青海省北川河流域地下水水化學(xué)特征與水質(zhì)評價

朱 亮, 劉景濤,2, 楊明楠,2, 劉春燕,2， 周 冰,3, 解 飛, 李 備

〔1.中國地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北 石家莊 050061; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局/河北省地下水污染機(jī)理與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050061; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083〕

地下水是中國水資源的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計中國20%左右的供水水源來自于地下水，地下水水質(zhì)狀況對保障供水安全、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義[1-2]。通過2005—2015年開展的全國地下水污染調(diào)查評價工作，基本掌握了東北平原、華北平原、長三角、珠三角、東南地區(qū)、西南地區(qū)、西北地區(qū)和西藏地區(qū)等主要平原盆地區(qū)的地下水水質(zhì)及污染狀況，根據(jù)近3萬組淺層地下水水質(zhì)評價的統(tǒng)計結(jié)果，大部分區(qū)域地下水樣品超標(biāo)率較大，其中，西北地區(qū)、東北地區(qū)的超標(biāo)率都在80%以上[3]。2019年，全國10 168個國家級地下水水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)中，Ⅰ—Ⅲ類水所占比例僅為14.4%[4]。以上水質(zhì)評價結(jié)果顯示中國區(qū)域地下水水質(zhì)超標(biāo)率高，這與我們普遍認(rèn)為的地下水水質(zhì)相對較好，可作為優(yōu)良的供水水源的大眾認(rèn)知相悖，這可能與評價方法的選取有關(guān)。不同評價方法的評價結(jié)果之間存在著一定程度的差異。從最直觀的單因子污染指數(shù)法[5]，到較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)和計算步驟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、模糊綜合評價法[7]、物元可拓法[8]、主成分分析法及綜合污染指數(shù)法等[9]，再到《區(qū)域地下水污染調(diào)查評價規(guī)范(DZT0288-2015)》推薦的層級階梯評價方法[10]，隨著水質(zhì)評價方法不斷改進(jìn)，對單個采樣點(diǎn)的水質(zhì)評價結(jié)果也更加科學(xué)，尤其是層級階梯評價方法，區(qū)分了人為污染和天然背景對水質(zhì)的影響作用，成為科學(xué)評價單點(diǎn)水質(zhì)及污染狀況的有效方法[11-12]。以上各種方法基本是針對單個采樣點(diǎn)水質(zhì)評價結(jié)果的改進(jìn)，而在區(qū)域地下水水質(zhì)狀況評價上，仍是簡單地基于單個采樣點(diǎn)水質(zhì)分類結(jié)果的數(shù)學(xué)統(tǒng)計。這種基于樣品點(diǎn)數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果，其問題在于只是將地下水樣品作為一個單純的環(huán)境要素，而忽略了不同樣品點(diǎn)的資源屬性，因此，不能從量的角度表達(dá)可用于供水的地下水水質(zhì)狀況。事實(shí)上，受水文地質(zhì)條件限制，一個區(qū)域內(nèi)水量豐富且水質(zhì)優(yōu)良的地下水分布面積往往不大，比如，在北方地區(qū)多集中分布在山前沖洪積扇的后緣或第四系厚度較大的河谷平原內(nèi)，在統(tǒng)一的采樣精度控制下，這些優(yōu)質(zhì)富水地帶的采樣點(diǎn)數(shù)量在整個區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)量中的比例非常小，因此，單純基于樣品點(diǎn)數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果就弱化了優(yōu)質(zhì)地下水富水帶在區(qū)域地下水水質(zhì)中的比重，這是導(dǎo)致目前區(qū)域地下水水質(zhì)評價結(jié)果中超標(biāo)率過高的關(guān)鍵。

