灌區(qū)地下水作為生活飲用水的適宜性演變規(guī)律分析

劉中培，張冬青，韓宇平，馮邵依，冷靜

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.“煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038)

人民勝利渠灌區(qū)是一個(gè)大型引黃自流灌區(qū)，在建設(shè)初期主要以農(nóng)業(yè)灌溉用水為主，用水模式比較單一，后期不斷發(fā)展，逐漸成為城鄉(xiāng)工業(yè)用水、生活用水、灌溉用水等多功能用水區(qū)域[1]。隨著灌區(qū)用水需求的變化以及地下水開(kāi)采量的增加，為保障地下水資源合理開(kāi)采利用和生活飲用水的安全性，研究該灌區(qū)地下水的生活飲用水的適宜性顯得尤其重要。

目前，已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水作為生活飲用水的適宜性進(jìn)行了研究：PANASKAR B等(2016)在印度的Nanded Tehsil地區(qū)采用GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)地下水作為生活用水、灌溉用水、工業(yè)用水的適宜性進(jìn)行了分析[2]；BOUDERBALA A等(2017)在阿爾及利亞北部的Low-Isse沖積平原對(duì)地下水作為生活用水和灌溉用水的適宜性進(jìn)行了評(píng)估，利用水質(zhì)指數(shù)(Water Quality Index,WQI)判斷地下水的飲用適宜性[3]；MOHAMMED A等(2020)對(duì)印度卡納塔克邦的Aland Taluk半干旱地區(qū)生活用水、灌溉用水的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，從各主要離子變化的角度分析了該地區(qū)地下水是否能作為生活飲用水[4]；王昭等(2009)在華北平原地下水水質(zhì)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)了該地下水水質(zhì)狀況，對(duì)水中主要有機(jī)和無(wú)機(jī)組分在區(qū)域上的分布特征及可能來(lái)源進(jìn)行了分析，給出了地下水飲用適宜性的評(píng)價(jià)意見(jiàn)[5]；康劍等(2015)采用單項(xiàng)組分和綜合評(píng)價(jià)等方法對(duì)蓋孜河擬選水源地地下水作為生活飲用水的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[6]；阿提卡木·阿布來(lái)提(2020)選用當(dāng)前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的改進(jìn)層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)方法、模糊數(shù)學(xué)方法、F值評(píng)價(jià)法和指標(biāo)分類(lèi)綜合法4種水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法，分析喀什地區(qū)地下水作為生活用水的適宜性[7]。這些已有研究主要是對(duì)地下水作為生活用水的適宜性進(jìn)行研究，而對(duì)地下水作為生活用水適宜性演變過(guò)程的研究相對(duì)較少。因此，本文重點(diǎn)探討地下水作為生活飲用水方面的適宜性演變過(guò)程，從而為灌區(qū)地下水資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

人民勝利渠灌區(qū)位于河南省新鄉(xiāng)市境內(nèi)，東經(jīng)113°31′～114°25′、北緯 35°0′～35°30′，灌區(qū)橫跨7縣1市。灌區(qū)主要發(fā)展農(nóng)業(yè)，種植小麥、棉花、玉米、水稻、油菜、花生等農(nóng)作物，播種總面積達(dá)226.13萬(wàn)畝[8]。灌區(qū)內(nèi)如新鄉(xiāng)、小冀等城鎮(zhèn)的工業(yè)和城市生活區(qū)比較集中，至2002年，這些區(qū)域的地下水供給量占總供給量的一半[9]。根據(jù)灌區(qū)含水層組的埋藏條件，可將研究區(qū)含水層組劃分為淺層含水組、中深層含水組和深層含水組[1]；淺層含水組厚度從南到北逐漸變薄，底板埋深為40～60 m，含水介質(zhì)主要是粗砂、中砂和粉細(xì)砂。灌區(qū)地下水流向和地面坡向一致，從西南流向東北方向[2]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 2016年取樣點(diǎn)位置分布圖(圖中“人民灌區(qū)”指“人民勝利渠灌區(qū)”)

2.2 研究方法

對(duì)地下水作為生活飲用水適宜性的空間演變特征分析時(shí)，利用ArcGIS 10.2空間分析功能顯示出不同年份超標(biāo)指標(biāo)的空間分布，插值方法采用反距離插值法；對(duì)地下水作為生活飲用水適宜性的時(shí)間演變特征分析時(shí)，主要選取代表點(diǎn)分析所選取指標(biāo)的年際變化規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水水化學(xué)成分特征

