高寒區(qū)典型流域地下水化學特征、影響因素及健康風險

沈回歸，饒文波，譚紅兵，郭宏業(yè)，溫 川，張西營，拓萬全

(1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100； 2.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810008；3.青海省水文水資源測報中心格爾木分中心，青海 格爾木 816099；4.中國科學院青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008； 5.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000)

過去幾十年，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，工礦企業(yè)大量的廢水排放、不合理的農(nóng)業(yè)活動(施肥、殺蟲等)及混亂的生活污水傾倒等現(xiàn)象日益加劇，中國地下水水質(zhì)明顯下降[1]。近年來，隨著“一帶一路”倡儀的實施和西部大開發(fā)進程的推進，這一問題在中國高寒的西北地區(qū)逐漸顯現(xiàn)[2]。地下水是中國西北地區(qū)水資源的關鍵組成部分，絕大部分居民飲水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)需水都依賴于地下水[3-6]。由于降水少、蒸發(fā)大，西北地區(qū)干旱缺水，其地下水水質(zhì)的下降甚至惡化使得該地區(qū)的用水形勢更加嚴峻。同時，地下水水質(zhì)下降對人體健康和生態(tài)環(huán)境構成了潛在風險[7-9]。因此，開展高寒缺水地區(qū)的地下水水質(zhì)研究十分必要且極為緊迫。

圖1 格爾木河流域及地下水取樣點分布Fig.1 Map of Golmud River Watershed and groundwater sampling locations

迄今為止，對地下水水質(zhì)的研究已取得了大量成果[10-13]。如：劉江濤等[10]利用Piper圖、Schoeller圖等圖解法開展沁河沖洪積扇地區(qū)地下水化學特征研究，認為礦物風化、離子交換和蒸發(fā)作用是其重要的控制因素；方運海等[12]利用模糊綜合優(yōu)化模型開展青島市大沽河地區(qū)地下水水質(zhì)評價，發(fā)現(xiàn)水源地南部地區(qū)地下水水質(zhì)較差；張勇等[7]利用健康風險評估模型開展蕎麥地流域地下水對人體健康的風險評估，指出當?shù)谻r的健康風險最高。這些研究成果大大提高了對地下水水質(zhì)演變規(guī)律及影響機制的認識，但高寒區(qū)相關研究還比較薄弱[11-12]。

1 研究區(qū)概況

格爾木河流域位于中國青藏高原柴達木盆地南緣(92°30′E～96°57′E，34°59′N～37°42′N)，流域面積約45 000 km2[17]，海拔2 442～6 212 m，地勢由南向北逐漸降低(圖1)。該流域氣候干旱少雨、蒸發(fā)強烈，年均降水量約42.47 mm，約70%集中在6—8月，年平均蒸發(fā)量為1 540.95 mm[14]。格爾木河是柴達木盆地內(nèi)的第二大河流，發(fā)源于東昆侖北坡，其上游主要由西支昆侖河和東支雪水河構成，由南向北進入格爾木市區(qū)后分為東、西兩支，最終注入達布遜湖(圖1)。

格爾木河流域地下水系統(tǒng)呈環(huán)帶狀結構[18]，從上游至達布遜湖依據(jù)地貌差異可劃分為幾個子區(qū)域：山區(qū)、沖洪積扇帶、細土平原溢出帶、湖積平原帶(圖1)。沖洪積扇帶存在巨厚的礫卵石層，為強富水淡-微咸水潛水深藏帶。細土平原溢出帶含水層以多層狀砂礫石為主，為中等富水淡-微咸潛水、半承壓水-自流水交疊帶。湖積平原帶含水層厚度薄，巖性以粉砂、礫巖為主，鹽類富集，為微咸潛水及半承壓咸-鹵水潛埋帶[16]。

流域人口主要集中在格爾木市(圖1)。格爾木市是柴達木盆地的新興石化、鹽化工業(yè)重鎮(zhèn)，2019年人口總數(shù)約13.8萬人。該市工農(nóng)業(yè)較發(fā)達，2019年GDP為398.07億元，農(nóng)業(yè)主要分布在河東、河西農(nóng)場，工業(yè)園坐落于格爾木市區(qū)的東南部[19]。該流域多年平均地下水資源量為6.35億m3，可開采量為1.46億 m3/a，約占水資源總量的23%，為工農(nóng)業(yè)及居民生活等用水提供了重要支撐[19]。

