关中盆地潜水环境背景值研究

霍晨琛 钱会 吴昊

摘要：依据关中盆地内487组水质检测数据，在深入分析关中盆地地下水流场、补给径流排泄条件和地下水环境状况的基础上，对研究区进行了较为详细的地下水环境单元划分，运用迭代标准差法和计算分布函数法，求取了关中盆地潜水主要常量组分K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS的环境背景值，分析了各组分背景值的空间分布规律及形成因素。结果表明：地下水补、径、排条件和水文地球化学作用对区内主要常量组分背景值的空间分布起主要控制作用，其中区内阴离子以HCO3-为主，阳离子渭河北岸以K++Na+为主，渭河南岸以Ca2+为主；在渭河以北地区水文地球化学作用主要以矿化和蒸发浓缩作用为主，渭河以南地区以溶滤作用为主。其结果为关中盆地地下水污染评价、水资源开发与保护等提供了科学依据。

关键词：环境背景值；地下水；迭代标准差；计算分布函数；关中盆地

中图分类号：P641；X523 文献标志码：A 文章编号：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

近年来，随着我国人口的不断增长和经济的快速发展，各种环境问题日趋严重，其中地下水污染问题也在日益加剧[1]。在部分城市和广大农村地区，地下水往往是唯一的供水水源。然而，目前地下水污染已成为制约许多地区经济发展的重要因素[2]。对此，众多研究者在地下水污染源分析、污染程度确定、污染时空变化规律等方面开展了大量的研究工作[3-4]。在这些研究中，地下水环境背景值的确定具有重要作用，它是进行地下水污染程度评价及污染治理效果评价的基础。地下水环境背景值是指未受到污染或基本未受到污染的情况下，地下水的化学组分和含量[5]。由于地下水化学成分的形成受到区域地质构造、水文地质条件及地形地貌等多种自然因素及人类活动的影响，因此地下水环境背景值具有时间和空间的概念[6]。地下水中各组分的背景值受到水岩相互作用，地下水补、径、排条件及各种生物化学进程的影响，会表现出局部差异的特点。因此，环境背景值应为一个范围值，而不是一个固定的数值[7]。

地下水是关中盆地生活饮用水的重要来源[8]。近年来，多位学者对关中盆地地下水水化学组分、水化学场演化及水化学特征做过相关研究[9-11]，但研究内容均未涉及地下水环境背景值。因此，本文以关中盆地1997年-1999年地下水质分析资料为依据，运用迭代标准差法、计算分布函数法，确定该区潜水主要离子环境背景值及其空间分布规律，并分析其形成因素。

1 研究区概况

关中盆地位于陕西省中部，西起宝鸡，东至潼关，南依秦岭，北抵北山，是一个三面环山，东面敞开的新生代断陷盆地。盆地属暖温带半湿润半干旱气候带，年均气温12 ℃～14 ℃，年均降雨量500～750 mm，蒸发量1 000～1 200 mm。盆地内主河流渭河自西向东横贯盆地中部，南岸支流密集短小，北岸支流少而长。地势总体西高东低，向东微倾[11]。自山区向盆地中心呈阶梯状降落，依次分布山前倾斜平原、黄土台塬、河谷阶地。本文选取水样数据较多的渭河北岸泾河以西和渭河南岸汤峪河以东地区为研究区，涉及西安、宝鸡、咸阳和渭南4个行政市。

关中地区沉积了厚逾千米的第四系松散岩类，地势低平，岩层透水性好，为地下水的赋存和运移提供了良好的空间。盆地内潜水主要包括洪积漂石、砂砾石与粉质黏土等互层孔隙潜水，冲积砂砾卵石层孔隙潜水和风积黄土层孔隙裂隙潜水。潜水流动方向与地形坡度一致，由秦岭、北山山前向盆地中心偏东流动（图1）。径流排泄、蒸发排泄、人工开采是潜水主要的排泄方式。

2 地下水环境背景值研究

2.1 地下水环境背景值研究方法

1924年，美国学者F.W.克拉克首先发表了背景值方面的报告；[HJ2.4mm]1975年，美国学者J.J.康纳等人在对各环境要素化学元素丰度值研究的基础上，提出了美国部分地区的环境背景值。中国自1976年开始，从环境科学角度出发，对北京、南京、广东、松辽平原等地区的土壤环境背景值进行了调查和研究，并引入“土壤环境背景值”概念。20世纪80年代初，我国水文地质学家正式提出了“地下水环境背景值”[12]。

