青海省北川河流域地下水水化學特征與水質評價

朱 亮, 劉景濤,2, 楊明楠,2, 劉春燕,2， 周 冰,3, 解 飛, 李 備

〔1.中國地質科學院 水文地質環境地質研究所, 河北 石家莊 050061; 2.中國地質調查局/河北省地下水污染機理與修復重點實驗室, 河北 石家莊 050061; 3.中國地質大學(北京), 北京 100083〕

地下水是中國水資源的重要組成部分。據統計中國20%左右的供水水源來自于地下水，地下水水質狀況對保障供水安全、促進生態文明建設具有重要意義[1-2]。通過2005—2015年開展的全國地下水污染調查評價工作，基本掌握了東北平原、華北平原、長三角、珠三角、東南地區、西南地區、西北地區和西藏地區等主要平原盆地區的地下水水質及污染狀況，根據近3萬組淺層地下水水質評價的統計結果，大部分區域地下水樣品超標率較大，其中，西北地區、東北地區的超標率都在80%以上[3]。2019年，全國10 168個國家級地下水水質監測點中，Ⅰ—Ⅲ類水所占比例僅為14.4%[4]。以上水質評價結果顯示中國區域地下水水質超標率高，這與我們普遍認為的地下水水質相對較好，可作為優良的供水水源的大眾認知相悖，這可能與評價方法的選取有關。不同評價方法的評價結果之間存在著一定程度的差異。從最直觀的單因子污染指數法[5]，到較為復雜的數學表達和計算步驟的神經網絡法[6]、模糊綜合評價法[7]、物元可拓法[8]、主成分分析法及綜合污染指數法等[9]，再到《區域地下水污染調查評價規范(DZT0288-2015)》推薦的層級階梯評價方法[10]，隨著水質評價方法不斷改進，對單個采樣點的水質評價結果也更加科學，尤其是層級階梯評價方法，區分了人為污染和天然背景對水質的影響作用，成為科學評價單點水質及污染狀況的有效方法[11-12]。以上各種方法基本是針對單個采樣點水質評價結果的改進，而在區域地下水水質狀況評價上，仍是簡單地基于單個采樣點水質分類結果的數學統計。這種基于樣品點數量的統計結果，其問題在于只是將地下水樣品作為一個單純的環境要素，而忽略了不同樣品點的資源屬性，因此，不能從量的角度表達可用于供水的地下水水質狀況。事實上，受水文地質條件限制，一個區域內水量豐富且水質優良的地下水分布面積往往不大，比如，在北方地區多集中分布在山前沖洪積扇的后緣或第四系厚度較大的河谷平原內，在統一的采樣精度控制下，這些優質富水地帶的采樣點數量在整個區域內采樣點數量中的比例非常小，因此，單純基于樣品點數量的統計結果就弱化了優質地下水富水帶在區域地下水水質中的比重，這是導致目前區域地下水水質評價結果中超標率過高的關鍵。

本文結合“湟水河流域水文地質調查”項目中的地下水化學測試數據，在流域地下水水化學特征和水化學成因分析的基礎上探討劣質地下水的分布和成因，進一步結合單個地下水采樣點的水質分類，提出基于富水性分區的區域地下水水質表達方法，并在北川河流域地下水水質評價中進行檢驗，旨在提高區域地下水水質評價結果表達的科學性和應對社會大眾對目前地下水超標率過高的輿情具有理論和現實意義。

1 研究區概況

北川河位于青海省東部青藏高原與黃土高原的接壤地帶，是湟水河一級支流，黃河二級支流，全長149 km，流域總面積3 371 km2，地形上從西北向東南呈C字形，氣候上屬大陸性半干旱氣候，且具有典型的垂直分帶性。地貌類型上可分為基巖山區、黃土丘陵區和河谷平原區3種地貌單元。基巖山區大氣降水入滲補給地下水后沿構造斷裂、裂隙運移，大部分以泉的形式排泄于沖溝中，少部分以地下潛流的形式補給干流河谷潛水；黃土丘陵區地下水主要接受基巖裂隙水的側向補給及少量大氣降水入滲補給，一部分以溝間分水嶺為界，向兩側沖溝流泄，一部分順坡降向干流河谷平原區排泄，但由于徑流量較小，因此對干流河谷潛水無實際補給意義；河谷區潛水主要接受上游地下水徑流補給、河水滲漏補給、大氣降水入滲補給以及農田灌溉水入滲補給，受基地起伏的影響，河谷潛水與河水互為補給和排泄，轉換頻繁，關系密切。

流域地下水資源量為4.60×108m3/a，其中河谷區面積占流域總面積的18.1%，而地下水資源量占流域地下水資源總量的50%左右。地下水水量極豐富和豐富的地段主要分布于大通縣以北至城關鎮及黃家寨至二十里鋪一帶的河漫灘和Ⅰ，Ⅱ級階地內，含水層巖性均為第四系砂礫卵石層，地下水主要接受河水和地下徑流補給，多個地下水水源地均分布在該區域內，供水量可達到2.00×105m3/d。

