1∶5万冲洪积扇含水层水质调查方法探讨

蔡五田， 吕永高， 刘江涛， 边 超， 杨 骊， 石巍巍， 郭 林

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071051； 2.河南省地矿局第一地质环境调查院，郑州 450045； 3.河南省地质调查院，郑州 450001)

0 引言

地下水与固体矿产资源不同，具有动态性，是重要的战略资源之一。一些国家采用不同的调查方法对地下水水质进行动态调查、监测与评价。美国地质调查局(USGS)设计和实施了国家水质评价计划NAWQA[1-5]，从1991年开始，每10 a一轮的国家水质评价，现已进入第三轮，主要采用区域性与专题性水质问题研究相结合的思路，每3 a调查评价一批含水层单元，每10 a研究解决5～10个重大水质问题； 对62个国家含水层水质进行调查，按系统网格随机布点法(取样点密度为1个点/100 km2)布置取样点。苏联按不同调查精度(1∶100万、1∶20万和1∶5万)，对不同地域的水质，选择不同的化学指标进行地下水水质调查[6]，如1∶20万地下水水质调查，主要针对区域性人类活动对地下水水化学组分的影响，对点状、线状和面状污染源进行调查，重点检测有毒、有害组分。日本在地下水水质概略调查时[7]，将监测点分为常规监测点和抽查监测点，常规监测点布设在重要的地下水开发利用区及污染源分布区，抽查监测点按不同网格间距布设，重点地区网格间隔为1～2 km，一般地区网格间隔为4～5 km。2005—2015年，我国按相关技术要求[8]，开展了1∶25万区域地下水污染调查，按单元面积判断法布设取样点，平原为3～4个点/100 km2，山区和丘陵区均为1个点/100～200 km2。

随着我国社会经济和城市化的快速发展，以及人类活动对地下水环境影响程度的加剧， 1∶25万地下水污染调查成果难以满足粮食安全、人类健康、生态安全及科学管理对地下水水质的需求，因此，深入开展我国地下水水质动态调查非常必要。然而，如何规范调查是急需解决的问题。为此，中国地质调查局于2016年启动了主要含水层水质综合调查工程，设置了“豫北山前冲洪积扇含水层水质调查”项目，探索适合我国国情且可指导下一轮地下水水质/污染调查的技术方法。经过野外实践，笔者初步总结了1∶5万冲洪积扇含水层水质调查工作方法，简称“变密度布设调查点,分区分层筛选取样点”的水质调查方法。本文以豫北山前地区冲洪积扇为例，详细介绍该调查方法。

1 技术路线

按照调查工作量预部署、野外调查、取样点布设的技术路线开展调查(图1)。出野外前，编制1∶5万地形地貌图、潜在污染源图、地下水流场图、水化学类型演变图和变密度调查工作量图，了解工作区水文地质条件和潜在污染源分布情况，宏观把握野外调查工作量。野外调查时，真实、全面获取调查区块地下水及其环境信息，合理调整调查点密度，科学布设调查点，现场检测分析水质参数。在取样点布设阶段，对冲洪积扇含水层地质环境进行分区，对不同深度水井开发利用功能进行分层，利用调查点现场水质测试参数，识别和圈定水质变异区，筛选和布设冲洪积扇体各区层地下水样品。

图1 1∶5万冲洪积扇含水层水质调查技术路线

2 调查工作量预部署

2.1 资料收集、建档与摘记

需要收集的工作区资料类型及内容如表1所示，其中水文地质、环境地质报告及附图的总体精度应达到1∶5万。

表1 资料类型及内容

按工作片区建立一级文件档案夹，相关的成果报告、论文和专著建立二级文件档案夹。从基础地质到水工环地质，按从小比例尺低精度到大比例尺高精度的顺序阅读调查成果，将重要信息形成摘要报告并拍照保存，需要记录的信息如表2所示。摘要报告应对表内资料信息的可利用性进行评述。