2 研 究 方 法

2.1 樣品采集與測試方法

分別于2019年融雪期(4月)、豐水期(7月)和枯水期(12月)在格爾木河流域采集地下水樣品，其中潛水50組，承壓水44組。取樣前洗井，電導率(EC)保持穩(wěn)定后采樣。樣品運回實驗室經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后倒入清洗好的500 mL高密度聚乙烯瓶，采用分子生化級封口膜對瓶口密封，貼好標簽。樣品采集后保存于4℃的冰箱內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件統(tǒng)計地下水化學數(shù)據(jù)。采用Surfer13軟件繪制不同季節(jié)主要化學和水質(zhì)指標的空間變化圖。采用Origin2021b繪制Gibbs圖和離子比值圖。

2.3 熵權水質(zhì)指數(shù)

熵權水質(zhì)指數(shù)評價方法是將信息熵引入水質(zhì)指標中的一種定量評價方法，可以避免主觀因素的影響，相較于傳統(tǒng)評價方法，其獲得的結果更合理[20]。熵權水質(zhì)指數(shù)X的計算公式為

(1)

式中：m為地下水樣品數(shù)量；Wj為利用公式客觀分配的第j個評估參數(shù)權重，能反映每個參數(shù)對人體健康的重要性和影響，具體計算公式見文獻[20]；Cj為第j個評估參數(shù)濃度；sj為第j個評估參數(shù)在GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中的標準值；qj為水化學指標定量分級尺度。根據(jù)X值將水質(zhì)分為5類：優(yōu)秀(X≤50)、良好(50200)[20]。

2.4 人類健康風險評估

美國環(huán)境保護局提出的健康風險評估數(shù)學(HHRA)模型考慮了不同的人群和暴露途徑，可客觀識別污染物風險，已被廣泛應用于地下水潛在風險評估[4]。HHRA模型采用以下公式計算健康風險：

(2)

表1 人類健康風險評估中涉及的暴露參數(shù)

3 結果與分析

3.1 地下水化學特征

格爾木河流域地下水pH值在8.09～10.79之間，呈弱堿至強堿性，見表2。TDS在融雪期、豐水期和枯水期的質(zhì)量濃度變化都較大，其范圍分別為254～963 mg/L、244～2 200 mg/L和238～2 165 mg/L，隨沿程增加而增大。這與王宇航[11]的研究結果類似；TH質(zhì)量濃度在24.9～727.3 mg/L之間，值得注意的是融雪期、豐水期和枯水期樣品的TH質(zhì)量濃度超均過我國飲用水標準。

表2 格爾木河流域地下水化學參數(shù)統(tǒng)計

圖2 格爾木河流域地下水化學Durov圖Fig.2 Durov diagram of groundwater chemistry in Golmud River Watershed

3.2 地下水主要離子的空間與季節(jié)特征

圖3 不同時期格爾木河流域地下水主要離子質(zhì)量濃度的空間變化(單位：mg/L)Fig.3 Spatial variation of major ion concentrations of groundwater in Golmud River Watershed during different periods (unit: mg/L)

3.3 地下水化學影響因素

3.3.1 自然因素

如圖4所示，融雪期、豐水期和枯水期樣品點落在水巖作用和蒸發(fā)-結晶作用區(qū)域，表明流域地下水化學特征主要受水巖作用和蒸發(fā)-結晶作用的影響[11，16]。山區(qū)潛水樣品落在圖4中部，受水巖作用影響。沖洪積扇帶潛水大部分在水巖作用區(qū)域，少數(shù)在蒸發(fā)-結晶作用范圍，表明其主導因素由水巖作用向蒸發(fā)-結晶作用過渡。細土平原溢出帶潛水樣品多數(shù)落在蒸發(fā)-結晶作用范圍，這與該區(qū)域潛水埋深淺、蒸發(fā)-結晶作用強有關。細土平原溢出帶和湖積平原帶承壓水樣品基本在圖4中部，表明承壓水化學特征僅與水巖作用有關[11]。落在虛線外的樣品點可能受人為因素的影響。

