定邊縣山前平原地下水水化學特征分析及水質評價

李建華，徐向東，劉 鵬，王 瑋

（1.長安大學 水利與環境學院，陜西 西安 710000；2.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054）

地下水資源是人類飲用水、灌溉用水和工業用水的重要來源，尤其是在水源稀缺且分布不均的干旱半干旱地區。隨著人口的快速增長和工農業開發規模的不斷擴大，地下水污染已成為許多國家和地區面臨的環境問題，地下水水質對整個社會的發展顯得越來越重要［1］。世界各地學者普遍認為基于單一參數的水質評價不能反映整體水質，由此提出了基于多參數的機器學習法、主成分分析評價法、模糊評價法、灰色系統法和WQI 水質指數法等方法，其中WQI 水質指數法被很多學者用于咸水入侵區域和干旱半干旱地區等水質復雜區域的水質評價，取得了良好效果。Li 等［2］使用WQI 水質指數法和模糊評價法對珠江三角洲多個河口和入海口水質進行了評價，結果顯示WQI 水質指數法評價效果良好。Berhe［3］利用WQI 水質指數法、Piper 三線圖和Gibbs 圖對Amhara 地區用于生活用途和農業用途的地下水水質和水化學特征進行了分析，發現當地雨季地下水比旱季更適合用于灌溉和飲用。Zhang 等［4］利用WQI 水質指數法和人類健康風險評價模型對陜西省渭南地區的地下水水質進行了評價，并對地下水中各項致癌和非致癌因子進行了健康風險評估。Baba 等［5］利用WQI 水質指數法、離子比值法對2009—2014 年加沙地區Dieral Balah 省因海水入侵引起的地下水水化學特征變化進行了研究，結果表明5 a 內當地地下水和海水混合比增加了1%，海水入侵范圍逐漸向內陸地區擴展。

定邊縣是中國重要的畜牧業基地縣之一，定邊平原地區的生活用水和工農業用水的主要水源為地下水，因此掌握研究區地下水水質和水化學特征，對指導當地合理利用地下水資源具有十分重要的意義。但是目前有關定邊地區地下水水質和水化學特征的研究較少，僅葉陽等［6］從鄂爾多斯盆地的大地構造、巖性和古沉積環境等方面對鹽池至定邊地區的水化學場的形成機理進行了分析。本文利用研究區內第四系和白堊系地下水水化學數據，對定邊縣山前平原地下水水化學特征進行分析，對研究區地下水水質和硝酸鹽健康風險進行評估，以期對研究區地下水資源的可持續利用以及促進當地經濟和環境和諧提供參考。

1 研究區概況

研究區為定邊縣北部山前平原地區，位于陜西省榆林市西部，是黃土高原與內蒙古鄂爾多斯荒漠草原過渡地帶，區域內耕地較多，研究區位置見圖1。

圖1 研究區位置

研究區屬溫帶半干旱大陸性季風氣候區，晝夜溫差大，年平均氣溫9 ℃。多年平均水面蒸發量2 290.3 mm，多年平均降水量325 mm，全年降雨主要集中在夏季，7—9 月降水量占全年降水量的50%左右。地勢總體南高北低，南部為高山丘陵地帶，北部為盆地地形的高平原，平原地區多咸水湖、無河流。地層主要為上覆第四系全新統風積砂和下伏白堊系下統環河組、洛河組地層，其中白堊系地層是古沉積中心地層，含鹽量相對較高，這是當地高礦化度地下水形成的原因之一。研究區內潛水含水層以第四系松散巖層孔隙潛水含水層為主，主要分布在平原地區，山前梁崗區分布有白堊系環河組基巖裂隙潛水含水層，主要賦存于基巖風化殼中，受風化殼發育條件控制。研究區地下水等水位線見圖2，潛水流向總體與地形傾向一致，平原地區潛水流動十分緩慢，局部地區地下水會向地形低洼處匯集，以蒸發的形式排泄。除人工開采外，蒸發是研究區地下水的主要排泄方式。研究區地下水主要受降水入滲補給，其次受灌溉回歸水入滲補給和沙丘凝結水補給等。研究區地表水資源匱乏，地下水資源是當地居民生活飲用水的主要來源。定邊縣地下水資源總開采量為35.3×104m3／d，到2013 年地下水資源開采量占可開采量的92%，其中水質適宜的地下水開采量占比已經達到96%。綜上所述，研究區主要面臨地表水資源少、地下水資源水質復雜、地下水資源可持續開采難度大等問題。