表2 资料信息摘要一览表

2.2 图件编制

2.2.1 地形地貌图

以三级地貌单元划分豫北冲洪积扇体，分别为冲洪积扇裙区(简称扇顶区)、冲洪积斜地区(简称扇中区)和扇前/扇间洼地区(简称扇缘区)。收集工作区已有钻孔和剖面资料，充分考虑第四系沉积物岩性结构及历史演变，形成工作区地形地貌平面图(图2上)和水文地质剖面图(图2下)。

图2 豫北工作区地形地貌平面图(上)和

2.2.2 潜在污染源分布图

建立工作区潜在污染源信息数据库，字段包括名称、位置、规模、主要污染物和演变历史。将卫星影像图显示的潜在污染源、以往污染源、国控或省控工业污染源及土地利用信息绘制在图上，以点(如加油站和养殖场)、线(如污水渠)、片(如工业聚集区)的形式，形成潜在污染源分布图(图3)。

图3 潜在污染源分布

2.2.3 地下水流场图

将不同年代、不同季节的地下水流场信息及主要地下水水源地位置和开采量叠加，形成地下水流场图(图4)。

图4 地下水流场

2.2.4 水化学类型演变图

以舒卡列夫分类[9]为原则，编制不同年代水化学类型图； 将不同年代水化学类型叠加，形成水化学类型演变图(图5)。标识不同年代地下水水化学类型、重金属超标点、有机物检出点位置和组分等信息。

图5 地下水水化学类型演变

2.3 水质影响因素分区量化

2.3.1 水质影响因素分区

按冲洪积扇地貌单元岩性结构、化学物质组成、体系开放性和地下水流动形式对地下水水化学体系的影响程度，将扇顶区、扇中区和扇缘区概化为简单区、一般区和复杂区。

按密度将潜在污染源分为污染源密集区和污染源一般区，对地下水水化学体系的影响程度概化为复杂区和一般区。

地下水流场分为水力坡度变化较大区(如降落漏斗内、水源地开采区和煤矿疏干区)和水力坡度变化平缓区，对地下水水化学体系的影响程度概化为复杂区和一般区。

水化学类型演变分为突变和相对稳定2种趋势，分别概化为复杂区和一般区。突变是在同一区块、不同年代出现较大差异的水化学类型(如HCO3-Ca型转变为HCO3·Cl-Ca-Na型)或者同一区块、同一年代地下水水化学类型演变出现异常(如自然情况下应由HCO3-Ca型演变为HCO3·SO4-Ca·Mg型，实际却演变为HCO3·Cl-Ca-Na型)。地下水水化学类型的突变，说明人类活动对地下水水化学体系影响较大。

2.3.2 打分赋值

按“简单区1分，一般区2分，复杂区4分”的原则打分赋值。地形地貌按简单、一般、复杂三分法赋值； 潜在污染源、地下水流场和水化学类型演变按一般、复杂二分法赋值。

2.3.3 权重分配与分区叠加

地形地貌、潜在污染源和地下水流场是地下水水化学形成的原因，而水化学类型是地下水水化学形成演化的结果，权重应有所不同，各影响因素的权重分配为： 地形地貌0.2，潜在污染源0.2，地下水流场0.2，水化学类型0.4。由地形地貌、潜在污染源、地下水流场和水化学类型4张图叠加后得分应为1.8～4.0。基于简单和可操作原则，叠加后仍以一般、复杂二分法分区，以2.8为界限(地形地貌、潜在污染源和地下水流场同时出现在一个区域或者水化学类型复杂区至少叠加一个地形地貌、潜在污染源或地下水流场复杂区)，累计得分<2.8的区域为一般区，累计得分>2.8的区域为复杂区。

2.4 变密度调查工作量图

1∶5万区域含水层水质调查的取样点密度为30个点/100 km2，调查点密度是取样点密度的2～4倍。为了便于计算和操作，调查点平均密度为1个点/km2。经试算，水质一般区和水质复杂区水质调查点密度分别为0.25～0.75个点/km2和1.5～2.0个点/km2。

