河西走廊淺層地下水主離子特征及水質評價

王 姝，高 宗 軍，王 貞 巖，吳 璽，安 永 會，劉 久 潭

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島266590； 2.中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定071000)

近些年來，由于地球化學環境的改變與人類活動的影響，導致淺層地下水環境受到不同程度的污染，并造成了一系列不良后果[1]。通過研究地下水水化學特征，并在此基礎上對水質進行評價，不僅能查明地下水與所處環境的相互作用機制，還可以反映區域地下水水體質量狀況，這對所研究區域地下水資源的保護、管理以及合理開發利用具有重要的指導意義[2]。

河西走廊是絲綢之路經濟帶要地，同時還是甘肅等地的重要生態屏障[3]，但由于近些年來人類活動的影響以及環境的改變，河西走廊地下水環境問題突出，嚴重影響到當地居民的生活。

白福、丁宏偉等[4-5]在研究河西走廊地下水水化學特征中揭示了地下水水化學組分自補給區至排泄區存在典型的水平分帶和垂直倒置分異規律；盧穎等[6]運用聚類分析方法得出了張掖盆地水化學特征主要受控于蒸發濃縮作用，并說明了不同區域水化學類型具有一定的差異性且呈明顯的水文地球化學分帶性；王禮恒等[7]對河西走廊地下水同位素特征及水化學組分進行了比較總結，提出河西走廊地下水屬于獨特的水文循環模型，即冰雪融水-地下水系統；李慧、邢彬等[3,8-9]對張掖地區、高臺縣等地分別作了詳細的水質狀況分析，但目前對河西走廊水化學及水質進行綜合分析的研究較少。本文對河西走廊淺層地下水的主離子特征以及水質狀況做了初步分析研究，對研究區地下水水資源的合理開發利用與保護管理具有一定的指導意義。

1 研究區概況

1.1 自然條件

河西走廊位于我國西北干旱半干旱地區的黑河流域，該流域是我國西北部的第二大內陸河流域，范圍覆蓋青海、甘肅和內蒙古三省。河西走廊內的主要城市包括青海省祁連縣，甘肅省張掖市、酒泉市和嘉峪關市，以及內蒙古自治區額濟納旗。研究區地理坐標介于94° E～102°30′ E、37° N～41° N之間，深居亞歐大陸腹地，四面高山環繞。流域內氣候主要受中、高緯度西風環流和極地冷氣團控制，因而表現為太陽輻射強，晝夜溫差較大，干燥多風，降水稀疏且時間分布不均(主要集中在7～9月份)[10]。研究區所處的黑河流域表現為一個獨立的水流系統，根據系統內地表水與地下水之間的水力聯系及其歸屬，可將該流域劃分為東、中、西3個水流子系統[11]，研究區位于黑河流域中、東部，祁連山和龍首山、合黎山分別為流域的南北邊界，東西又分別受大黃山隆起、榆木山隆起和文殊山隆起的制約,如圖1所示。研究區地勢總體南高北低，呈現兩高夾一低的NWW向條帶狀格局，由南西向北東依次呈高山-盆地-次高山景觀。

圖1 研究區及采樣點位置

1.2 地質及水文地質條件

河西走廊屬于祁連山地槽邊緣坳陷帶，由一系列具有共生關系的構造-地貌盆地所組成[12]，各盆地之間多為低矮的構造山梁或基底隆起分隔。區內主要為第四系松散堆積物，沉積厚度達百米以上，成為地下水賦存的主要場所。

河西走廊含水層巖性變化總趨勢由山前向平原變細，從南到北由單一礫卵石漸變為上部黏性土夾砂、砂礫石，下部大厚度砂礫石的雙層結構[13]，地下水類型由潛水變為上部潛水、下部承壓水。圖2表示自西北向東南跨越河西走廊，即穿過高臺縣、臨澤縣和張掖市的剖面圖。走廊東南部，地下水主要接受降水的入滲補給，以地表徑流形式流出山區進入張掖盆地；走廊中西部因含水層導水性變弱，泉水和泄流是該區域地下水的主要排泄途徑，研究區主要位于地下水排泄區,其水文地質圖如圖3所示。