地下水环境背景值的确定有多种方法，如类比法、历史曲线法、数理统计分析法等。其中，类比法是一种间接方法，通过研究与工作区地质、地貌、水文地质条件相似区域的地下水环境背景值，以代表工作区内的背景值；历史曲线法是基于研究区内长序列地下水化学观测资料，研究未出现阶跃变化的记录数据以确定研究区的背景值。相比之下，数理统计分析法是目前应用最多的方法，包括划分水环境单元、布点、取样分析，剔除异常值、确定环境背景值等步骤[13]。

数理统计分析法又包括概率图法、回归分析、迭代标准差法和计算分布函数法等[14-15]。多数数理统计方法通常基于样本数据服从正态分布的假设，而迭代标准差法和计算分布函数法既不需要某一特定的先验分布，又可适用于相对数量较少的数据集（n>30）[16]。

本次地下水环境背景值研究充分利用1997年-1999年关中盆地潜水水质分析资料，区内潜水水样共487组，[HJ1.9mm]样品采集深度为120～300 m。对于n>30的水环境单元，运用迭代标准差法和计算分布函数法计算各组分环境背景值，并对两种方法的适用性进行比较分析。其基本方法是先剔除异常数据以确保剩余数据服从正态分布，再运用Lilliefors检验法进行正态性检验，最终确定背景值范围。

对于n<30的水环境单元，运用Grubbs准则对数据中的异常值进行剔除，并运用SPSS统计软件，在判断各指标符合何种分布类型的基础上，对各水环境单元的地下水环境背景值进行确定。本文对K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS 7项常规指标进行了地下水环境背景值计算与分析。

2.2 地下水环境背景值单元划分

环境背景值单元是指一定时间、一定范围内水环境要素和元素一致的水域地区，具有时间和区域变异性[17]。合理划分环境背景值单元，对研究地下水环境背景值特征和客观规律具有重要作用。

依据研究区内地下水的形成条件，赋存特征、介质特点和地下水类型等，并结合气象、地貌类型，共划分为10个环境背景值单元[18]（图2）。

2.3 地下水环境背景值计算

对于n>30的水环境单元（Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅹ区）运用迭代标准差法和计算分布函数法计算，数据统计分析采用文献[16]提供的Excel宏完成，计算结果见表1。

n<30的水环境单[HJ2.2mm]元（Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ及Ⅶ-Ⅸ区）运用Grubbs准则对数据中的异常值进行剔除，并运用SPSS统计软件，在判断各指标符合何种分布类型的基础上，确定各水环境单元中各组分的地下水环境背景值，其详细过程如下。

（1）剔除异常值。

为了获取真实的水环境背景值，必须对测定数据进行检验，以避免在采样、送检和分析过程中可能存在的污染[19]。采用Grubbs准则（取显著性水平α=0.01时判断为异常值），对各水环境单元内数据进行检验，若某一水样的某一指标测试值存在异常，则剔除该指标，而不清除这一水样记录[20]，检验结果见表2。

（2）检验分布类型。

选用SPSS软件中的Kolmogorov-Smirnov法和Shapiro-Wilk法（W检验）对各统计单元内各组分含量概率分布类型进行综合判定（信度选为0.05）。组分含量测试值的分布类型为正态或对数正态分布，不满足上述两种分布类型的，统一作偏态分布。

（3）确定背景值。

各组分背景值是一个范围值，而不宜用某一确定数值来表示[18]。根据地下水组分测试值的分布类型，采用不同的统计计算方法，其中，正态分布类型采用算术平均值法，对数正态分布类型采用几何平均数法，偏态分布则采用累积频率法[13]。

在运用SPSS统计软件分析各组分分布类型的基础上，由上述方法对Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ及Ⅶ-Ⅸ水环境单元内各化学组分背景值进行确定（见表3）。

3 结果讨论

表1表示分别运用迭代标准差和计算分布函数法计算得出的水环境单元Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅹ区各组分环境背景值。各个水环境单元中大多数组分测试值服从正态分布，且这两种方法确定的大多数组分背景值具有相似的结果，说明运用这两种方法计算地下水环境背景值得到了比较合理的结果[7]。然而，两种方法的计算结果在少数情况下也存在明显的差异，现说明如下。

