新疆巴里坤-伊吾盆地平原區(qū)地下水無機(jī)組分環(huán)境背景值厘定及來源分析

摘" "要：為合理開發(fā)利用與保護(hù)巴里坤-伊吾盆地地下水，使用熵權(quán)水質(zhì)指數(shù)法對該盆地平原區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行適宜性評價(jià)，并對地下水無機(jī)指標(biāo)環(huán)境背景值進(jìn)行厘定和污染程度評價(jià)，最后使用絕對主成分-多元線性回歸模型對主要無機(jī)指標(biāo)進(jìn)行來源分析。結(jié)果表明：10%以下的地下水樣本水質(zhì)較差，不適合飲用，其中對水質(zhì)影響較大的無機(jī)指標(biāo)為Na+、SO42-和TDS，次為Cl-、NO3--N、Ca2+、TH、Mg2+和K+。來源分析結(jié)果表明，TH、TDS、K、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-主要受到鹽巖風(fēng)化溶解作用和陰陽離子交換作用的影響，F(xiàn)-主要源于螢石的溶解，NO3--N主要來源于人類活動(dòng)中農(nóng)業(yè)活動(dòng)的污染。

關(guān)鍵詞：巴里坤-伊吾盆地；地下水；環(huán)境背景值；來源分析

地下水是干旱與半干旱地區(qū)居民生活用水、農(nóng)業(yè)用水及工業(yè)用水的主要來源[1]。受自然因素和人為因素共同影響，地下水中的無機(jī)組分含量增高。由于地下水無機(jī)污染物不可見性、頑固性和毒理性，長期飲用會(huì)嚴(yán)重威脅人體健康，因此亟需建立一個(gè)科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)判定地下水是否受到污染或受污染程度，即地下水環(huán)境背景值[2]。

地下水環(huán)境背景值是指地下水中各組分在幾乎不受污染情況下的濃度[3]，目前國內(nèi)外已有許多學(xué)者開展了地下水環(huán)境背景值研究，采用方法主要有盒須圖法、概率圖法、平均值法、歷時(shí)曲線法、比擬法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等[4-9]，其中數(shù)理統(tǒng)計(jì)法較其他方法更為充分地考慮了數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)，在我國應(yīng)用較為廣泛[10-12]。

巴里坤-伊吾盆地是新疆天山東部的山間斷陷盆地，受地理位置限制與氣候影響，該地區(qū)降水量和地表水資源量較少，區(qū)內(nèi)地下水廣泛應(yīng)用于居民生活、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對巴里坤-伊吾盆地人類活動(dòng)較頻繁的平原區(qū)地下水環(huán)境背景值進(jìn)行厘定并基于環(huán)境背景值對地下水污染程度進(jìn)行評價(jià)，基于Gibbs圖對地下水主要控制因素進(jìn)行分析，并使用絕對主成分-多元線性回歸模型（APCS-MLR）對地下水主要無機(jī)指標(biāo)進(jìn)行來源解析，對當(dāng)?shù)氐叵滤_發(fā)與保護(hù)具重要指導(dǎo)作用。

1" 材料與方法

1.1" 研究區(qū)概況

巴里坤-伊吾盆地隸屬新疆東部的哈密市，行政區(qū)包括伊吾縣與巴里坤縣。巴里坤-伊吾盆地?fù)碛小叭綂A兩盆”的地勢特點(diǎn)。氣候?qū)贉貛Ц珊禋夂颍臒?，晝夜溫差較大，降雨量較少，降雨多集中在夏季，蒸發(fā)強(qiáng)烈，山區(qū)年平均降水量約500 mm，年平均蒸發(fā)量高達(dá)1 100 mm，平原區(qū)年平均降水量約30 mm，年平均蒸發(fā)量約2 300 mm[13]。

盆地內(nèi)地面沉積物多為第四系沉積物，厚度由南向北遞減，地下水類型包括松散巖類孔隙水（含潛水和承壓水）、碎屑巖裂隙孔隙水、基巖裂隙水（塊狀巖類裂隙水、層狀巖類裂隙水和輕變質(zhì)巖類裂隙水）、上覆第四系潛水、下伏裂隙空隙層間水和凍結(jié)層水（圖1），含水層巖性包含卵礫石、砂礫石和含礫中細(xì)砂等。巴里坤盆地分布埋藏了松散巖類孔隙潛水和第四系承壓水二層地下水含水層，三塘湖伊吾盆地分布松散巖類孔隙潛水、碎屑巖孔隙-裂隙承壓水和碎屑巖類孔隙-裂隙水三層水。地下水主要補(bǔ)給來源為降水入滲補(bǔ)給和地表水滲透補(bǔ)給；主要排泄方式為人工排泄、泉水溢出及潛水蒸發(fā)等。