开展野外调查工作前，综合分析相关资料，对工作区地下水水质复杂性初步分区，并以此作为宏观把控野外调查工作量的依据(图6)。

图6 变密度调查工作量宏观控制图

3 野外调查

3.1 调查准备

出野外前，应备好1∶2.5万野外调查工作手图、1∶5万地形地貌图、1∶5万潜在污染源分布图、1∶5万地下水流场图、1∶5万水化学类型演化图、1∶5万野外调查工作量宏观控制图、便携式仪器、调查表格、记录本、电子定位及信息采集设备、水位仪、取样设备和市、县国土或环保部门的介绍信。

3.2 信息获取

以村为基本访问单元，获取豫北山前地区饮水井、农灌井、生活用水井的深度、数量、分布和开采制度等信息，村及周边潜在污染源类型、数量、分布和年限等资料，以及地下水水质变化情况。将上述信息标识在1∶2.5万工作手图上，并存储在电子定位及信息采集设备内，将访问信息和村委会人员联系方式记录在调查表格和野外记录本上，如条件允许，还可请村委会人员做向导，快速确定水井、潜在污染源的具体位置。

3.3 调查密度调整

对照野外调查工作量宏观控制图，结合实际观察及访问情况，现场判断调查区块是否需要调整调查密度。如在宏观控制图上，调查区块属于水质一般区，但经观察及访问后发现该区块水井多、潜在污染源密度高，则应将调查区块调整为水质复杂区。

3.4 调查点布设

3.4.1 调查点分配

在调查区块内布设调查点，要兼顾地下水点(如水井、泉)与非地下水点(如污染源点、地表水点、包气带岩性结构露头点等)以及不同深度水井之间的比例。一般非地下水点的布设比例应控制在10%内，最大不超过20%。豫北山前冲洪积扇含水层分布区，分布有3种不同深度的水井，分别为浅井(0～40 m)、中深井(60～80 m)和深井(>100 m)。在不同地形地貌区，3种深度水井分布和地下水利用也不同。扇顶区，地下水位埋深大，多为饮水和灌溉并用的中深井，极少有浅井，布点一般不考虑水质垂向变化和地下水功能； 扇中区和扇缘区有浅井、中深井和深井，一般浅井用于生活用水，中深井用于灌溉或饮水，深井用于饮水，布点不仅考虑调查区块内调查点数量，还要兼顾水质垂向变化和地下水功能。不同深度水井布点比例随冲洪积扇体及部位不同而变化，一般浅井、中深井、深井的布设比例为2∶1∶2或3∶1∶1。根据不同区域具体情况，调查点布设比例可灵活调整: 在潜在污染源较少、地表水网不发育的区域，非地下水点与地下水点的布设比例可降低； 在潜在污染源较多且浅井多为饮水井的地区，浅井与深井的布设比例可增加； 在深井密度高且用作饮水、浅井密度高但潜在污染源类型单一的地区，可提高深井的布设比例。

3.4.2 潜在污染源分布区布点

调查点布设要考虑潜在污染源类型、地下水流向和污染物可能的迁移方向(图7)。

图7 不同类型潜在污染源分布区调查点布设

3.4.3 地下水降落漏斗区布点

在地下水降落漏斗区(如水源地开采区和矿山疏干区等)布点，主要考虑地下水流向、污染源类型、水化学类型分布及其变化(图8)。

图8 地下水漏斗区调查点布设

3.4.4 现场检测分析

按照《DZ/T 0288—2015区域地下水污染调查评价规范》[10]要求，观察调查点及其周边环境状况，填写调查表。重视水温、溶解氧、电导率、pH值、氧化还原电位和浊度的检测分析。出野外前，必须完成对便携式多参数水质仪器的校准，及时维护和保养仪器。