本文結(jié)合“湟水河流域水文地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目中的地下水化學(xué)測試數(shù)據(jù)，在流域地下水水化學(xué)特征和水化學(xué)成因分析的基礎(chǔ)上探討劣質(zhì)地下水的分布和成因，進(jìn)一步結(jié)合單個地下水采樣點(diǎn)的水質(zhì)分類，提出基于富水性分區(qū)的區(qū)域地下水水質(zhì)表達(dá)方法，并在北川河流域地下水水質(zhì)評價中進(jìn)行檢驗(yàn)，旨在提高區(qū)域地下水水質(zhì)評價結(jié)果表達(dá)的科學(xué)性和應(yīng)對社會大眾對目前地下水超標(biāo)率過高的輿情具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

北川河位于青海省東部青藏高原與黃土高原的接壤地帶，是湟水河一級支流，黃河二級支流，全長149 km，流域總面積3 371 km2，地形上從西北向東南呈C字形，氣候上屬大陸性半干旱氣候，且具有典型的垂直分帶性。地貌類型上可分為基巖山區(qū)、黃土丘陵區(qū)和河谷平原區(qū)3種地貌單元?；鶐r山區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給地下水后沿構(gòu)造斷裂、裂隙運(yùn)移，大部分以泉的形式排泄于沖溝中，少部分以地下潛流的形式補(bǔ)給干流河谷潛水；黃土丘陵區(qū)地下水主要接受基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給及少量大氣降水入滲補(bǔ)給，一部分以溝間分水嶺為界，向兩側(cè)沖溝流泄，一部分順坡降向干流河谷平原區(qū)排泄，但由于徑流量較小，因此對干流河谷潛水無實(shí)際補(bǔ)給意義；河谷區(qū)潛水主要接受上游地下水徑流補(bǔ)給、河水滲漏補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給以及農(nóng)田灌溉水入滲補(bǔ)給，受基地起伏的影響，河谷潛水與河水互為補(bǔ)給和排泄，轉(zhuǎn)換頻繁，關(guān)系密切。

流域地下水資源量為4.60×108m3/a，其中河谷區(qū)面積占流域總面積的18.1%，而地下水資源量占流域地下水資源總量的50%左右。地下水水量極豐富和豐富的地段主要分布于大通縣以北至城關(guān)鎮(zhèn)及黃家寨至二十里鋪一帶的河漫灘和Ⅰ，Ⅱ級階地內(nèi)，含水層巖性均為第四系砂礫卵石層，地下水主要接受河水和地下徑流補(bǔ)給，多個地下水水源地均分布在該區(qū)域內(nèi)，供水量可達(dá)到2.00×105m3/d。

2 評價方法與評價數(shù)據(jù)

2.1 評價方法

假設(shè)一個區(qū)域內(nèi)的地下水采樣點(diǎn)數(shù)量為n個，其中，根據(jù)單個樣品點(diǎn)水質(zhì)的評價結(jié)果，第K(K=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)類水的數(shù)量為m個，目前所用的區(qū)域水質(zhì)表達(dá)方法中，第K類水所占比例即為m和n的比值?；诟凰苑旨壍膮^(qū)域地下水水質(zhì)表達(dá)方法中，依據(jù)富水性特征對單個樣品點(diǎn)的水質(zhì)類型賦予不同的系數(shù)，用地下水富水系數(shù)來表征不同樣品點(diǎn)所代表的地下水的供水能力，則第K類水的所占比例計算公式為：

(1)

式中：P為該區(qū)域K類水的比例(%)；γj為第j個K類水樣品點(diǎn)處地下水的富水系數(shù)；γi為第i個樣品點(diǎn)處地下水的富水系數(shù)；m為第K類水的數(shù)量；n為采樣點(diǎn)數(shù)量。

根據(jù)公式(1)計算的K類水的統(tǒng)計結(jié)果已經(jīng)不再是簡單的樣品點(diǎn)數(shù)量的比值，而是樣品點(diǎn)所代表的地下水供水能力的比值，該結(jié)果強(qiáng)化了優(yōu)質(zhì)地下水富水區(qū)在區(qū)域地下水水質(zhì)中所占的比重，能夠更好地從水量的角度表達(dá)區(qū)域地下水作為供水水源的水質(zhì)狀況。

2.2 評價數(shù)據(jù)