1.2" 樣品采集

2022年8月采集巴里坤-伊吾盆地平原區(qū)42組地下水水樣，參照《地下水監(jiān)測規(guī)范》（SL 183-2005）對采樣點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，水樣的采集、保存和運(yùn)送標(biāo)準(zhǔn)參考《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價(jià)規(guī)范》（DD 2008-01）。

1.3" 研究方法

1.3.1" 污染評價(jià)

熵權(quán)水質(zhì)指數(shù)法（EWQI）常應(yīng)用于水質(zhì)評價(jià)，采用EWQI對水質(zhì)指標(biāo)的熵值進(jìn)行計(jì)算，指標(biāo)熵值越小，表明離散程度越大，其權(quán)重越大，以此可消弱權(quán)重計(jì)算過程中的主觀影響。通過EWQI確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，將地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可代表水質(zhì)狀況的值，并根據(jù)表1對水質(zhì)進(jìn)行等級劃分[14，15]。

1.3.2" 無機(jī)指標(biāo)背景值厘定

異常值的識別是開展地下水無機(jī)指標(biāo)背景值研究的重要基礎(chǔ)，馬氏距離與水化學(xué)圖結(jié)合能夠很好的識別地下水水化學(xué)組分異常值[16]。Durov圖中正方形區(qū)域是對其上側(cè)、左側(cè)三角形的結(jié)合，能夠較好的展現(xiàn)主要離子間的內(nèi)在聯(lián)系，其右側(cè)、下側(cè)矩形區(qū)域則能體現(xiàn)TDS和pH與各主要離子間的聯(lián)系[17]，采用Druov圖和馬氏距離相結(jié)合的方式識別異常值計(jì)算過程如下[18]：

二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式：

[X=0.5×m（SO2-4）+m（HCO-3+CO2-3）]" （1）

[Y=0.5×m（Mg2+）+m（Ca2+）]" " （2）

式（1），（2）中：m為毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)。

馬氏距離剔除異常值：

[（Xi-X）S-1（Xi-X）=D]" " " " "（3）

[D-3SD≤X≤D+3SD]" "（4）

式（3），（4）中：Xi為無機(jī)指標(biāo)i的毫克當(dāng)量濃度，meq/L；[X]為無機(jī)指標(biāo)i的毫克當(dāng)量濃度平均值，meq/L；S-1為協(xié)方差逆矩陣；D為馬氏距離；[D]為馬氏距離平均值；SD為馬氏距離標(biāo)準(zhǔn)差。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 基于EWQI的地下水水質(zhì)評價(jià)

據(jù)2022年水質(zhì)資料，選取Na+、Cl-、SO42-、NO3--N、Ca2+、TH、TDS、Mg2+、HCO3-、F-、K+和pH作為評價(jià)指標(biāo)，使用熵權(quán)水質(zhì)指數(shù)法計(jì)算出研究區(qū)地下水EWQI，基于EWQI對研究區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)結(jié)果表明，42組水樣的EWQI指數(shù)為32.9～147.1，平均56.3，據(jù)EWQI將地下水水質(zhì)分為5類（表1），42組地下水樣品中，無Ⅰ類地下水，61.9%的地下水樣品為Ⅱ類水，水質(zhì)較好，適合居民飲用和作為生活用水；28.6%的地下水樣品為Ⅲ類水，水質(zhì)中等，適合作為居民生活用水，不建議飲用；Ⅳ類水和Ⅴ類水占總水樣的7.1%和2.3%，水質(zhì)差或極差，不適合作為飲用水和居民生活用水。

