黑水县地下水的水化学特征及水质评价

康武略，李 晓，阳 畅，陈 思



黑水县地下水的水化学特征及水质评价

康武略1,2，李 晓1，阳 畅2，陈 思2

（1.成都理工大学，成都 610081；2.重庆地质矿产研究院，重庆 610081）

为了查明黑水县地下水的化学特征及水质，通过描述性统计方法，对比评价了黑水县地下水水质。黑水县地下水各元素的变异系数基本上都在30%～100%之间，呈现中等变异性；水化学类型由西北至东南呈HCO3-Ca·Mg型水→HCO3-Na·Ca型水→HCO3·SO4-Na·Ca型水，由于断层深层水交换，存在SO4-Na·K型水；由于下层含油地层较浅，生成了高pH低矿化度的地下水。经取样和水质评价，居民饮用地下水的水质多为III类水、IV类水，经过处理以后，可以供当地居民饮用。

地下水；水化学特征；水质评价；黑水县

黑水县是四川省阿坝藏族羌族自治州下辖县（图1），县域地势由西北向东南倾斜，地形地貌主要为V型峡谷地貌，高程由 1 500m～4 000m。境内主要有黑水河、毛儿盖河、小黑水河三条岷江支流。

黑水县属季风高原型气候，旱、雨季分明，日照充足，气温年差较小，日差较大，并随海拔高度不同差别较大，高山与河谷年均气温差值达20℃，平均气温9.5℃，多年平均气温最高在7月为20.4℃，最低在1月为-0.6℃。境内降雨分布不均，夏季集中，秋季阴雨连绵，年平均降雨量835.8mm。

研究区的地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙-孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水三类。松散岩类孔隙水分布在河流沟谷周围，碳酸盐岩类岩溶水在黑水县内零星分布，区内大部分地区分布着基岩裂隙-孔隙水。

图2 黑水县取样点分布图

1 样品的采集与测试

1.1 样品的采集

采集样品为40组，取样点均为黑水县居民所饮用的民井。且由于黑水县特有的高山峡谷区地貌，居民最主要地下饮用水均沿河流分布，取样深度为1.9m～27m间，所取到的水样主要为基岩裂隙水，存在部分岩溶裂隙水和第四系孔隙水，取样点分布如图2所示。

1.2 样品的测试

水质共检测了29项水质指标，其中Se、Cd、Hg、As、Zn、Pb、Cu、Cr6+、Al、NH4+、NO2-、CO32-等14项水质参数含量未检出或低于水质检测设备最低检出限，进行水化学分析及水质评价时所用指标为其余15项指标。

2 成果与分析

2.1 地下水水化学特征

本次对取样的结果进行了水化学参数的描述性分析（表1）。

表1 黑水县水质水化学参数描述性统计特征值

可以看出，pH在7.2～9之间，部分pH值大于国家饮用水标准，变异系数为6.1%，差异性较大。

NO3-、偏硅酸、总硬度、TDS、游离CO2、耗氧量、Fe3+、F、Fe2+等元素的变异系数为30%～100%之间，为中等变异，证明在调查区范围内，数值存在着一定的差异，但是差异性不大。NO3的值为0.02～8.95mg/L之间；调查区NO3主要来自于人为污染。可以看出此次所取40组水样，受到人为污染较小。TDS值在156～666.5mg/L之间，为淡水，符合居民饮用水标准，总硬度在15～196.3mg/L之间，基本上为软水。

Mn离子含量的变异系数大于100%，为重度变异，调查区整体上差异系较大，且Fe、Mn的平均值均大于地下水评价标准，部分地区存在Fe、Mn富集区。

K+NA、Ca、Mg、HCO3、SO4、Cl变异系数均大于30%～116％，变异性中等，说明取样点间存在一定差异，根据七大主离子含量所生成的piper图3。

图3中可以看到，阳离子集中在阳离子三角形下方，Mg+含量较少，而阴离子主要为HCO3-与SO4-，结合菱形的类型点分布情况，我们可以看出黑水县的地下水水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca、SO4-Na·K型水。

图3 七大主离子含量piper图

图4 研究区水化学特征分布图

通过计算各水样上述离子的摩尔/升的百分比，可以看出黑水县的水化学类型在整体上主要受地形地貌的影响，在西北角的水化学类型以HCO3-Ca·Mg为主，向东南过渡至知木林区水化学类型变为HCO3-Na·Ca，再继续向南则地下水水化学类型变为HCO3·SO4-Na·Ca，在校场有部分地区地下水化学类型为SO4-Na·K。研究区水化学特征分布图如图4所示。