圖4 格爾木河流域地下水化學Gibbs圖Fig.4 Gibbs diagram of groundwater chemistry in Golmud River Watershed

離子比值有助于加深了解地下水地球化學過程[25]。如圖5(a)所示，從上游至下游大部分樣品在硅酸鹽端元附近，這與格爾木河流域基巖以花崗巖、輝綠巖為主的地質(zhì)巖性相吻合[17]。沖洪積扇帶和細土平原溢出帶少部分潛水樣品靠近蒸發(fā)鹽端元，受蒸發(fā)或蒸發(fā)鹽影響[11]。多數(shù)樣品沿Na+與Cl-濃度的1∶1線下方分布(圖5(b))，表明過量Na+與硅酸鹽風化有關[25]。

如圖5(c)所示，多數(shù)地下水樣品沿1∶1線分布，表明陽離子交換過程對地下水化學性質(zhì)有影響。氯堿指數(shù)(CAI-1和 CAI-2)已被證明可作為確定陽離子交換的方式[26]。研究區(qū)大部分樣品CAI值為正(圖5(d))，表明地下水系統(tǒng)中正向陽離子交換反應的存在[27]。

圖5 格爾木河流域地下水中主要離子之間關系Fig.5 Relationship between major ions in the groundwater of Golmud River Watershed

3.3.2 人為因素

3.4 水質(zhì)評價

根據(jù)鹽度危害和鈉吸附比進行灌溉水水質(zhì)評價，結果見圖6(a)。由圖6(a)可見，灌溉水鹽分過高會影響土壤結構，使農(nóng)作物難以生長，甚至會危害人體健康[11]。應用美國鹽度實驗圖(USSL)的分類方法對格爾木河流域地下水水質(zhì)進行評價。融雪期、豐水期和枯水期地下水鈉吸附比值分別在5.0～117.6、8.0～118.7和8.0～121.3之間。65%的承壓水樣品在C2S2區(qū)域，水質(zhì)良好，適合灌溉半耐鹽植物[3]。其余承壓水樣品落在C2S3(49.4%)、C2S4(8.9%)和C3S4(6.7%)高堿度或高鹽度危險區(qū)，不適合灌溉。

圖6 地下水水質(zhì)評價結果Fig.6 Eva luation results of groundwater quality

根據(jù)TH和TDS對地下水進行飲用水水質(zhì)評價，結果見圖6(b)。由圖6(b)可見，潛水水質(zhì)明顯劣于承壓水，一部分山區(qū)潛水樣品在C2S1和C2S2區(qū)，水質(zhì)中等良好，84%的潛水具有高鹽度甚至極高鹽度危害，不適合作為灌溉水源。值得注意的是，潛水水質(zhì)從上游至下游逐漸變差，與中下游區(qū)域農(nóng)業(yè)活動密集有關。

高寒流域，地下水除了用于灌溉，更重要的是為當?shù)鼐用裉峁╋嬘盟?。根?jù)TH和TDS對地下水水質(zhì)進行評估，結果(圖7)表明：融雪期，10.3%的地下水為軟淡水，62.1%為微硬淡水；豐水期，15.2%的地下水為軟淡水，51.5%的為微硬淡水；枯水期，81.3%的地下水為軟淡水，15.2%為微硬淡水；融雪期、豐水期和枯水期27.6%、33.3%和6.1%的地下水為硬至極硬的微咸水，主要為細土平原溢出帶潛水。

圖7 不同時期格爾木河流域地下水水質(zhì)指標的空間變化Fig.7 Spatial variations of groundwater quality index in Golmud River Watershed during different periods

3.5 人類健康風險評估

表3 人類健康風險評估結果

4 結 論

c.流域大部分潛水不適合灌溉，細土平原溢出帶的少數(shù)潛水不適合飲用。總體上，潛水水質(zhì)枯水期比豐水期差，融雪期最佳，上游優(yōu)于下游，差于承壓水。