4 取样点布设

4.1 水质分区分层

4.1.1 分区

豫北山前冲洪积扇分为2种类型。

(1)沉积厚度较大(>100 m)、沉积结构较完整的冲洪积扇，如沁河、丹河冲洪积扇。按非黏性土层与黏性土层累计厚度比例以及沉积物的渗透性，可分为单一区、互层区和多层区。单一区主要由卵砾石及粗—中砂夹粉土为主的黏土透镜体构成，卵砾石砂层累计厚度远大于黏土层； 互层区主要由中—细砂与黏土层(粉质黏土、粉土)交互构成，砂层累计厚度与黏土层累计厚度近于相等； 多层区主要由粉质黏土、黏土、淤泥质黏土夹粉砂、细砂层构成，黏土层累计厚度远大于砂层累计厚度。

(2)沉积厚度小(<50 m)、沉积结构不完整的冲洪积扇，如焦作翁河、涧河山前区，淇河上游及东部冲洪积扇区。该类冲洪积扇与周边不同时代的含水层构成复杂的对接关系，形成不同的地质环境区域。

4.1.2 分层

对于完整冲洪积扇，一般在单一区不分层，在互层区和多层区分2～3层。不完整冲洪积扇一般分2层，如浅层第四系含水层和中深层第三系含水层,或浅层第四系含水层和中深层奥陶系含水层。完整冲洪积扇和不完整冲洪积扇水质分区分层概念模型分别见图9和图10。

图10 不完整冲洪积扇水质分区分层

4.2 取样点数量分配

按分区、分层建立调查点位置、井深、现场水质参数信息数据库； 采用半方差函数和变差系数统计方法，计算各区层水质参数空间变异综合指数； 将各区层面积与水质空间变异综合指数乘积，作为各区层取样点数量的权重数，按权重数的比例大小，得出各区层取样点分配系数； 用取样点密度(如30个点/100 km2)及地下水点比例(如10%)，计算调查区地下水取样点数量，根据分配系数，得出各区层取样点数量。

4.3 水质变异区圈定

观察并分析各区层地下水pH、溶氧(DO)、电导率(EC)和氧化还原电位(ORP)累计频率变化曲线，将斜率突变的高值点或低值点作为水质参数的异常临界值，≥或≤异常临界值视为水质异常。水质参数累计频率曲线斜率变化有4种情况： 一是全段以相同斜率延伸(图11(a))，说明不存在水质异常； 二是高值段斜率无突变，但低值段斜率有突变(图11(b)，红色虚线指示突变点位置)，说明不存在高值水质异常，但存在低值水质异常； 三是高值段斜率有突变，但低值段斜率无突变(图11(c))，说明存在高值水质异常，但不存在低值水质异常； 四是高值段和低值段均有突变，说明存在高、低值水质异常(图11(d))。统一采用克里金插值法绘制各区层水质参数等值线图，以各区层水质参数的异常临界值为界，圈出水质变异区范围。

对照变异区，核实异常点位置、水化学参数及周边环境(如有无潜在污染源)，辨识与实际情况不符的假异常。将相同区层、不同水质参数的变异区叠加，形成不同水质异常特征的多个区域。水质变异区既可由1个参数构成，也可由2个或多个参数构成。

图11 水质参数累计频率曲线

4.4 取样点筛选

采用判断法布控各区层水质变异区取样点，每个变异区最少布设1个取样点，最多不超过3个取样点，取样点应与调查的异常点一致。对于面积小或只有1个异常参数的变异区，布设1个取样点； 对于面积大或存在多个异常参数的变异区，布设2～3个取样点。采用均布法布控各区层水质正常演化区的取样点，布设时统筹考虑以下因素。

(1)变异区的背景值点。在变异区地下水上游或旁侧布设背景点。

(2)水质断面控制点。沿地下水流向和垂直地下水流向形成多条水质断面。

(3)不同深度点。由于水质变异区多出现在浅部含水层，将减少水质正常区浅层水井的取样点数量。为克服该缺陷，应统筹分配同一分区内深层和浅层取样点的数量，尽量在一个分区内形成深、浅结合的垂向水质剖面。豫北某冲洪积扇含水层水质分区分层取样点布设如图12所示。