圖2 研究區地下水等水位線（單位：m）

2 采樣與研究方法

2.1 采樣

水樣采樣點分布見圖3，采樣過程參照《地下水環境監測技術規范》（HJ 164—2020）。采樣時間主要為2020 年10—11 月，共取地下水水樣93 個，其中：第四系地下水水樣84 個，白堊系地下水水樣9 個。將水樣送至陜西省水土檢測中心進行檢測，水樣檢測指標有總硬度（TS）、溶解性總固體（TDS）、pH 值、等。

圖3 水樣采樣點分布

2.2 研究方法

2.2.1 WQI 水質指數法

WQI 水質指數法是使用各種水質指標評估水質的有效方法［7－8］，通常根據各指標對水質的重要性進行加權，但是權重的微小變化會影響總體水質評價結果［9］。各國學者對于權重的分配并不一致，為了克服這一問題，本文采用Diakoulaki 提出的基于指標相關性的指標權重確定法（CRITIC）計算權重，該方法是一種客觀的權重分配方法，避免了人為分配權重的主觀性。CRITIC 法［10－11］的基本思想是引入對比強度來反映同一指標在各個級別的數值差距，以標準差的形式來表現，標準差越大各級別的數值差距越大；用相關系數來反映指標之間的沖突性，如2 個指標之間具有較強的正相關性，說明2 個指標的沖突性較低，反之，沖突性較高。WQI 水質指數的計算公式為

式中：Cj為第j個指標的信息量；δj為第j個指標的標準差；m為選取的參與評價的指標個數；rij為指標i、j間的相關系數；Wj為第j個指標的權重值，所有權重值之和等于1；Qjk為第k個樣本中第j個指標的質量。

由式（1）和式（2）可知，指標的權重取決于指標的標準差δj和相關系數rij，指標的標準差越大相關系數越小，其包含的信息量越大，被分配的權重也越大。計算δj和rij時應將各指標數值進行歸一化處理，消除不同量綱造成的影響。各參數的計算方法如下：

式中：xjk為第k個樣本中第j個指標的實測值；minxj、maxxj分別為第j個指標的最小值、最大值；bjk為各指標歸一化值為第j個指標的均值；B為由bjk構成的標準矩陣；cov（Bi，Bj）為標準矩陣B中第i、j行的協方差；δi、δj分別為標準矩陣B中第i、j行的標準差；Rjp為第j個指標在純水中的理想值，純水中各離子含量為0，pH＝7，Rjp＝7。

根據WQI 指數將水質分為5 個等級［12］，見表1。

表1 地下水水質分級

2.2.2 人類健康風險評價模型

美國環境保護局（USEPA）建立的人類健康風險評價模型（HHRA）是一種被廣泛用于評估地下水污染物可能對兒童和成年人健康造成有害影響的方法［13］，是計算不同年齡人群有非致癌風險的最有效工具［14－16］。HHRA 包括非致癌風險評價和致癌風險評價，由于屬于非致癌物，因此選擇非致癌風險評價模型［17］如下：

式中：CDI 為慢性每日攝入量；C為地下水硝酸鹽濃度；IR 為攝入率；ED 為暴露時間；EF 為暴露頻率；BW為平均體重；AT 為平均接觸時間；RfD 為硝酸鹽濃度的參考劑量；HQ 為硝酸鹽危害系數，HQ＜1 表示可接受的非致癌風險，HQ≥1 表示對人類健康有害的非致癌風險。根據USEPA 提供的關鍵參數的建議值，模型各參數取值見表2。

3 結果與討論

3.1 地下水水化學特征

用于水質評價的93 個水樣的水化學指標統計結果以及計算WQI 指數所使用的標準值見表3，其中：Ca2＋、Mg2＋的標準值參考《世界衛生組織飲用水質量指南》，其他指標的標準值參考《地下水質量標準》（GB／T 14848—2017）。由表3 可知，第四系地下水和白堊系地下水pH 平均值分別為8.0 和8.2，表明研究區地下水總體呈弱堿性。第四系地下水TDS 值變化范圍為265.8～8 786.8 mg／L，按照TDS 劃分淡咸水，第四系地下水中有44%的淡水、42%的微咸水、14%的咸水。白堊系地下水TDS 變化范圍為2 123.6～7 448.7 mg／L，平均值為3 490.5 mg／L，微咸水和咸水分別占56%和44%。以上結果表明研究區地下潛水以微咸水為主，淡水主要賦存于第四系地下水中，白堊系地下水含鹽量高，主要為咸水和微咸水。