2 評價方法與評價數據

2.1 評價方法

假設一個區域內的地下水采樣點數量為n個，其中，根據單個樣品點水質的評價結果，第K(K=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)類水的數量為m個，目前所用的區域水質表達方法中，第K類水所占比例即為m和n的比值。基于富水性分級的區域地下水水質表達方法中，依據富水性特征對單個樣品點的水質類型賦予不同的系數，用地下水富水系數來表征不同樣品點所代表的地下水的供水能力，則第K類水的所占比例計算公式為：

(1)

式中：P為該區域K類水的比例(%)；γj為第j個K類水樣品點處地下水的富水系數；γi為第i個樣品點處地下水的富水系數；m為第K類水的數量；n為采樣點數量。

根據公式(1)計算的K類水的統計結果已經不再是簡單的樣品點數量的比值，而是樣品點所代表的地下水供水能力的比值，該結果強化了優質地下水富水區在區域地下水水質中所占的比重，能夠更好地從水量的角度表達區域地下水作為供水水源的水質狀況。

2.2 評價數據

2019年在北川河流域開展水文地質調查的基礎上，綜合考慮流域水文地質條件、地下水開發利用狀況及主要污染源分布等，以滿足區域地下水水質控制、兼顧主要污染源及重要地下水水源地的原則布設地下水采樣點，取樣點類型包括居民分散開采井、集中供水水源井、地下水環境監測井和天然出露的泉水。其中，地下水環境監測井采樣時，提前一天進行抽水洗井，第二天待水位恢復后再進行取樣，其他采樣點則直接采樣。本次共采集地下水樣品189組，其中，丘陵山區96組，多以泉水的形式在溝谷坡腳及溝腦處出露，地下水類型包括基巖裂隙水、黃土底礫石潛水和碎屑巖類裂隙孔隙水；河谷平原區93組，地下水類型以砂卵礫石潛水為主，井深多在30 m以內，地下水位埋深小于10 m。重金屬指標加入0.1%體積的1∶1硝酸作為保護劑，揮發性有機指標加入0.25%體積的1∶1鹽酸作為保護劑。有機測試樣品采集后放入保溫箱冷藏保存，并在7 d之內送至實驗室完成前處理。所有樣品由自然資源部地下水礦泉水與環境檢測中心測試完成，測試指標共66項，包括無機28項、微量有機38項。

3 結果與分析

3.1 地下水化學特征

表1 北川河流域主要地下水化學組分統計結果

圖1 北川河流域地下水化學Piper圖

3.1.2 水化學成因及主要離子的來源分析 Gibbs圖通過TDS與Na+，Ca2+的摩爾比值{ρ(Na+)/〔ρ(Na+)+ρ(Ca2+)〕}的關系可以指示大氣降水、蒸發濃縮及巖石風化溶解作用對水化學過程的控制作用[16]。

從本次地下水Gibbs圖中可以看出(圖2)，總體上流域內的地下水樣品點主要集中在模型的中部，其次是中上部，這一分布特征表明，研究區地下水水化學特征主要受巖石風化作用控制，其次是蒸發濃縮作用控制，其中，丘陵山區與河谷平原區地下水ρ(Na+)/ρ(Na+)+ρ(Ca2+)>0.5的樣品比例分別為9.3%和27.5%，說明蒸發濃縮作用對河谷平原區地下水的控制作用明顯大于丘陵山區，這與河谷區地下水埋深淺、蒸發強度大等因素相關。

圖2 北川河流域地下水化學Gibbs圖

圖3 北川河流域地下水化學端元比值

3.2 地下水質量空間分布

依據《地下水質量標準(GB/T14848-2017)》中的水化學指標分類標準，采用單指標評價方法對189個地下水中樣品進行水質分類，結果顯示(圖5)，全區未超標的地下水樣品點109組，主要分布在外圍的基巖山區和干流上游及各大支流河谷區，這些地區降水充分，地下水接受大氣降水補給后以泉水的形式排泄，地下水徑流路徑短、循環周期快，不利于礦物元素在地下水中的富集；另外，在中下游的石家莊水源地、塔爾水源地等傍河水源地開采段，第四系松散沉積層厚度大，河水大量入滲形成了地下水最主要的補給源，由于河水水質優良且河谷階地上無明顯的污染源分布，因此，在這些區段河谷區形成了水量豐富的優質地下水水源。

圖4 北川河流域地下水主要離子的比值關系

全區共有超標樣品點80個，其中，丘陵山區和河谷平原區超標點數量分別為26個和54個，超標點主要分布在中下游河谷區、兩岸的黃土丘陵地區以及上游支流寶庫河、黑林河兩岸的基巖山區(圖5)。