图12 豫北某冲洪积扇含水层分区分层取样点布设

5 讨论

5.1 基础资料

在调查工作量预部署阶段，需要收集足够的基础地质资料，支撑地形地貌、潜在污染源、地下水流场、地下水水化学类型演变图的编制。工作区前期地质工作精度不能低于1∶20万，前期水文地质、环境地质工作精度总体应达到1∶5万。我国已完成全域1∶20万水文地质调查，一些平原区、盆地区和城市地区已完成1∶5万地质、水文地质和环境地质调查工作，积累了地下水水化学动态资料，并完成了全国工业污染源普查工作，公布了国控和省控污染企业信息。因此，我国大多数地区具备了编图所需的基础资料。然而，这些资料分散在地质、水利及环保等部门，很难在同一部门或单位收集齐全。项目人员应积极与地方政府沟通，形成多部门协作机制，以地质部门为资料支撑点，辐射收集其他部门相关资料。

5.2 变密度调查方法

我国第一轮地下水污染调查，在重点区(如城市区、污染源集中分布区)采用1∶5万调查精度，在一般区(如山丘区)采用1∶25万调查精度。该调查方法固定应用于较大区域，区域一旦确定即无法改变精度。本文提出的变密度调查法，可在固定区域(如冲洪积扇区的扇中区)的不同区块内(如潜在污染源集中分布区与稀疏区)，根据实际情况灵活调整一般区和复杂区，并按不同的精度实施调查。此外，预先编制变密度工作量图，减少了盲目使用工作量，也避免了平均使用工作量，保证足够的工作量投入到水质问题较多和环境复杂的区域。

5.3 水质变异区圈定

大比例尺场地地下水污染羽精细调查研究证明，地下水水化学环境随季节和年度而发生变化，地下水污染羽边界也不固定。由于区域地下水水质调查精度远不及场地高，圈出的水质变异区是一个概略边界。尽管本文要求1∶5万水质取样点密度是30个点/100 km2，但仅根据取样点水质信息圈定水质变异区也较困难。为了提高水质变异区的圈定精度，充分利用野外调查点信息，水点现场水质参数测试工作非常必要。水文地球化学理论与实践表明[11-12]，pH值、溶解氧、电导率和氧化还原电位是指示地下水水化学体系状态及其变化的指标。基于此，本文提出了利用现场水质参数辅助识别和圈定水质变异区的方法。该方法也存在一定问题，比如，在识别分区分层现场水质参数异常临界值时，采用趋势变化观察法具有一定的主观性，临界值具有不确定性，这一问题可采用其他办法得以解决[13-16]。再如，由现场水质参数圈出的水质变异区与实验室某化学组分异常区(如高砷、高氟)的对应关系问题，在现场水质参数变异区内筛选出的取样点，其化学组分(特别是无机组分)与现场水质参数具有一定联系，需运用统计分析和化学分析等手段综合分析，这是下一步的研究方向。

6 结论

(1) 以豫北山前冲洪积扇含水层分布区为例，初步探索出精度为1∶5万含水层水质调查方法。该方法由3个阶段、10余个工作内容组成，步骤清晰，内容丰富,具有较强的操作性，可在我国类似地区含水层水质调查中试用。

(2)编制系列1∶5万图件，调查人员可全面熟悉和掌握工作区地质和环境状况，提升宏观部署野外工作量的能力。

(3)1∶5万水层水质调查方法注重利用现场水质参数测试信息识别和圈定含水层水质异常区，为含水层从点状向面状或空间评价提供新思路。

致谢： 本文是多单位合作和集体智慧的结晶。河南省第一地质环境调查院提供了豫北地区大量基础资料和办公场所，张连胜总工程师及有关领导给予大力支持，刘自富绘制了地下水流场图； 河南省地质调查院余珍友、黄光寿、张乾坤和冯园参与潜在污染源图、水化学类型演变图的整理和调查方法讨论； 山东科技大学王秉顺和秦鹏一绘制文中部分图件。对上述单位和个人给予的支持和帮助表示衷心感谢！