表3 研究區地下水水化學統計結果 mg／L

第四系地下水中各離子的平均含量整體小于白堊系地下水中各離子的平均含量，第四系地下水和白堊系地下水中陽離子平均含量從大到小為Na＋＋K＋＞Mg2＋＞Ca2＋，Na＋＋K＋為研究區地下水中的優勢陽離子。第四系地下水中陰離子平均含量從大到小為，Cl－為優勢陰離子。相較于白堊系地下水中各離子變異系數，第四系地下水中陰離子的變異系數較大，表明第四系地下水陰離子含量的空間差異性較高。

3.2 地下水水質評價

WQI 分類結果見圖4。白堊系地下水9 個水樣全部為Ⅴ類水；第四系地下水中有6 個水樣為Ⅰ類水，僅占第四系地下水的7.1%，有29 個水樣為Ⅴ類水，占34.5%，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類水共占50%，Ⅳ、Ⅴ類水共占50%。總體而言，研究區地下水水質較差，但第四系地下水水質相比白堊系地下水水質好。在所有參與水質評價的離子中超標占比最大，原因是研究區內分布有大面積的耕地，大量使用農藥化肥造成該地區地下水普遍受到硝酸鹽污染。

圖4 水質分類環形圖

各級水質的空間分布見圖5，可以看出研究區地下水水質呈現明顯的空間差異性和逐級分帶性。水質自南向北逐漸變好，由中部向東部、西部逐漸變差。劣質水體整體分布在南部山區以及出山口區域，并沿研究區東、西兩側平原由南向北延伸，呈帶狀分布，將水質較好的水體包圍在研究區中部至西北部的梁崗和平原區域，這與典型水文地質“補給區→徑流區→排泄區”對應的水質演化過程相反，水質呈“逆向”的演化分布，這與葉陽等［6］的研究結果一致。

圖5 各級水質空間分布

3.3 水化學特征

各水樣的Piper 三線圖見圖6，可見各級水質地下水的水化學類型存在較大差異。在陽離子分布圖中，大部分水樣靠近Na＋＋K＋軸分布，其他水樣各陽離子含量相當，無明顯優勢陽離子。在陰離子分布圖中，陰離子含量隨水質等級的變化而發生顯著改變，隨著水質等級的升高，陰離子中Cl－含量明顯增大，含量顯著減小，部分Ⅴ類水中含量有所增大。Ⅰ、Ⅱ類水的優勢陰離子主要為Ⅴ類水的優勢陰離子主要為結合水質的空間分布，可知整體上地下水化學類型由南向北從SO4·Cl－Ca·Mg型和SO4·Cl－Na 型逐漸過渡到HCO3－Na 型。由山區向平原地下水的滲流時間不斷延長，溶解度大的Na＋逐漸占據主要地位，同樣化學性質穩定、原本占據優勢地位的Cl－逐漸被取代。結合地貌和巖性情況判斷，原因可能是南部山區高含鹽量的古沉積地層中的SO4·Cl－Na 型地下水在向平原區流動的過程中，與平原南北向山脈和梁崗處匯聚而來的新鮮地下水發生混合，同時地形變緩，地下水流速減慢導致溶濾作用加強，使得Cl－含量降低而含量升高。

圖6 研究區各水樣水化學Piper 三線圖

3.4 水化學成因分析

各水樣的Gibbs 圖見圖7，可以看出，分布在研究區西北部平原地區的Ⅰ、Ⅱ類水主要分布于巖石風化類型區，其Na＋／（Na＋＋Ca2＋）值較大，部分Ⅱ類水的Na＋／（Na＋＋Ca2＋）值較小；大部分Ⅰ、Ⅱ類水的Cl－／值小于0.5，表明北部平原的Ⅰ、Ⅱ類水水化學組成主要受巖石風化作用影響，同時地下水在流動過程中不斷發生的水巖作用使得Na＋含量不斷升高；Ⅲ類水主要處于Gibbs 圖中巖石風化作用和蒸發結晶作用的過渡區域，其化學組成受到這兩種作用的共同控制。分布在研究區東西部平原地區的Ⅳ類水在巖石風化類型區和蒸發濃縮類型區都有分布，從Na＋／（Na＋＋Ca2＋）值來看，更多水樣集中在蒸發濃縮類型區域，可見Ⅳ類水的形成并不主要受單一水化學作用的影響［20］。結合該類型水分布的地形地貌來看，所在的東西部平原區域地形平緩，地下水埋深淺，蒸發作用強，但是平原地區大面積的農業灌溉可能導致咸水入侵，從而影響地下水水化學成分。研究區南部的Ⅴ類水雖然分布于Gibbs 圖的蒸發濃縮類型區域，但是由圖5 可以看出，南部山區白堊系潛水埋深大于20 m，其蒸發濃縮作用可以忽略不計，其水化學特征由白堊系高含鹽量地層形成。

