關中盆地潛水環境背景值研究

霍晨琛 錢會 吳昊

摘要：依據關中盆地內487組水質檢測數據，在深入分析關中盆地地下水流場、補給徑流排泄條件和地下水環境狀況的基礎上，對研究區進行了較為詳細的地下水環境單元劃分，運用迭代標準差法和計算分布函數法，求取了關中盆地潛水主要常量組分K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS的環境背景值，分析了各組分背景值的空間分布規律及形成因素。結果表明：地下水補、徑、排條件和水文地球化學作用對區內主要常量組分背景值的空間分布起主要控制作用，其中區內陰離子以HCO3-為主，陽離子渭河北岸以K++Na+為主，渭河南岸以Ca2+為主；在渭河以北地區水文地球化學作用主要以礦化和蒸發濃縮作用為主，渭河以南地區以溶濾作用為主。其結果為關中盆地地下水污染評價、水資源開發與保護等提供了科學依據。

關鍵詞：環境背景值；地下水；迭代標準差；計算分布函數；關中盆地

中圖分類號：P641；X523 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0099-08

Abstract：Relatively detailed environmental units of shallow groundwater were divided in the Guanzhong Basin on the basis of the intensive study of groundwater flow field，recharge and discharge conditions and groundwater environment.Natural background levels of K++Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，HCO3-，TDS of different units were calculated by using the iterative 2-σ technique，the calculated distribution function，and the spatial distribution regularity of background levels for major components as well as its controlling factors were discussed on the basis of 487 groundwater samples collected from the Guanzhong Basin.The results indicated that the spatial distribution of the major components was mainly controlled by groundwater recharge，runoff，discharge and hydrogeochemical process，in which the anion in the area was mainly HCO3-，the cation in the north shore of Weihe was mainly K++Na+ while in the south shore of Weihe was mainly Ca2+；moreover，the hydrogeochemical process in the northern area of Weihe was mainly mineralization and evaporation，and in the southern area of Weihe was mainly lixiviation.The results obtained provide scientific reference for the evaluation of groundwater contamination and the future development and protection of water resources.

Key words：

background levels；groundwater；iterative 2-σ technique；calculated distribution function；Guanzhong Basin

近年來，隨著我國人口的不斷增長和經濟的快速發展，各種環境問題日趨嚴重，其中地下水污染問題也在日益加劇[1]。在部分城市和廣大農村地區，地下水往往是唯一的供水水源。然而，目前地下水污染已成為制約許多地區經濟發展的重要因素[2]。對此，眾多研究者在地下水污染源分析、污染程度確定、污染時空變化規律等方面開展了大量的研究工作[3-4]。在這些研究中，地下水環境背景值的確定具有重要作用，它是進行地下水污染程度評價及污染治理效果評價的基礎。地下水環境背景值是指未受到污染或基本未受到污染的情況下，地下水的化學組分和含量[5]。由于地下水化學成分的形成受到區域地質構造、水文地質條件及地形地貌等多種自然因素及人類活動的影響，因此地下水環境背景值具有時間和空間的概念[6]。地下水中各組分的背景值受到水巖相互作用，地下水補、徑、排條件及各種生物化學進程的影響，會表現出局部差異的特點。因此，環境背景值應為一個范圍值，而不是一個固定的數值[7]。

地下水是關中盆地生活飲用水的重要來源[8]。近年來，多位學者對關中盆地地下水水化學組分、水化學場演化及水化學特征做過相關研究[9-11]，但研究內容均未涉及地下水環境背景值。因此，本文以關中盆地1997年-1999年地下水質分析資料為依據，運用迭代標準差法、計算分布函數法，確定該區潛水主要離子環境背景值及其空間分布規律，并分析其形成因素。

1 研究區概況

關中盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關，南依秦嶺，北抵北山，是一個三面環山，東面敞開的新生代斷陷盆地。盆地屬暖溫帶半濕潤半干旱氣候帶，年均氣溫12 ℃～14 ℃，年均降雨量500～750 mm，蒸發量1 000～1 200 mm。盆地內主河流渭河自西向東橫貫盆地中部，南岸支流密集短小，北岸支流少而長。地勢總體西高東低，向東微傾[11]。自山區向盆地中心呈階梯狀降落，依次分布山前傾斜平原、黃土臺塬、河谷階地。本文選取水樣數據較多的渭河北岸涇河以西和渭河南岸湯峪河以東地區為研究區，涉及西安、寶雞、咸陽和渭南4個行政市。

關中地區沉積了厚逾千米的第四系松散巖類，地勢低平，巖層透水性好，為地下水的賦存和運移提供了良好的空間。盆地內潛水主要包括洪積漂石、砂礫石與粉質黏土等互層孔隙潛水，沖積砂礫卵石層孔隙潛水和風積黃土層孔隙裂隙潛水。潛水流動方向與地形坡度一致，由秦嶺、北山山前向盆地中心偏東流動（圖1）。徑流排泄、蒸發排泄、人工開采是潛水主要的排泄方式。