圖5 北川河流域地下水水質等級分布

超標指標包括鋁、鐵、總硬度、硫酸根、溶解性總固體、鈉、錳、氯離子、耗氧量等9項無機常規指標，硼、氟、鉛、砷、硝酸根、銨根、六價鉻等7項無機毒理指標和氯乙烯、四氯化碳、苯并(a)芘等3項微量有機質標，從各指標的超標貢獻率(圖6)可以看出，鋁、鐵、總硬度、硼、硫酸根、溶解性總固體等的超標貢獻率遠大于其他指標，這些指標一般來源于地層中礦物成分的溶解、富集，說明天然背景值是決定北川河流域地下水質量超標程度的主要指標；各指標在河谷區的超標貢獻率遠大于丘陵山區，這一方面是由于河谷區地下水礦物元素隨徑流路徑的增加而富集，另一方面，河谷區的人類活動污染物排放加劇了地下水水質惡化，尤其是在大通縣城以南的河谷區內，由于階地中后緣分布著眾多的化工、冶金等重污染企業，且在基底抬升的作用下上游河谷區地下水開始溢出補給河水，水位埋深變淺，在徑流過程中極易受地表污染物入滲影響，導致整個河谷區地下水出現不同程度的污染，河谷區地下水中鉛、四氯化碳、硝酸根、氯乙烯等典型污染指標的超標貢獻率明顯大于丘陵山區，且這些污染指標與周邊的主要污染源類型相一致，這也是人類活動加劇河谷區地下水水質惡化的直接證據。

圖6 北川河流域不同地貌單元水化學指標超標貢獻率

3.3 基于資源屬性的水質評價

按照目前基于樣品點數量進行區域水質評價的統計方法，北川河流域丘陵山區和河谷平原區地下水超標率為分別為27.1%，57.0%。這一評價結果表示的是不同地貌單元上超標地下水的分布狀況，其問題在于僅將地下水作為一個單一的環境要素來看待，未能從水量層面上反映地下水的資源屬性，而基于地下水富水性分級的區域水質評價方法則能夠解決上述問題。

公式(1)中，地下水富水系數γ是根據地下水富水性分級進行賦值的。由于在地下水富水性分區圖上,河谷平原區和丘陵山區地下水富水性分級的計量單位不同且無法進行統一,所以,不同區域采用不同的富水系數賦值體系。河谷平原區單井涌水量<100,100～1 000,1 000～5 000,>5 000 m3/d的水井采樣點數量所占比例分別為51.6%,30.1%,12.9%和5.4%,結合收集的鉆孔抽水試驗資料,按照不同富水性等級內的單井涌水量特征值的大小,將河谷區平原區不同地下水富水性分級的富水系數分別賦值為1,10,50,120;泉水采樣點中,流量<0.1,0.1～1,>1 L/s的泉點所占比例分別為11.5%,73.9%和14.6%,其中流量>1 L/s的泉多為黃土底礫石大泉或泉群,流量多大于3 L/s。例如，三角鎮山前泉群流量為11.6 L/s,結合泉流量大小,將丘陵山區地下水富水系數分別賦值為1,5和30,并對各富水分區內的樣品點進行逐一篩選統計(表2)。

表2 研究區地下水富水系數賦值

在使用單指標評價方法評價得到的各地下水樣品點水質分類結果的基礎上，采用目前常用的基于樣品點數量統計的方法計算得到河谷平原區和丘陵山區地下水超標率分別為57.4%和26.3%，全區地下水超標率為41.8%。根據本文提出的基于地下水富水性分區的改進方法計算得到河谷平原區和丘陵山區地下水超標率分別為29.4%和12.0%。按照河谷平原區和丘陵山區地下水資源數量基本相當的比例換算，全區地下水超標率僅為20.7%(表3)。從數值上來看，使用該方法的地下水質評價結果中超標率基本是常規方法計算結果的1/2，而且結合富水性分級的評價結果突出了地下水的資源屬性。

表3 不同計算方法的區域水質超標率對比

4 結 論

(1) 北川河流域地下水化學受天然背景和人為因素控制，具有明顯的空間分布特征。中上游的丘陵山區和河谷平原區廣泛分布HCO3-Ca型淡水，下游紅層丘陵區和河谷平原區受含石膏地層及污染物排放的影響，出現SO4·Cl-Na型的微咸水、咸水及水Cl-Na型淡水；丘陵山區地下水化學組分主要以硅酸鹽巖風化溶解為主，河谷平原區受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖風化溶解共同控制，局部區域在蒸發濃縮作用下富集。

(2) 北川河流域超標地下水分布范圍較廣，但重要地下水水源地均符合Ⅲ類水標準，水質優良。水質超標的主要影響指標為鋁、鐵、總硬度、氟、硼等天然背景指標，鉛、四氯化碳、硝酸根等人為污染指標集中在城鎮及工礦企業周邊，局部呈重金屬、有機物等多指標的復合污染態勢。

(3) 本文提出的基于地下水富水性分區的區域地下水水質表達方法實現了水質評價和水量的結合。與目前單純基于樣品點數量的超標率統計結果相比，一方面，該方法依據富水性特征對單個樣品點的水質類型賦予不同的系數，據此得到的地下水水質統計結果所表達的意義更加符合地下水資源屬性。另一方面，該方法突出了大型優質地下水水源地在區域地下水資源評價中的比重，降低了區域地下水水質超標率的統計數值，有效解決了目前評價結果中超標率普遍較高的問題，可以作為區域地下水水質評價的一種參考方法。