表1 研究區(qū)地下水水質(zhì)指標(biāo)豐、枯水期的描述統(tǒng)計(jì)與對(duì)比

3.2 主要離子及TDS對(duì)生活飲用水適宜性影響的空間演變

選擇1996年、2001年、2006年、2011年及2016年為代表年，分析在這5個(gè)代表年份，研究區(qū)的地下水作為生活飲用水的適宜性演變過(guò)程，各年份地下水指標(biāo)超標(biāo)個(gè)數(shù)的空間分布如圖2所示。

圖2 研究區(qū)各代表年地下水中超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)的空間分布

由圖2可知：2011年以前，該區(qū)地下水水質(zhì)超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)分布具有空間相似性，超標(biāo)區(qū)域主要集中在灌區(qū)偏西北區(qū)域，該區(qū)地下水不適宜作為生活飲用水，除個(gè)別水樣點(diǎn)外，研究區(qū)的西南及東部水質(zhì)較好，該區(qū)地下水適宜作為生活飲用水；從1996年開(kāi)始，西北部地區(qū)地下水水質(zhì)超標(biāo)區(qū)域開(kāi)始向中部逐漸擴(kuò)大，2001年、2006年、2011年該區(qū)地下水水質(zhì)超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)為3～4個(gè)和1～2個(gè)的區(qū)域均比1996年的明顯增加，說(shuō)明該區(qū)地下水水質(zhì)有惡化趨勢(shì)，總體呈現(xiàn)向越來(lái)越不適宜作為生活飲用水的方向發(fā)展；該區(qū)地下水水質(zhì)超標(biāo)范圍明顯擴(kuò)大，水樣中超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)明顯增加，說(shuō)明該區(qū)地下水水質(zhì)惡化趨勢(shì)明顯；地下水水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)3～4個(gè)和1～2個(gè)的區(qū)域均呈條帶狀向兩側(cè)擴(kuò)展，并且已擴(kuò)展到研究區(qū)西南及東北邊界，地下水不適宜作為生活用水的區(qū)域面積約占一半以上。

3.3 主要離子及TDS對(duì)生活飲用水適宜性影響的時(shí)間演變

在地下水水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重的北部地區(qū)和一般超標(biāo)的中東部地區(qū)分別選取G08和G16取樣點(diǎn)(圖1)為典型觀測(cè)井，分析地下水作為生活飲用水適宜性的時(shí)間演變過(guò)程，地下水中7種主要離子及TDS的質(zhì)量濃度年際變化分別如圖3和圖4所示。

圖4 G16采樣點(diǎn)水樣水化學(xué)指標(biāo)的年際變化過(guò)程

圖3 G08采樣點(diǎn)水樣的水化學(xué)指標(biāo)年際變化過(guò)程

3.4 其他指標(biāo)對(duì)生活飲用水適宜性的影響

表2 2016年研究區(qū)地下水中其他指標(biāo)超標(biāo)點(diǎn)分布情況

1)研究區(qū)各取樣點(diǎn)水樣中的pH值均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，說(shuō)明研究區(qū)地下水在酸堿度方面適于飲用。

2)2016年，除了取樣點(diǎn)G03、G04及G15水樣中的總硬度(TH)值未出現(xiàn)超標(biāo)外，其他取樣點(diǎn)水樣中的均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。結(jié)合圖1和圖2，地下水中TH值未超標(biāo)的區(qū)域主要分布于研究區(qū)南部和東部，而且南部除了取樣點(diǎn)G03、G04外，大部分取樣點(diǎn)水樣中的TH值出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象，說(shuō)明研究區(qū)大部分地區(qū)地下水不適宜作為生活飲用水。

3)CODMn的質(zhì)量濃度僅在G01、G11、G16及G18取樣點(diǎn)水樣中出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

總體來(lái)看，研究區(qū)地下水作為生活飲用水的適宜性受到其他離子質(zhì)量濃度的影響，在綜合考慮多個(gè)指標(biāo)時(shí)，研究區(qū)除G03、G04及G15取樣點(diǎn)外，其他地區(qū)地下水不適宜作為飲用水。

4 結(jié)論

1)從1996年到2016年，研究區(qū)地下水水質(zhì)超標(biāo)范圍明顯擴(kuò)大，水樣中超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)明顯增加，地下水水質(zhì)惡化趨勢(shì)明顯，總體呈現(xiàn)向越來(lái)越不適宜作為生活飲用水的方向發(fā)展，至2016年，地下水水質(zhì)超標(biāo)區(qū)域呈條帶狀向兩側(cè)擴(kuò)展至西南及東北邊界，地下水不適宜作為生活飲用水的區(qū)域面積約占一半以上。

3)研究區(qū)水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)區(qū)域基本為多指標(biāo)復(fù)合超標(biāo)，而非單指標(biāo)超標(biāo)。