注：1為第四系松散沉積物, 2為新近系砂礫巖, 3為白堊系泥巖, 4為華力西期花崗巖, 5為前震旦系花崗巖

圖2 河西走廊地層剖面示意(虛線為推測)

Fig.2 Stratigraphic profile of Hexi Corridor (Dotted line is speculation)

圖3 研究區水文地質示意

2 數據來源與評價方法

2.1 數據來源

本研究共選用淺層(<100 m)地下水水樣75個(見圖1)。采樣點均勻分布于河西走廊。地下水水樣多取自機民井，取樣容器選用聚乙烯塑料瓶。取樣前將取樣容器用所取地下水清洗3～5次，取樣后在現場用石蠟密封瓶口并貼上標簽，盡快送至實驗室進行檢測。所采水樣埋深、經緯度、水溫、pH、TDS、電導率等參數在現場使用便攜式檢測儀檢測得到，其他項目在中國地質調查局水文地質環境地質調查中心實驗室進行統一化驗。樣品從采樣、送樣、保存到化驗均嚴格依照標準進行，采樣和化驗操作過程嚴格遵循GB/T 14848-2017《地下水質量標準》[14]中的規定進行。

2.2 分析方法

為分析研究區水化學組分及類型，在本次研究中對水化學數據進行了數理統計分析和相關性分析，使用AquaChem軟件繪制了所取樣品的Piper三線圖[15]，并使用舒卡列夫分類法對水化學類型進行了詳細分類。為進一步對水樣數據的水化學組分特征進行分析，繪制了Gibbs圖[16]與離子比例圖。同時，采用了模糊綜合評價法[17]和內梅羅指數法兩種方法對研究區淺層地下水進行了水質測評，并分析對比了兩種方法基于相同數據得出的評價結果，進而對研究區的水質狀況進行了綜合評價。

3 結果與分析

3.1 地下水水化學特征

3.1.1地下水統計特征

地下水中的化學組分是在一定的地理和地質背景下地下水與環境長期相互作用的產物[18]。描述性統計分析方法有助于理解地下水中各種化學成分的富集和變動規律[19]。所取淺層地下水水樣的水化學參數的統計分析結果如表1和圖4所示。

表1 研究區淺層地下水水化學參數描述性統計特征值

圖4 水樣離子特征箱形圖

3.1.2水化學類型分布規律

根據舒卡列夫分類法可將研究區淺層地下水整體劃分為HCO3·SO4-Mg·Ca型(26.7%)、HCO3·SO4-Na·Mg型(25.3%)、HCO3·SO4-Mg型(13.3%)和SO4-Na·Mg型(10.7%)。

Piper三線圖常被用于分析地下水的組成與遷移規律[20]，這種方法的優點是不受各種人為因素的影響，各離子的相對含量及水樣的基本化學類型可直接反映在三線圖中[21]。使用AquaChem軟件處理水樣數據并繪制出Piper三線圖，如圖5所示。

圖5 研究區各水樣點水化學Piper三線圖

3.1.3離子相關性分析

利用相關性分析處理地下水的水化學數據，可以反映出各參數之間的相似相異性[22-23]，并對地下水來源的一致性進行判斷[24]。本次研究中使用SPSS軟件,對研究區淺層地下水水化學參數的相關性進行了分析，結果如表2所示。

3.1.4地下水化學成分來源分析

Gibbs圖是控制水化學主要機制的一種有效方法，在水化學成分與氣候或地質特征之間的關系研究中得到了廣泛的應用[25]。如圖6所示，本次研究將各水樣的相關數據進行了處理并繪制于Gibbs模型中。

圖6 研究區各水樣水化學Gibbs圖

由圖6可知，研究區絕大多數水樣分布于Gibbs模型中，且均分布在蒸發-結晶控制區域，表明研究區地下水的化學成分主要受蒸發作用和結晶作用的影響。由于研究區位于干旱半干旱地區的地下水排泄區，地下水在該地涌出后經強烈的蒸發作用致使水分大量散失，而水溶液中的鹽分則滯留下來保存于土壤中，長時間的積累過程中淺層地下水的TDS不斷升高，從而成為了地下水水化學組成的主要來源。