2019年在北川河流域開展水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，綜合考慮流域水文地質(zhì)條件、地下水開發(fā)利用狀況及主要污染源分布等，以滿足區(qū)域地下水水質(zhì)控制、兼顧主要污染源及重要地下水水源地的原則布設(shè)地下水采樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)類型包括居民分散開采井、集中供水水源井、地下水環(huán)境監(jiān)測井和天然出露的泉水。其中，地下水環(huán)境監(jiān)測井采樣時，提前一天進(jìn)行抽水洗井，第二天待水位恢復(fù)后再進(jìn)行取樣，其他采樣點(diǎn)則直接采樣。本次共采集地下水樣品189組，其中，丘陵山區(qū)96組，多以泉水的形式在溝谷坡腳及溝腦處出露，地下水類型包括基巖裂隙水、黃土底礫石潛水和碎屑巖類裂隙孔隙水；河谷平原區(qū)93組，地下水類型以砂卵礫石潛水為主，井深多在30 m以內(nèi)，地下水位埋深小于10 m。重金屬指標(biāo)加入0.1%體積的1∶1硝酸作為保護(hù)劑，揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)加入0.25%體積的1∶1鹽酸作為保護(hù)劑。有機(jī)測試樣品采集后放入保溫箱冷藏保存，并在7 d之內(nèi)送至實(shí)驗(yàn)室完成前處理。所有樣品由自然資源部地下水礦泉水與環(huán)境檢測中心測試完成，測試指標(biāo)共66項(xiàng)，包括無機(jī)28項(xiàng)、微量有機(jī)38項(xiàng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水化學(xué)特征

表1 北川河流域主要地下水化學(xué)組分統(tǒng)計結(jié)果

圖1 北川河流域地下水化學(xué)Piper圖

3.1.2 水化學(xué)成因及主要離子的來源分析 Gibbs圖通過TDS與Na+，Ca2+的摩爾比值{ρ(Na+)/〔ρ(Na+)+ρ(Ca2+)〕}的關(guān)系可以指示大氣降水、蒸發(fā)濃縮及巖石風(fēng)化溶解作用對水化學(xué)過程的控制作用[16]。

從本次地下水Gibbs圖中可以看出(圖2)，總體上流域內(nèi)的地下水樣品點(diǎn)主要集中在模型的中部，其次是中上部，這一分布特征表明，研究區(qū)地下水水化學(xué)特征主要受巖石風(fēng)化作用控制，其次是蒸發(fā)濃縮作用控制，其中，丘陵山區(qū)與河谷平原區(qū)地下水ρ(Na+)/ρ(Na+)+ρ(Ca2+)>0.5的樣品比例分別為9.3%和27.5%，說明蒸發(fā)濃縮作用對河谷平原區(qū)地下水的控制作用明顯大于丘陵山區(qū)，這與河谷區(qū)地下水埋深淺、蒸發(fā)強(qiáng)度大等因素相關(guān)。

圖2 北川河流域地下水化學(xué)Gibbs圖

圖3 北川河流域地下水化學(xué)端元比值

3.2 地下水質(zhì)量空間分布

依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-2017)》中的水化學(xué)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)，采用單指標(biāo)評價方法對189個地下水中樣品進(jìn)行水質(zhì)分類，結(jié)果顯示(圖5)，全區(qū)未超標(biāo)的地下水樣品點(diǎn)109組，主要分布在外圍的基巖山區(qū)和干流上游及各大支流河谷區(qū)，這些地區(qū)降水充分，地下水接受大氣降水補(bǔ)給后以泉水的形式排泄，地下水徑流路徑短、循環(huán)周期快，不利于礦物元素在地下水中的富集；另外，在中下游的石家莊水源地、塔爾水源地等傍河水源地開采段，第四系松散沉積層厚度大，河水大量入滲形成了地下水最主要的補(bǔ)給源，由于河水水質(zhì)優(yōu)良且河谷階地上無明顯的污染源分布，因此，在這些區(qū)段河谷區(qū)形成了水量豐富的優(yōu)質(zhì)地下水水源。