圖7 研究區各水樣水化學Gibbs 圖

地下水中各離子含量之間的關系（見圖8）可以反映地下水水化學成因［19］。從圖8（a）可以看出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水的γ（Na＋＋K＋）與γ（Cl－）關系點據分布在y＝x附近，表明研究區中部和南部平原地下水中的Na＋和K＋是通過鹽巖（NaCl）溶濾形成的；大部分Ⅳ、Ⅴ類水的Na＋和K＋在y＝x上方，可能由陽離子交替吸附作用或硅酸鹽礦物溶解導致［20］。從圖8（b）可以看出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水的Ca2＋＋Mg2＋與的毫克當量濃度比值都接近1，研究區南部的Ⅳ、Ⅴ類水的Ca2＋＋Mg2＋與的毫克當量濃度比值都小于1，表明研究區水質較好的地下水中Ca2＋和Mg2＋主要來自碳酸鹽和硅酸鹽溶解，南部山前區域地下水與鹽巖和石膏類礦物溶解有關。從圖8（c）可以看出，南部山前區域Ⅳ、Ⅴ類地下水中的毫克當量濃度遠高于的毫克當量濃度，表明該區域的主要來源于蒸發鹽巖的溶解，進一步說明南部山區的劣質地下水主要受古沉積中心的高含鹽量地層的影響。從圖8（d）可以看出，研究區內地下水的γ（Cl－＋Na＋）與呈現顯著的負相關性，說明研究區地下水發生顯著的陽離子交替吸附作用［21］。從圖8（e）氯堿指數關系圖可以看出，大部分水樣分布在左下角的第三象限，表明發生的是陽離子交替吸附的正反應，使得地下水中Na＋含量增大，Ca2＋＋Mg2＋含量減小。

圖8 地下水各離子含量的關系

3.5 人類健康風險評價

研究區成年人和兒童通過飲用地下水產生的硝酸鹽非致癌風險的統計結果見圖9。可以看出，兒童承受的非致癌風險要高于成年人，其原因是兒童的體重遠小于成年人，更容易積累健康風險。成年人承受的硝酸鹽危害系數為0.039～6.71，計算得到平均值為2.07，研究區內有68.8%的地下水可能對成年人的健康產生危害。結合WQI 水質指數法的水質評價結果，Ⅰ類水硝酸鹽危害系數均小于1，Ⅱ、Ⅲ類水中分別有58.3%和83.3%的地下水硝酸鹽危害系數大于1，存在健康風險。兒童承受的硝酸鹽危害系數為0.073～12.52，計算得到平均值為3.33。對于兒童，研究區內有80.2%的地下水存在高硝酸鹽健康風險。依據WQI 水質指數法的評價結果，Ⅰ類水均安全，Ⅱ、Ⅲ類水中分別有68.3%和85.2%的地下水的硝酸鹽可能對兒童健康產生危害，其原因是在未經處理和長時間的直接飲用下，硝酸鹽會在人體內不斷富集，而兒童體重比成年人輕，富集效果會更加顯著。

圖9 健康風險評價箱型圖

4 結論

1）研究區地下水主要呈弱堿性，部分水體呈強堿性；第四系地下水TDS 值變化范圍為265.8～8 786.8 mg／L，白堊系地下水TDS 變化范圍為2 123.6～7 448.7 mg／L；區域內地下水陽離子含量由大到小為Na＋＋K＋＞Mg2＋＞Ca＋，陰離子中污染嚴重。地下水化學類型由南到北從SO4·Cl－Ca·Mg 型和SO4·Cl－Na 型逐漸過渡到HCO3－Na 型。水化學成分主要受蒸發結晶、溶濾作用和陽離子交替吸附作用的影響。

2）研究區內第四系地下水水樣中Ⅳ、Ⅴ類水共占50%，白堊系地下水水樣全為Ⅴ類水，整體水質較差。水質呈現明顯的空間差異性和逐級分帶性，水質“逆向”演化分布主要受古地層巖性和地貌的影響。

3）研究區硝酸鹽健康風險評價結果顯示，成年人和兒童承受的平均硝酸鹽危害系數分別為2.07 和3.33。兒童更容易受到硝酸鹽導致的健康影響，且研究區內分別有68.8%和80.2%的地下水會對成年人和兒童健康產生影響。