為分析地下水水質(zhì)受各指標(biāo)的影響程度，對EWQI與12種無機(jī)指標(biāo)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算出相關(guān)性（圖3）。EWQI與Na+、SO42-和TDS的擬合關(guān)系極好，擬合優(yōu)度（R2）分別為0.92、0.95和0.99，相關(guān)性系數(shù)（r）分別為0.96、0.98和0.99，表明Na+、SO42-和TDS對EWQI貢獻(xiàn)較大，即對水質(zhì)影響較大；EWQI與Cl-、NO3-、Ca2+、TH、Mg2+和K+的擬合關(guān)系一般，擬合優(yōu)度分別為0.78、0.58、0.74、0.80、0.79和0.59，相關(guān)性系數(shù)分別為0.89、0.77、0.86、0.89、0.64和0.77，因此6種無機(jī)指標(biāo)對EWQI貢獻(xiàn)程度中等；EWQI與HCO3-的擬合關(guān)系較差，擬合優(yōu)度為0.38，相關(guān)性系數(shù)分別為0.64，表明HCO3-對EWQI貢獻(xiàn)率較小，對水質(zhì)影響較?。籈WQI與pH的擬合關(guān)系和相關(guān)性系差，pH對EWQI貢獻(xiàn)較小，擬合優(yōu)度和相關(guān)性出現(xiàn)負(fù)值主要是pH值均分布于7.18～8.49間，數(shù)據(jù)變幅較小，數(shù)據(jù)間相關(guān)性較高，存在多重共線性情況，使模型擬合不穩(wěn)定。

2.2" 背景值厘定

繪制地下水Durov圖（圖3），據(jù)公式（1）和（2）求出X和Y，使用公式（3）分別計(jì)算TDS和Y、X和Y間的馬氏距離，據(jù)四分位數(shù)對馬氏距離離群值進(jìn)行識別，共識別出TDS與Y之間9個(gè)馬氏距離離群值，X與Y之間有9個(gè)馬氏距離離群值（圖4-a，b），識別出離群值所對應(yīng)的水化學(xué)異常點(diǎn)，整合后發(fā)現(xiàn)存在異常點(diǎn)重疊現(xiàn)象，最終共剔除水化學(xué)異常點(diǎn)16個(gè)。通過X、Y和TDS數(shù)據(jù)將Durov圖中間正方向區(qū)域和右側(cè)矩形區(qū)域轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)，地下水化學(xué)異常點(diǎn)可視化結(jié)果見圖4-c，d。

使用累積頻率曲線法對無機(jī)指標(biāo)背景值進(jìn)行厘定，將各無機(jī)指標(biāo)濃度數(shù)據(jù)由小到大排序，從無機(jī)指標(biāo)i最小濃度數(shù)據(jù)開始，逐個(gè)進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)線性回歸擬合。在此過程中，擬合優(yōu)度R2穩(wěn)定大于0.95時(shí)，認(rèn)為找到了累積頻率曲線的第1個(gè)拐點(diǎn)。通常在分析某一無機(jī)指標(biāo)發(fā)展過程時(shí)，最常關(guān)注的是該指標(biāo)的累積狀態(tài)。據(jù)無機(jī)指標(biāo)i的濃度可發(fā)現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)之前的所有樣本點(diǎn)，能夠很好地表征該元素的一般累積狀態(tài)，因此將第一個(gè)拐點(diǎn)對應(yīng)濃度作為污染物的背景值。

經(jīng)計(jì)算得到地下水無機(jī)指標(biāo)pH、TH、TDS、K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、F-、Ca2+、Mg2+、As、HCO3-和I-的背景值分別為7.5 mg/L、178.5 mg/L、291.0 mg/L、1.3 mg/L、32.9 mg/L、25.0 mg/L、68.0 mg/L、1.5 mg/L、0.005 mg/L、0.016 mg/L、0.4 mg/L、57.7 mg/L、8.5 mg/L、0.002 mg/L、146.7 mg/L和0.03 mg/L。

2.3" 無機(jī)組分來源分值

2.3.1" 地下水主要控制因素

Gibbs圖可基于主要陽離子N（Na+）/N（Na++Ca2+）與TDS的關(guān)系和主要陰離子N（Cl-）/N（Cl-+HCO3-）與TDS的關(guān)系，將地下水無機(jī)污染物的來源機(jī)制分為巖石風(fēng)化作用、蒸發(fā)濃縮作用和大氣降水作用。從圖5可看出，陽離子N（Na+）/N（Na++Ca2+）在0.09～0.94之間，陰離子N（Cl-）/N（Cl-+HCO3-）在0.06～0.97之間。大多數(shù)樣品點(diǎn)分布于Gibbs圖中部的巖石風(fēng)化作用端元，趨向蒸發(fā)濃縮作用端元，表明水?巖相互作用對研究區(qū)地下水化學(xué)特征起主導(dǎo)作用，次為蒸發(fā)濃縮作用影響。部分樣品點(diǎn)落入模型范圍外部，表明地質(zhì)環(huán)境、人類活動(dòng)等其他因素對地下水化學(xué)特征也有一定影響[18]，無樣品點(diǎn)落入大氣降水端元，表明大氣降水作用和對研究區(qū)地下水化學(xué)特征影響較小。