圖4 北川河流域地下水主要離子的比值關(guān)系

全區(qū)共有超標(biāo)樣品點(diǎn)80個，其中，丘陵山區(qū)和河谷平原區(qū)超標(biāo)點(diǎn)數(shù)量分別為26個和54個，超標(biāo)點(diǎn)主要分布在中下游河谷區(qū)、兩岸的黃土丘陵地區(qū)以及上游支流寶庫河、黑林河兩岸的基巖山區(qū)(圖5)。

圖5 北川河流域地下水水質(zhì)等級分布

超標(biāo)指標(biāo)包括鋁、鐵、總硬度、硫酸根、溶解性總固體、鈉、錳、氯離子、耗氧量等9項(xiàng)無機(jī)常規(guī)指標(biāo)，硼、氟、鉛、砷、硝酸根、銨根、六價鉻等7項(xiàng)無機(jī)毒理指標(biāo)和氯乙烯、四氯化碳、苯并(a)芘等3項(xiàng)微量有機(jī)質(zhì)標(biāo)，從各指標(biāo)的超標(biāo)貢獻(xiàn)率(圖6)可以看出，鋁、鐵、總硬度、硼、硫酸根、溶解性總固體等的超標(biāo)貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)，這些指標(biāo)一般來源于地層中礦物成分的溶解、富集，說明天然背景值是決定北川河流域地下水質(zhì)量超標(biāo)程度的主要指標(biāo)；各指標(biāo)在河谷區(qū)的超標(biāo)貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于丘陵山區(qū)，這一方面是由于河谷區(qū)地下水礦物元素隨徑流路徑的增加而富集，另一方面，河谷區(qū)的人類活動污染物排放加劇了地下水水質(zhì)惡化，尤其是在大通縣城以南的河谷區(qū)內(nèi)，由于階地中后緣分布著眾多的化工、冶金等重污染企業(yè)，且在基底抬升的作用下上游河谷區(qū)地下水開始溢出補(bǔ)給河水，水位埋深變淺，在徑流過程中極易受地表污染物入滲影響，導(dǎo)致整個河谷區(qū)地下水出現(xiàn)不同程度的污染，河谷區(qū)地下水中鉛、四氯化碳、硝酸根、氯乙烯等典型污染指標(biāo)的超標(biāo)貢獻(xiàn)率明顯大于丘陵山區(qū)，且這些污染指標(biāo)與周邊的主要污染源類型相一致，這也是人類活動加劇河谷區(qū)地下水水質(zhì)惡化的直接證據(jù)。

圖6 北川河流域不同地貌單元水化學(xué)指標(biāo)超標(biāo)貢獻(xiàn)率

3.3 基于資源屬性的水質(zhì)評價

按照目前基于樣品點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行區(qū)域水質(zhì)評價的統(tǒng)計方法，北川河流域丘陵山區(qū)和河谷平原區(qū)地下水超標(biāo)率為分別為27.1%，57.0%。這一評價結(jié)果表示的是不同地貌單元上超標(biāo)地下水的分布狀況，其問題在于僅將地下水作為一個單一的環(huán)境要素來看待，未能從水量層面上反映地下水的資源屬性，而基于地下水富水性分級的區(qū)域水質(zhì)評價方法則能夠解決上述問題。

公式(1)中，地下水富水系數(shù)γ是根據(jù)地下水富水性分級進(jìn)行賦值的。由于在地下水富水性分區(qū)圖上,河谷平原區(qū)和丘陵山區(qū)地下水富水性分級的計量單位不同且無法進(jìn)行統(tǒng)一,所以,不同區(qū)域采用不同的富水系數(shù)賦值體系。河谷平原區(qū)單井涌水量<100,100～1 000,1 000～5 000,>5 000 m3/d的水井采樣點(diǎn)數(shù)量所占比例分別為51.6%,30.1%,12.9%和5.4%,結(jié)合收集的鉆孔抽水試驗(yàn)資料,按照不同富水性等級內(nèi)的單井涌水量特征值的大小,將河谷區(qū)平原區(qū)不同地下水富水性分級的富水系數(shù)分別賦值為1,10,50,120;泉水采樣點(diǎn)中,流量<0.1,0.1～1,>1 L/s的泉點(diǎn)所占比例分別為11.5%,73.9%和14.6%,其中流量>1 L/s的泉多為黃土底礫石大泉或泉群,流量多大于3 L/s。例如，三角鎮(zhèn)山前泉群流量為11.6 L/s,結(jié)合泉流量大小,將丘陵山區(qū)地下水富水系數(shù)分別賦值為1,5和30,并對各富水分區(qū)內(nèi)的樣品點(diǎn)進(jìn)行逐一篩選統(tǒng)計(表2)。