2 地下水環境背景值研究

2.1 地下水環境背景值研究方法

1924年，美國學者F.W.克拉克首先發表了背景值方面的報告；[HJ2.4mm]1975年，美國學者J.J.康納等人在對各環境要素化學元素豐度值研究的基礎上，提出了美國部分地區的環境背景值。中國自1976年開始，從環境科學角度出發，對北京、南京、廣東、松遼平原等地區的土壤環境背景值進行了調查和研究，并引入“土壤環境背景值”概念。20世紀80年代初，我國水文地質學家正式提出了“地下水環境背景值”[12]。

地下水環境背景值的確定有多種方法，如類比法、歷史曲線法、數理統計分析法等。其中，類比法是一種間接方法，通過研究與工作區地質、地貌、水文地質條件相似區域的地下水環境背景值，以代表工作區內的背景值；歷史曲線法是基于研究區內長序列地下水化學觀測資料，研究未出現階躍變化的記錄數據以確定研究區的背景值。相比之下，數理統計分析法是目前應用最多的方法，包括劃分水環境單元、布點、取樣分析，剔除異常值、確定環境背景值等步驟[13]。

數理統計分析法又包括概率圖法、回歸分析、迭代標準差法和計算分布函數法等[14-15]。多數數理統計方法通?；跇颖緮祿恼龖B分布的假設，而迭代標準差法和計算分布函數法既不需要某一特定的先驗分布，又可適用于相對數量較少的數據集（n>30）[16]。

本次地下水環境背景值研究充分利用1997年-1999年關中盆地潛水水質分析資料，區內潛水水樣共487組，[HJ1.9mm]樣品采集深度為120～300 m。對于n>30的水環境單元，運用迭代標準差法和計算分布函數法計算各組分環境背景值，并對兩種方法的適用性進行比較分析。其基本方法是先剔除異常數據以確保剩余數據服從正態分布，再運用Lilliefors檢驗法進行正態性檢驗，最終確定背景值范圍。

對于n<30的水環境單元，運用Grubbs準則對數據中的異常值進行剔除，并運用SPSS統計軟件，在判斷各指標符合何種分布類型的基礎上，對各水環境單元的地下水環境背景值進行確定。本文對K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS 7項常規指標進行了地下水環境背景值計算與分析。

2.2 地下水環境背景值單元劃分

環境背景值單元是指一定時間、一定范圍內水環境要素和元素一致的水域地區，具有時間和區域變異性[17]。合理劃分環境背景值單元，對研究地下水環境背景值特征和客觀規律具有重要作用。

依據研究區內地下水的形成條件，賦存特征、介質特點和地下水類型等，并結合氣象、地貌類型，共劃分為10個環境背景值單元[18]（圖2）。

2.3 地下水環境背景值計算

對于n>30的水環境單元（Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅹ區）運用迭代標準差法和計算分布函數法計算，數據統計分析采用文獻[16]提供的Excel宏完成，計算結果見表1。

n<30的水環境單[HJ2.2mm]元（Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ及Ⅶ-Ⅸ區）運用Grubbs準則對數據中的異常值進行剔除，并運用SPSS統計軟件，在判斷各指標符合何種分布類型的基礎上，確定各水環境單元中各組分的地下水環境背景值，其詳細過程如下。

（1）剔除異常值。

為了獲取真實的水環境背景值，必須對測定數據進行檢驗，以避免在采樣、送檢和分析過程中可能存在的污染[19]。采用Grubbs準則（取顯著性水平α=0.01時判斷為異常值），對各水環境單元內數據進行檢驗，若某一水樣的某一指標測試值存在異常，則剔除該指標，而不清除這一水樣記錄[20]，檢驗結果見表2。

（2）檢驗分布類型。

選用SPSS軟件中的Kolmogorov-Smirnov法和Shapiro-Wilk法（W檢驗）對各統計單元內各組分含量概率分布類型進行綜合判定（信度選為0.05）。組分含量測試值的分布類型為正態或對數正態分布，不滿足上述兩種分布類型的，統一作偏態分布。

（3）確定背景值。

各組分背景值是一個范圍值，而不宜用某一確定數值來表示[18]。根據地下水組分測試值的分布類型，采用不同的統計計算方法，其中，正態分布類型采用算術平均值法，對數正態分布類型采用幾何平均數法，偏態分布則采用累積頻率法[13]。

在運用SPSS統計軟件分析各組分分布類型的基礎上，由上述方法對Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ及Ⅶ-Ⅸ水環境單元內各化學組分背景值進行確定（見表3）。

