好。體現(xiàn)了由山前相對虧缺到?jīng)_洪積平原區(qū)相對平衡，再到過剩的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)在山前最小，在沖洪積平原區(qū)最大，顯示山前地帶潛水埋藏深度大，徑流條件好，潛水水質(zhì)穩(wěn)定，沖洪積平原區(qū)處于溶濾作用和蒸發(fā)濃縮的交替帶，潛水又受灌溉的影響，水質(zhì)呈多元化。

表6 銀川地區(qū)各單元潛水水化學(xué)組分的區(qū)域比率統(tǒng)計表Tab.6 Regional ratios of hydrochemical components of phreatic water of different zones in Yinchuan area

5 結(jié) 語

（1）本文以綜合水文地質(zhì)條件劃分環(huán)境水文地質(zhì)單元的方法，經(jīng)過對統(tǒng)計樣本的質(zhì)量控制分析，統(tǒng)計樣本的機械隨機抽樣以及樣本異常值的判定和剔除，水化學(xué)組分含量分布類型檢驗等技術(shù)方法；用平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和含量范圍等特征值，對研究區(qū)潛水環(huán)境背景值進行描述，給出4個環(huán)境單元及研究區(qū)的10個項目的環(huán)境背景值。

（2）I 單元為地下水物質(zhì)成分的流失區(qū)，潛水環(huán)境背景值分布寬度最窄，各組分背景值均較低，水化學(xué)類型簡單；II 單元為由徑流流失向濃縮累積的過渡帶，潛水環(huán)境背景值分布寬度和各組分背景值均有所增加，水化學(xué)類型復(fù)雜；III 單元為潛水化學(xué)組分濃縮累積區(qū)，潛水環(huán)境背景值分布寬度和各組分背景值均達(dá)到最大，水化學(xué)類型最復(fù)雜。IV 區(qū)仍為濃縮富集區(qū)，因靠近黃河并與其產(chǎn)生一定的水力聯(lián)系，潛水環(huán)境背景值分布寬度和各組分背景值均有所下降。

（3）研究區(qū)潛水環(huán)境值在河湖積平原區(qū)最高，河漫灘和沖洪積平原區(qū)次之，洪積傾斜平原區(qū)最低，反映了地下水流的水文地球化學(xué)作用分帶特征，符合潛水演化的規(guī)律特征。各水化學(xué)組分低背景區(qū)主要分布于地下水徑流條件好、包氣帶阻水能力差的山前地帶，高背景區(qū)呈片狀、島狀和條帶狀分布于地下水徑流條件差、包氣帶阻水能力較好的黏砂土、砂黏土分布區(qū)。