表2 研究區(qū)地下水富水系數(shù)賦值

在使用單指標(biāo)評價方法評價得到的各地下水樣品點(diǎn)水質(zhì)分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用目前常用的基于樣品點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計的方法計算得到河谷平原區(qū)和丘陵山區(qū)地下水超標(biāo)率分別為57.4%和26.3%，全區(qū)地下水超標(biāo)率為41.8%。根據(jù)本文提出的基于地下水富水性分區(qū)的改進(jìn)方法計算得到河谷平原區(qū)和丘陵山區(qū)地下水超標(biāo)率分別為29.4%和12.0%。按照河谷平原區(qū)和丘陵山區(qū)地下水資源數(shù)量基本相當(dāng)?shù)谋壤龘Q算，全區(qū)地下水超標(biāo)率僅為20.7%(表3)。從數(shù)值上來看，使用該方法的地下水質(zhì)評價結(jié)果中超標(biāo)率基本是常規(guī)方法計算結(jié)果的1/2，而且結(jié)合富水性分級的評價結(jié)果突出了地下水的資源屬性。

表3 不同計算方法的區(qū)域水質(zhì)超標(biāo)率對比

4 結(jié) 論

(1) 北川河流域地下水化學(xué)受天然背景和人為因素控制，具有明顯的空間分布特征。中上游的丘陵山區(qū)和河谷平原區(qū)廣泛分布HCO3-Ca型淡水，下游紅層丘陵區(qū)和河谷平原區(qū)受含石膏地層及污染物排放的影響，出現(xiàn)SO4·Cl-Na型的微咸水、咸水及水Cl-Na型淡水；丘陵山區(qū)地下水化學(xué)組分主要以硅酸鹽巖風(fēng)化溶解為主，河谷平原區(qū)受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風(fēng)化溶解共同控制，局部區(qū)域在蒸發(fā)濃縮作用下富集。

(2) 北川河流域超標(biāo)地下水分布范圍較廣，但重要地下水水源地均符合Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)優(yōu)良。水質(zhì)超標(biāo)的主要影響指標(biāo)為鋁、鐵、總硬度、氟、硼等天然背景指標(biāo)，鉛、四氯化碳、硝酸根等人為污染指標(biāo)集中在城鎮(zhèn)及工礦企業(yè)周邊，局部呈重金屬、有機(jī)物等多指標(biāo)的復(fù)合污染態(tài)勢。

(3) 本文提出的基于地下水富水性分區(qū)的區(qū)域地下水水質(zhì)表達(dá)方法實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)評價和水量的結(jié)合。與目前單純基于樣品點(diǎn)數(shù)量的超標(biāo)率統(tǒng)計結(jié)果相比，一方面，該方法依據(jù)富水性特征對單個樣品點(diǎn)的水質(zhì)類型賦予不同的系數(shù)，據(jù)此得到的地下水水質(zhì)統(tǒng)計結(jié)果所表達(dá)的意義更加符合地下水資源屬性。另一方面，該方法突出了大型優(yōu)質(zhì)地下水水源地在區(qū)域地下水資源評價中的比重，降低了區(qū)域地下水水質(zhì)超標(biāo)率的統(tǒng)計數(shù)值，有效解決了目前評價結(jié)果中超標(biāo)率普遍較高的問題，可以作為區(qū)域地下水水質(zhì)評價的一種參考方法。