3 結果討論

表1表示分別運用迭代標準差和計算分布函數法計算得出的水環境單元Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅹ區各組分環境背景值。各個水環境單元中大多數組分測試值服從正態分布，且這兩種方法確定的大多數組分背景值具有相似的結果，說明運用這兩種方法計算地下水環境背景值得到了比較合理的結果[7]。然而，兩種方法的計算結果在少數情況下也存在明顯的差異，現說明如下。

如圖3、圖4所示，在北山洪積扇孔隙水環境單元（Ⅰ區）中，運用迭代標準差法計算的TDS背景值上限較高，且沒有通過Lilliefors檢驗。其原因是，此方法目的是構造一個正態分布，而此時TDS近似服從離散性較大的偏態分布，集中值落在兩個峰之間，較大的離散性會造成對背景值上限的過高估計。渭北一級黃土臺塬孔隙裂隙水環境單元（Ⅲ區）中的HCO3-離子也是類似情況。因此，迭代標準差法不適用于服從偏態分布的數據。

圖5、圖6表示兩種方法在臨潼至華縣一級黃土臺塬孔隙裂隙水環境單元（Ⅵ區）的HCO3-離子背景值計算中存在顯著差異。迭代標準差法可以將低于下限和高于上限的異常值剔除，且通過了正態分布檢驗，背景值為294.7～494.3 mg/L；而計算分布函數法得出的背景值是215.7～557.8 mg/L，但沒有通過正態性檢驗。因此，對于在自然狀態下，組分的濃度分布幾乎都傾向于較高值且較低值很少的情況下，用迭代標準差法計算背景值更合理。

圖7和圖8分別表示了K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-及HCO3-離子在各水環境單元內的背景值（集中值）對比曲線圖。不同水環境單元內各離子背景值具有明顯差異性，但呈現出一定的規律性。從圖8中可以看出，在渭河北岸，K++Na+較富集，其背景值在各水環境單元內大小表現為Ⅰ區>Ⅳ區>Ⅲ區>Ⅱ區。Ⅰ區位于漆水河至涇河北山洪積扇前緣，水系少，徑流條件差，主要受礦化作用的影響，K++Na+較富集。而Ⅱ區位于漆水河以西，水系發育，徑流條件較好，以溶濾作用為主，礦化作用減弱，陽離子的背景值表現為Ca2+>K++Na+>Mg2+。而在Ⅲ、Ⅳ區分別為渭河北岸黃土臺塬區和渭河沖積平原，地勢低平，徑流滯緩，加之黃土對陽離子的吸附作用及蒸發濃縮作用增強，加劇了K++Na+離子升高。在渭河南岸由于秦嶺洪積平原及各支流沖積平原內徑流條件通暢，陽離子背景值整體表現為Ca2+>K++Na+>Mg2+的特征。由圖可見，K++Na+離子背景值由東向西、自北向南呈遞減趨勢；從陽離子分布特征來看，渭河北岸礦化作用較南岸強。

從圖8可以看出，關中盆地地下水化學成分中陰離子以HCO3-為主，其背景值占絕對優勢。在洪積扇前緣和渭河沖積平原，由于含水層巖性變細，地下水徑流緩慢，水交替作用弱，Cl-、SO42-出現一定程度的富集。從表2和表4可以看出，Cl-、SO42-離子背景值變異系數較大，屬于氣候和人類活動變化的敏感性因子，對地下水鹽化起著重要作用。

總體來看，渭河北岸K++Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-背景值均大于渭河南岸，而渭河以南Ca2+背景值較渭河以北高。在地下水流滯緩、礦化作用和蒸發濃縮作用強烈的區域，地下水水環境有利于K++Na+、Cl-和SO42-離子的富集?？梢?，關中盆地主要常規組分背景值特征受到地質地貌、水文地質條件和水化學作用的影響。

4 結論

（1）本文通過對關中盆地水文地質條件和地下水環境狀況的深入研究，對關中盆地進行了詳細的地下水環境背景值單元劃分，運用迭代標準差法和分布函數法求取了關中盆地潛水主要常量組分K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS的環境背景值。

（2）7項化學指標環境背景值在研究區的分布情況總體上表現為陰離子以HCO3-為主，陽離子渭河北岸以K++Na+為主，渭河南岸Ca2+為主。黃土臺塬孔隙裂隙水和渭河階地孔隙水環境單元各組分的背景值高于洪積扇孔隙水環境單元。這一規律基本體現了地下水流動系統中補給區與排泄區地下水組分含量變化的特點，符合地下水水化學類型形成演化規律，且驗證了所劃分的背景值單元的合理性。

（3）渭河以北地區水文地球化學作用主要以礦化和蒸發濃縮作用為主，渭河以南地區以溶濾作用為主。

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