2.3.2" APCS-MLR源解析

使用APCS-MLR模型對研究區(qū)地下水無機(jī)優(yōu)先控制污染物TH、TDS、K、Na+、Ca、Mg、Cl、SO42-、HCO3-、NO3-和F-進(jìn)行來源解析。KMO檢驗(yàn)和Bartlett球度檢驗(yàn)結(jié)果顯示KMOgt;0.50，顯著性小于0.05，可進(jìn)行PCA分析[19]。通過PCA提取出主成分PC1和PC2，基于多元線性回歸的污染源貢獻(xiàn)率計(jì)算得到未知源、PC1、PC2對各污染物的貢獻(xiàn)率見表2。

PC1的主要受控指標(biāo)TH、TDS、K、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-和F-相關(guān)性顯著，可能具有相同的來源或相似的遷移途徑。

已有研究表明，研究區(qū)分布有芒硝（Na2SO4·10H2SO4）、石膏（CaSO4）和巖鹽（NaCl）等蒸發(fā)鹽巖[20]。通常，地下水中Cl-較為穩(wěn)定，因此分析基于Cl-與其相關(guān)陽離子的濃度，從圖6-a可看出，研究區(qū)大多數(shù)地下水樣品N（Na+）/N（Cl-）gt;1，即Na+的濃度高于Cl-濃度，表明鹽巖類礦物溶解是Na+和Cl-的主要來源，除鹽巖溶解外有其他巖類溶解或陽離子交換作用使Na+濃度增加。

據(jù)N（Na+）-N（SO42-）的關(guān)系可判斷地下水組分是否受到芒硝風(fēng)化溶解的影響，從圖6-b可看出，絕大多數(shù)樣品N（Na+）/N（SO42-）比值接近1或大于1，表明芒硝的風(fēng)化溶解是SO42-的主要來源，同時(shí)也是Na+的來源之一。

為驗(yàn)證陽離子交換作用對地下水中離子濃度的影響，計(jì)算氯堿指數(shù)（CAI1、CAI2），并繪制N（Ca2++Mg2+-SO42--HCO3-）-N（Na+-Cl-）的擬合關(guān)系圖對氯堿指數(shù)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究區(qū)90%的地下水樣品的CAI指數(shù)均為負(fù)數(shù)（圖6-c），在研究區(qū)內(nèi)地下水中的陰陽離子表現(xiàn)為正向交換，這是導(dǎo)致地下水中Na+，K+濃度增高的重要原因之一，與圖6-d顯示結(jié)果一致。

通常，TH值與Ca2+和Mg2+濃度有緊密的關(guān)系，碳酸鹽巖和硅酸鹽巖在地下水循環(huán)過程中，會(huì)釋放Ca2+和Mg2+，使地下水中的Ca2+和Mg2+濃度增加，因此在分析地下水Ca2+和Mg2+的來源時(shí)主要使用N（Ca2++Mg2+）與N（HCO3-+SO42-）的關(guān)系圖進(jìn)行分析，從圖6-e可看出，絕大多數(shù)地下水樣品中N（Ca2++Mg2+）與N（HCO3-+SO42-）的比值小于1，意味著硅酸鹽巖溶解是研究區(qū)地下水Ca2+和Mg2+的主要來源，與圖6-f顯示結(jié)果一致。

研究區(qū)主要含氟礦物為螢石（CaF2），由CAI可知，研究區(qū)地下水陽離子Na+，K+和Ca+，Mg2+發(fā)生正向交換作用，Ca2+濃度降低，會(huì)促使螢石溶解，使地下水中F-含量升高，且當(dāng)陽離子交換作用越強(qiáng)時(shí)，F(xiàn)-濃度越大（圖6-g）。由相關(guān)性分析可知，F(xiàn)-與Na+，Ca2+的相關(guān)系數(shù)分別為0.75、0.21（圖2），且研究區(qū)地下水pH平均值為7.8，處于弱堿環(huán)境，說明弱堿環(huán)境對CaF2的合成具有抑制作用，使F-在地下水中出現(xiàn)富集現(xiàn)象。飽和指數(shù)（SI）通常用作判斷礦物質(zhì)的沉淀或溶解傾向，當(dāng)-0.5lt;SIlt;0.5時(shí)，礦物平衡狀態(tài)。通過PHREEQC軟件對研究區(qū)CaF2的SI進(jìn)行計(jì)算，可發(fā)現(xiàn)少數(shù)點(diǎn)落入-0.5～0.5，處于平衡狀態(tài)，絕大多數(shù)點(diǎn)落于y=-0.5下方，表明螢石處于溶解狀態(tài)（圖6-h）。綜合考慮CAI、相關(guān)性和飽和指數(shù)，地下水中F-的富集與螢石溶解有關(guān)[21，22]。因此可將PC1解釋為鹽巖礦物溶解與陽離子交換作用的影響。