2.2 水化学特征的形成机理

黑水县的地下水水化学特征较为复杂，其在整体上主要还是受地下水补给、径流、排泄条件的影响，沿地形自西北至东南其矿化度逐渐升高，从水化学参数和水化学类型空间特征的分析可以看出，形成研究区浅中层地下水化学特征的主要驱动力是溶滤作用，黑水县地层岩性主要为深灰色薄层钙质石英细砂岩，粉砂岩和深灰色绢云母板岩、千枚状板岩、砂板岩1∶1间互层为主，倾向小于30°，在西北高山峡谷地区其坡度较陡，地下水由大气降雨补给，径流时间较短，因此地下水类型是以HCO3-Ca·Mg为主的低矿化度水，向东南随着地面高程的降低，其河流两岸的坡度降低，径流速度减缓，径流时间更长，溶滤作用时间延长，水化学类型逐渐变为以HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Na·Ca的相对较高矿化度的水。

在校场附近由于受到地层构造的影响，在校场区域存在校场山字型构造带的校场冲压性断裂，倾向190°倾角72°。地下水由较远的地层降雨补给下渗，经过深循环长径流在地下进行溶滤作用，在断层处经过断层到达近地面，再与地面下渗的低矿化度的地下水进行混合作用，于是形成在校场区形成了矿化度相对较高的SO4-Na·K型水。

2.3 pH异常的原因探究

在此次调查的40组样中，存在13组样的pH值大于8.3，其中有两组样检测的pH值达到9.0，且检测出pH异常的点，其地下水矿化度是只有为200～300mg/L的低矿化度水，本次所取样的pH值用克里金插值法插值结果如图5。可以看出pH异常点主要聚集在沙石多乡的森工奶子转运站，其余地区相对比较正常。

经过对比，pH异常的13组样其Cl离子含量较低，Na、Ka离子含量相对较高，且在当地已探明地下存在油田气资源。因此此处的产生高pH低矿化度地下水的原因是下层含油地层较浅较易受地表水影响，加之地层压力、温度相对较低，且地层水浓缩时间相对较短，因此地层水矿化度较低。硫酸盐容易溶于与之接触的低矿化度的地层水。此外，地表水渗入地层还可引起硫酸盐的溶解，使地层水中有较多含量的硫酸盐。在封闭的还原环境条件下，硫酸盐就会在有机质或烃参与的情况下发生生物化学作用而还原生成含HS、pH值较高的地下水[1]。

3 水质评价

3.1 选用的评价方法

目前国家最常使用的最差因子评价法、主成分分析评价及改进后的分层构造主成分分析评价这三种方法对黑水所取水样进行对比性分析评价。评价所使用的标准为《地下水环境质量标准》（GB/T 14848-93）[2]和《生活饮用水卫生标准》（GB5749－2006）[3]。

图5 研究区pH值分布图

3.1.1最差因子评价法

是指分别对单个指标进行分析评价，反映地下水中某一单一污染物的情况，其单一污染物的最低评价，为此水样的最终评价结果。

3.1.2主成分分析评价法

是把原来多个变量化为少数几个综合指标的一种统计分析的降维方法。此方法除了可以减少大量指标选择的工作量，还可以消除评价指标间的相互影响，且在综合评价函数中，各主成分的权数为其贡献率，这样确定权数是客观的、合理的，它克服了某些评价方法中认为确定权数的缺陷。本次主因子评价所使用的方法为文献[4]中的方法。

3.1.3改进后的分层构权主成分分析评价法

由于黑水县存在有数个指标大大超过饮用水卫生标准要求，原主成分分析法在处理此类数据时存在模糊性和区分度低的问题。因此此处又采用改进后的分层构权主成分分析评价法[5]，改进后的主成分分析评价法的评价步骤如下：

1）先将不同因子进行标准化转换，将标准化转换后的数据列为一个标准化矩阵。

2）将标准化矩阵使用SPSS进行因子分析，按照方差贡献率大于85%的原则，选取m个主因子，相应的划分为m个子系统，每个子系统中包括p个指标；

3）各子系统重要性赋权权重计算公式为：

式中ωi为各子系统重要性赋权权重；j为指标个数；βij为各因子得分系数；ei为方差贡献率；

4）各子系统分别进行主成分分析，并根据相应的赋权权重进行加权合成得其指标系数。

5）使用标准化后的指标乘上各指标系数，再用标准里的每一级标准值作为特殊水质节点将其标准化，然后加权平均后当成每一级的评价标准，便可看出各水样的水质评价结果。

3.2 评价的结果

通过主成分分析的方法，总共分析出6个主离子，其得分系数矩阵加权平均后的综合指数如表2：

根据主成分分析所得出的6个主离子，可分为6个子系统，各子系统的重要性赋权分别为-15.99%、67.04%、25.48%、12.17%、4.68%、6.61%。其综合指标如表3：