表2 水化學成分相關系數矩陣

注：*和**分別代表0.05和0.01的顯著水平。

圖7 淺層地下水主要離子的比例系數

Fig.7 Proportional coefficient of major ions in shallow groundwater

3.2 水質評價

3.2.1評價因子與評價標準

本次研究依據獲得的水質分析數據，選取鈉、氯化物、硝酸鹽(以N記)、硫酸鹽、TDS、pH和總硬度7項主離子污染指數作為評價因子，評價標準選用GB/T 14848-2017《地下水質量標準》[14]中規定的Ⅲ類水標準。

3.2.2水質評價結果

按照2.2節所列方法，利用公式進行模糊綜合運算，獲得水質評價結果，如圖8所示。同時采取內梅羅指數法獲得水質評價結果，如圖9所示，以便于對照。各點目標水質為Ⅲ類。

由圖8可見，利用模糊綜合評價法得到的評價結果中，上壩鎮、下河清、臨澤縣和張掖市周圍的淺層地下水水質較差，評價結果為Ⅴ類水，不經適當處理不適合作為生活飲用水源；而其他地區水質評價結果較好，為Ⅰ-Ⅲ類水，可直接作為生活飲用水使用。就Ⅴ類水地區進行分析，由于上壩鎮、下清河地區補給徑流量減少，地下水埋深變淺，加上強烈的蒸發濃縮作用使得該地區表層潛水礦化度持續升高，鹽分源源不斷濃縮析出，導致該地區水質整體較差；在臨澤縣、張掖市等人類聚集地周圍，不合理的施用農藥、化肥，生活廢水隨意排放，工業廢水未經正規處理隨意排放等均對水質產生了很大影響。

如圖9所示，根據內梅羅指數法得到的水質評價結果，可以發現研究區內淺層地下水水質整體較差，僅有34.7%的水樣水質為Ⅰ～Ⅲ類，這些水樣主要分布在河流沿岸地區。Ⅳ～Ⅴ類水樣點主要分布在人類聚集地處，如上壩鎮、下河清、鹽池西部、高臺縣、臨澤縣及張掖市周圍。

圖8 模糊綜合評價法所得水質結果

分析對比兩種評價結果所得數據(見表3)可知，水質較差水樣點的分布范圍大致相似，主要分布在上壩鎮、下河清、臨澤縣、張掖市周圍，但內梅羅指數法所得的水質較差的水樣點較多。產生這種現象的原因主要是由于內梅羅指數法受突出因子的影響較大，而模糊綜合評價法充分考慮了各項指標之間的隨機性和模糊性，既考慮各因子對水體的危害程度，也考慮各評價指標之間的非線性關系，將水質評價問題轉變為計算問題，評價結果更合理。

圖9 內梅羅指數法所得水質結果

表3 兩種評價方法所得每種類型水樣點的數量

3.3 水化學特征與水質分析結果比對

4 結 論

本次研究對河西走廊淺層地下水的主離子化學特征進行了分析，并采用模糊綜合評價法與內梅羅指數法，對研究區淺層地下水水質進行了評價，可以得出如下結論。

(3)在研究區的水質評價過程中，模糊綜合評價法顯示出了較好的效果。分析模糊綜合評價法所得結果，研究區內的淺層地下水水質30.0%屬于Ⅳ，Ⅴ類水，70.0%屬于Ⅰ～Ⅲ類水，總體水質較好；而依據內梅羅指數法所得結果，研究區65.3%的淺層地下水水質屬于Ⅳ，Ⅴ類水，污染物超標，這與該方法受突出因子影響較大有關。兩者相比較，應用模糊綜合評價法所得水質評價結果更加客觀、有效。

(4)分析對比河西走廊淺層地下水水化學特征與水質評價結果，總體來看，水質較差的區域水化學組分中基本都存在超標項。