如图3、图4所示，在北山洪积扇孔隙水环境单元（Ⅰ区）中，运用迭代标准差法计算的TDS背景值上限较高，且没有通过Lilliefors检验。其原因是，此方法目的是构造一个正态分布，而此时TDS近似服从离散性较大的偏态分布，集中值落在两个峰之间，较大的离散性会造成对背景值上限的过高估计。渭北一级黄土台塬孔隙裂隙水环境单元（Ⅲ区）中的HCO3-离子也是类似情况。因此，迭代标准差法不适用于服从偏态分布的数据。

图5、图6表示两种方法在临潼至华县一级黄土台塬孔隙裂隙水环境单元（Ⅵ区）的HCO3-离子背景值计算中存在显著差异。迭代标准差法可以将低于下限和高于上限的异常值剔除，且通过了正态分布检验，背景值为294.7～494.3 mg/L；而计算分布函数法得出的背景值是215.7～557.8 mg/L，但没有通过正态性检验。因此，对于在自然状态下，组分的浓度分布几乎都倾向于较高值且较低值很少的情况下，用迭代标准差法计算背景值更合理。

图7和图8分别表示了K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-及HCO3-离子在各水环境单元内的背景值（集中值）对比曲线图。不同水环境单元内各离子背景值具有明显差异性，但呈现出一定的规律性。从图8中可以看出，在渭河北岸，K++Na+较富集，其背景值在各水环境单元内大小表现为Ⅰ区>Ⅳ区>Ⅲ区>Ⅱ区。Ⅰ区位于漆水河至泾河北山洪积扇前缘，水系少，径流条件差，主要受矿化作用的影响，K++Na+较富集。而Ⅱ区位于漆水河以西，水系发育，径流条件较好，以溶滤作用为主，矿化作用减弱，阳离子的背景值表现为Ca2+>K++Na+>Mg2+。而在Ⅲ、Ⅳ区分别为渭河北岸黄土台塬区和渭河冲积平原，地势低平，径流滞缓，加之黄土对阳离子的吸附作用及蒸发浓缩作用增强，加剧了K++Na+离子升高。在渭河南岸由于秦岭洪积平原及各支流冲积平原内径流条件通畅，阳离子背景值整体表现为Ca2+>K++Na+>Mg2+的特征。由图可见，K++Na+离子背景值由东向西、自北向南呈递减趋势；从阳离子分布特征来看，渭河北岸矿化作用较南岸强。

从图8可以看出，关中盆地地下水化学成分中阴离子以HCO3-为主，其背景值占绝对优势。在洪积扇前缘和渭河冲积平原，由于含水层岩性变细，地下水径流缓慢，水交替作用弱，Cl-、SO42-出现一定程度的富集。从表2和表4可以看出，Cl-、SO42-离子背景值变异系数较大，属于气候和人类活动变化的敏感性因子，对地下水盐化起着重要作用。

总体来看，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+背景值较渭河以北高。在地下水流滞缓、矿化作用和蒸发浓缩作用强烈的区域，地下水水环境有利于K++Na+、Cl-和SO42-离子的富集。可见，关中盆地主要常规组分背景值特征受到地质地貌、水文地质条件和水化学作用的影响。

4 结论

（1）本文通过对关中盆地水文地质条件和地下水环境状况的深入研究，对关中盆地进行了详细的地下水环境背景值单元划分，运用迭代标准差法和分布函数法求取了关中盆地潜水主要常量组分K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、TDS的环境背景值。

（2）7项化学指标环境背景值在研究区的分布情况总体上表现为阴离子以HCO3-为主，阳离子渭河北岸以K++Na+为主，渭河南岸Ca2+为主。黄土台塬孔隙裂隙水和渭河阶地孔隙水环境单元各组分的背景值高于洪积扇孔隙水环境单元。这一规律基本体现了地下水流动系统中补给区与排泄区地下水组分含量变化的特点，符合地下水水化学类型形成演化规律，且验证了所划分的背景值单元的合理性。

（3）渭河以北地区水文地球化学作用主要以矿化和蒸发浓缩作用为主，渭河以南地区以溶滤作用为主。

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