察布查爾縣地區地下水水化學特征及地下水水質評價

程 敏， 姜紀沂*， 任 杰， 趙振宏

(1.防災科技學院，北京 101601；2.中國地質調查局西安地質調查中心， 西安 710054)

地下水化學特征及其成因是水文地質學的重要研究內容，通過對地下水水化學的時空變異特征與演變規律的研究，可以更好地揭示地下水與環境的相互作用機制，為地下水資源管理提供理論依據[1-4]。地下水的化學成分是地下水與環境長期相互作用的產物，通過研究地下水的化學特征及其形成作用，有助于我們了解地下水的起源與形成[5]。而地下水水質的好壞直接關系到當地居民的安全和健康問題[6]。地下水水化學特征受多種因素的影響與控制，不僅受天然因素影響，還與人類活動密切相關，并且與周圍的環境發生復雜的水文地球化學作用[7-9]。察布查爾錫伯自治縣位于新疆西天山支脈——烏孫山北麓、伊犁河以南遼闊的伊犁河谷盆地。該區域為農業重點區域，農業灌溉多以地下水為灌溉水源。因此，開展察縣地區的水化學特征研究以及水質評價研究這項工作是十分有意義的。目前，關于察布查爾縣地區水化學的研究和水質評價的研究還相對較少，該區域的水化學特征和水質情況尚不明確，因此本研究利用2016年以來在察布查爾縣地區的50處地下水水質測試數據，綜合運用統計分析以及模糊綜合評價法分析該區域的水化學特征以及水質情況，以期為該區域的可持續發展作出貢獻。

1 研究區概況

察布查爾錫伯自治縣位于新疆西天山支脈-烏孫山北麓、伊犁河以南遼闊的伊犁河谷盆地。地理坐標為東經80°41′～81°43′，北緯43°17′～43°57′，其地貌圖如圖1所示。察布查爾縣東以塔爾德溝為界與鞏留縣為鄰，西沿國界與哈薩克斯坦國相接，南以烏孫山分水嶺為界與特克斯、昭蘇兩縣毗連，北隔伊犁河與伊寧市、伊寧縣、霍城縣相望,全縣東西長處約90 km，南北寬約70 km，并有國家一類口岸——都拉塔。總面積4 485 km2。氣候屬于大陸性北溫帶溫和氣候，年平均氣溫7.9 ℃，年平均降水量231.39 mm，一年中降水集中于4—7月，以春季略占優勢，且開春時節，雪融化量也較大，為洪水多發期。研究區南部為基巖山區，以基巖裂隙水為主，接受大氣降水和冰雪融水補給。基巖區以北為此次的主要研究區，賦存第四系松散巖類孔隙水，沿伊犁河往西到中哈邊界一帶，顆粒變細，層次增多，變為多層，含水層變為潛水、承壓水多層結構，主要含水層包括中更新統和上更新統含水層，還有少部分的全新統含水層。巖性以砂礫石和砂土為主。

圖1 察布查爾縣地貌圖

2 采樣與方法

2.1 樣品采集

本次研究采用2016年6—8月在察布查爾縣地區所采集的地下水樣測試數據。本次樣品采集是沿著區域地下水的流向，從山前丘陵至伊犁河沖積平原，由北至南比較系統的采集察縣地區的地下水，采樣點位置如圖2所示。樣品選用統一規格的100 mL聚丙烯塑料瓶采集，采樣瓶均用蒸餾水浸泡48 h，自然晾干。采集水樣時，用預采集的水樣潤洗至少3次，盡量保證瓶內不出現氣泡，并用封口膜進行密封處理。

2.2 樣品測試

圖2 采樣點位置圖

2.3 數據處理

對所采集水樣利用Aqua.chem繪制piper三線圖分析其水化學類型的分布特征，利用Origin85軟件繪制Gibbs圖分析其水化學形成機制。利用F值法和模糊綜合評價法對地下水水質進行評價，根據評價結果利用Arcgis空間分析功能編制地下水評價結果圖。

3 水化學特征

通過對天然水體水化學組分的分析，Gibbs將天然水組分的控制因素分為三個類型：大氣降水控制型、巖石風化控制型和蒸發-結晶控制[10,11]。蒸發濃縮控制的區域代表性的水化學特征體現為：高TDS

表1 水化學成分統計特征

圖3 察布查爾縣地區水樣Piper三線圖

和高Na+、Cl-含量；降水控制的區域代表性的水化學特征體現為：低TDS和低Na+、Cl-含量；巖石風化型區域代表性的水化學特征體現為：TDS為100～1 000 mg/L，而Na+、Cl-含量介于前兩者之間。