表2 主成分分析综合指数表（10-2）

表3 分层构权主成分分析综合指数表（10-2）

对比以上三种水质评价的结果可以看出主成分分析评价相对比较乐观，在黑水县的水质主要受铁锰离子含量及pH值超标的影响，其余水质指标较好，最差因子评价法又过于悲观，通过使用改进后的分层构权主成分分析评价法判断出来的水质情况与实际水质的情况相符，因此将改进后的分层构权主成分分析评价法所评价的结果，做为本次黑水水质评价的最终结果。

表4 水质评价结果表

从以上水质评价除14号水样与28号水样水质较差外，其余居民饮用地下水的水质多为III类水、IV类水，经过处理以后，可以供当地居民饮用。

本次使用的改进后的分层构权主成分分析的方法，所使用的评价对比方法是以国家所规定的地下水评价标准为特殊点进行对比，其结果比之前作者[5]的分层构权主成分分析的方法更具准确性与说服力。

通过以上三个水质评价的方法，评价的结果如表4。

4 结论

通过取样分析，并使用了描述性统计的方法，根据黑水县的地形地貌、地质构造，研究了黑水县的地下水水化学特征，并分析了黑水县森工奶子转运站产生高pH值低矿化度地下水的成因，且运用三种不同的水质评价方法对比评价了黑水县的地下水水质情况，得到以下结论：

1）黑水县地下水的铁锰含量部分地方聚集，pH值较高。黑水县的各指标变异系数基本上都在30%～100%之间，呈中等变异性。

2）黑水县的地下水化学类型空间上由西北至东南分别为HCO3-Mg·Ca型水、HCO3-Na·Ca型水、HCO3·SO4-Na·Ca型水，在校场附近由于存在断层，深处地下水上涌，产生了SO4-Na·K型水。

3）在黑水县森工奶子转运站附近，由于受下层含油地层的影响，出现了pH值异常的现象。

4）三种水质分析方法对比，改进后的分层构权主成分分析评价法判断出来的水质情况与实际水质的情况相符。研究区居民饮用地下水的总体水质一般，经过处理以后，可以供居民饮用。

[1] 沈立成.中国西南地区深部脱气（地质）作用与碳循环研究.重庆:西南大学,2007

[2] 国家技术监督局; 地下水质量标准（GB/T 14848-93）,1994-10-01

[3] 卫生部; 生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）,2007-7-01

[4] Y Ouyang; EVALUATION of river water quality monitoring stations by principal component analysis [J]; 《Water Research》, 2005,39（12）:2621-35

[5] 李连香，许迪，程先军,等.基于分层构权主成分分析的皖北地下水质评价研究;资源科学;2015;37（1）:61-67

[6] 王建平，谢洪毅.阿坝壤塘县大骨节病区环境水文地质调查;资源环境工程;2006;20（1）:48-51

[7] 安乐生，赵全升，刘贯群，等.代表性水质评价方法的比较研究;中国环境监测;2010;26（5）:47-50

[8] Chapagain S K，Pandey V P，Shrestha S，etal. Assessment of deep groundwater quality in kathmandu valley using multivariate statistical techniques. Water，Air & Soil Pollution;2010;210（1-4）:277-288.

[9]Nosrati K，Van Den Eeckhaut M. Assessment of groundwater quality using multivariate statistical techniques in Hashtgerd Plain，Iran. Environmental Earth Sciences;2012;65（1）:331-344.

[10] 黄浩，陈林，岳芯，等. 四川黑木卡龙沟钙华形成影响因素[J]. 四川地质学报，2017，37（4）：639-642.

Hydrochemistry and Water Quality Evaluation of Groundwater in Heishui County

KANG Wu-lue1，2LI Xiao1YANG Chang2CHEN Si2

（1-Chengdu University of Technology, Chengdu 610059；2-Chongqing Institute of Geology & Mineral Resources，Chongqing 401120）

The study results are as follows: variation coefficients of various chemical elements in groundwater in Heishui County range from 30% to 100%, showing moderate variability. Hydrochemical types vary from HCO3-Ca·Mg type through HCO3-Na·CA type to HCO3·SO4-Na·Ca type from the northwest to the southeast. A SO4-Na·K type water results from deep water exchange in the Jiaochang. A pH-high and salinity-low groundwater is formed due to the buried shallow lower oil-bearing beds. Water quality of the underground water is mostly II type and IV type. After treatment, this underground water can be used as drinking water.

underground water; hydrochemical characteristics; water quality evaluation; Heishui County

2017-12-26

康武略（1991-），男，广西桂林人，技术员，地下水水环境的相关研究

P641.3

A

1006-0995（2018）04-0613-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.018