PC2的主要受控指標(biāo)為NO3--N，已有研究表明，研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁，農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中常年使用的含氮肥料，含氮肥料中的氮元素通過農(nóng)田灌溉滲入地下，造成地下水NO3--N污染[23]，此外，牲蓄飼養(yǎng)及人類生活產(chǎn)生的人畜排泄與生活廢水也會(huì)對地下水造成不同程度的NO3--N污染。含氟農(nóng)藥是農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)使用的含氟農(nóng)藥殘留于土壤中，在灌溉、淋洗作用下會(huì)污染包氣帶和含水層。故F2因子為人類生活和農(nóng)牧生產(chǎn)的影響[20，23]。

3" 結(jié)論

（1） 巴里坤-伊吾盆地平原區(qū)42組潛水樣中無Ⅰ類地下水，61.9%的地下水為Ⅱ類水，水質(zhì)較好，可以飲用；28.6%的地下水為Ⅲ類水，水質(zhì)中等，不建議飲用；Ⅳ類水和Ⅴ類水占總水樣的7.1%和2.3%，水質(zhì)差或極差。Na+、SO42-和TDS對EWQI貢獻(xiàn)較大，即對水質(zhì)影響較大，次為Cl-、NO3--N、Ca2+、TH、Mg2+和K+，HCO3-對水質(zhì)影響較小。

（2） pH、TH、TDS、K+、Na+、Cl-、SO42-、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、F-、Ca2+、Mg2+、As、HCO3-和I-的背景值分別為7.5 mg/L、178.5 mg/L、291.0 mg/L、1.3 mg/L、32.9 mg/L、25.0 mg/L、68.0 mg/L、1.49 mg/L、0.005 mg/L、0.02 mg/L、0.4 mg/L、57.7 mg/L、8.5 mg/L、0.002 mg/L、146.7 mg/L和0.03 mg/L。

（3） 巖石風(fēng)化作用對巴里坤-伊吾盆地地下水化學(xué)起主導(dǎo)作用，人類活動(dòng)對研究區(qū)水文地球化學(xué)有一定影響。鹽巖的風(fēng)化溶解和陰陽離子交換作用對K+、Na+、Cl-、SO42-、TDS、Na2+、Mg2+和TH影響較大；NO3--N主要來源于人類活動(dòng)中農(nóng)藥、化肥的使用。

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Determine theBackground Values and Sources of Groundwater Inorganic

Indicators in the Barkol-Yiwu Basin

Liu Qingqing1，2，3， Zeng Yanyan1，2，3， Sun Ying1，2，3， Zhou Jinlong1，2，3

（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi，

Xinjiang，830052，China;2.Xinjiang Hydrology and Water Resources Engineering Technology

Research Center， Urumqi，Xinjiang，830052，China;3.Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy

Engineering Safety and Water Disaster Prevention，Urumqi，Xinjiang，830052，China.）

Abstract： In order to rationally develop， utilize and protect the groundwater in the Balikun-Yiwu Basin， the entropy weight water quality index method was used to evaluate the suitability of groundwater quality in the plain area of the basin， and the environmental background values of groundwater inorganic indicators were determined and the pollution degree was evaluated. Finally， the absolute principal component-multiple linear regression model was used to analyze the source of the main inorganic indicators. The results showed that less than 10 % of the groundwater samples had poor water quality and were not suitable for drinking. The inorganic indicators that had a greater impact on water quality were Na+， SO42- and TDS， followed by Cl-， NO3--N， Ca2+， TH， Mg2+ and K+. The results of source analysis showed that TH， TDS， K， Na+， Ca2+， Mg2+， Cl-， SO42-and HCO3-were mainly affected by weathering and dissolution of salt rock and anion-cation exchange. F-was mainly derived from the dissolution of fluorite， and NO3--N was mainly derived from the pollution of agricultural activities in human activities.

Key words： Barkol-Yiwu Basin; Groundwater; Background value of the environment; Source analysis