將察布查爾縣各水體的水化學數據繪入Gibbs模型中。可以看出察布查爾縣的地下水絕大部分落在Gibbs模型中(圖4)。在地下水的Gibbs圖中可以看出地下水樣點主要落在巖石風化作用為主導類型的區域內，小部分不在Gibbs模型內，表明人為活動影響了地下水的離子特征，極少數落在蒸發控制類型的區域內，表明地下水的主要離子來源為巖石的風化溶解；有極少部分落在蒸發濃縮控制的區域內，說明該地區地下水有極少部分是受蒸發濃縮控制的。總體來看，巖石的風化溶解控制了該地區地下水的水化學特征。

圖4 水化學Gibbs圖

4 地下水質量評價

4.1 F值法

F值法首先以《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中各指標分類標準為依據，根據各因子的實測值進行各水樣的單項組分判定其所屬類別，然后根據所屬類別確定評價分值Fi(共5類)，各類分值見表2。

評價公式為

(1)

表2 單項指標評價分值

表3 地下水質量分級表

4.2 模糊綜合評價法

所謂模糊綜合評價法其實是根據已有的評價標準和實測數據，再經過一系列的模糊變換對研究對象做出評價的方法[14-16]。模糊綜合評價的大體流程為：確定該次地下水評價的影響組分，建立不同級別下地下水的隸屬度函數，根據隸屬度函數確定模糊矩陣；然后根據各影響組分的平均值和實測值確定各組分對該組地下水的影響程度(權重)，最后根據模糊矩陣和權重確定不同級別下地下水水質的分值，選取分值最高的作為該組地下水水質評價的結果。

不同級別下地下水的隸屬度函數如下。

Ⅰ級水(j=1)的隸屬度函數為

(2)

Ⅱ級至Ⅳ級水(j=2～4)的隸屬度函數為

(3)

Ⅴ級水(j=5)的隸屬度函數：

(4)

式中：Gki為第k組水樣i種水質影響因子的實測值；Sij為第i種因子第j級水的標準。

根據式(2)～式(4)可以求出各級水質標準情況下各影響因子的隸屬度。由此可以確定模糊矩陣R為

各影響因子權重的確定：

(5)

式(5)中：Wi為第i種影響因子的權重；Gi為第i種影響因子的測試值；Si為第i種影響因子標準值的平均值。

根據式(2)～式(5)，可最終得出判別地下水質量的綜合模型：B=WR。

4.3 評價結果

本次水質評價用到在察縣地區所采的50組水樣，分別采用F值法和模糊綜合評價法進行水質評價。各方法水質評價結果見表4和表5，并采用《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中各指標分類標準。

表4 模糊綜合評價法評價地下水水質結果

為了便于進行兩種方法評價結果的對比分析，將兩種方法的評價結果列入表6。通過比較可以看

表5 F值法評價地下水水質結果

出兩種方法對Ⅴ類水的評價結果一致，未出現F值法評價為Ⅴ類水，而模糊綜合評價為Ⅰ～Ⅳ類水的情況，說明兩種方法在污染嚴重區域進行水質評價，評價結果大致相同。且除w18、w28、w35和w40號水樣評價結果相差兩個等級外，其余水樣評價結果相差不大。

表6 兩種方法評價結果

從評價過程可知，F值法在評分過程中沒有考慮到評價水樣與各級別水質標準的接近程度，從而使得評價結果與實際的水質偏差較大。例如，某水樣的硝酸鹽濃度為18 mg/L，《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類水硝酸鹽濃度范圍為5～20 mg/L，確定該水樣為Ⅲ類水，但是很明顯該水樣的硝酸鹽濃度更接近Ⅳ類水的下限(Ⅳ類水的硝酸鹽濃度范圍為20～30 mg/L)。對比而言模糊綜合評價法充分的考慮了與各級別水質標準的接近程度，這使得水質評價的結果更加可靠，所以以模糊綜合評價法評價結果為標準制水質分類分布圖，反映該區域水質的空間分布情況。如圖5所示，察縣地區地下水的重污染區域分布范圍較小，且該區域多以Ⅱ類水為主，其次為Ⅲ類水，說明該區域大部分地區地下水的污染程度輕，有少部分地區被嚴重污染。

圖5 地下水水質綜合評價圖

5 結論

(2)地下水水化學類型以HCO3-Ca(Ca·Mg)和HCO3·SO4(SO4·HCO3)-Ca(Ca·Mg)型水為主。地下水的水化學特征主要受水巖作用控制，少部分淺埋區受蒸發作用影響，幾乎不受大氣降水的影響。

(3)經F值法和模糊綜合評價法對察縣地區進行地下水水質評價分析得知，該區域的地下水受污染程度輕，但也存在嚴重污染區域，在利用水資源的同時也要注意水資源的保護。