河西走廊浅层地下水主离子特征及水质评价

王 姝，高 宗 军，王 贞 岩，吴 玺，安 永 会，刘 久 潭

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛266590； 2.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定071000)

近些年来，由于地球化学环境的改变与人类活动的影响，导致浅层地下水环境受到不同程度的污染，并造成了一系列不良后果[1]。通过研究地下水水化学特征，并在此基础上对水质进行评价，不仅能查明地下水与所处环境的相互作用机制，还可以反映区域地下水水体质量状况，这对所研究区域地下水资源的保护、管理以及合理开发利用具有重要的指导意义[2]。

河西走廊是丝绸之路经济带要地，同时还是甘肃等地的重要生态屏障[3]，但由于近些年来人类活动的影响以及环境的改变，河西走廊地下水环境问题突出，严重影响到当地居民的生活。

白福、丁宏伟等[4-5]在研究河西走廊地下水水化学特征中揭示了地下水水化学组分自补给区至排泄区存在典型的水平分带和垂直倒置分异规律；卢颖等[6]运用聚类分析方法得出了张掖盆地水化学特征主要受控于蒸发浓缩作用，并说明了不同区域水化学类型具有一定的差异性且呈明显的水文地球化学分带性；王礼恒等[7]对河西走廊地下水同位素特征及水化学组分进行了比较总结，提出河西走廊地下水属于独特的水文循环模型，即冰雪融水-地下水系统；李慧、邢彬等[3,8-9]对张掖地区、高台县等地分别作了详细的水质状况分析，但目前对河西走廊水化学及水质进行综合分析的研究较少。本文对河西走廊浅层地下水的主离子特征以及水质状况做了初步分析研究，对研究区地下水水资源的合理开发利用与保护管理具有一定的指导意义。

1 研究区概况

1.1 自然条件

河西走廊位于我国西北干旱半干旱地区的黑河流域，该流域是我国西北部的第二大内陆河流域，范围覆盖青海、甘肃和内蒙古三省。河西走廊内的主要城市包括青海省祁连县，甘肃省张掖市、酒泉市和嘉峪关市，以及内蒙古自治区额济纳旗。研究区地理坐标介于94° E～102°30′ E、37° N～41° N之间，深居亚欧大陆腹地，四面高山环绕。流域内气候主要受中、高纬度西风环流和极地冷气团控制，因而表现为太阳辐射强，昼夜温差较大，干燥多风，降水稀疏且时间分布不均(主要集中在7～9月份)[10]。研究区所处的黑河流域表现为一个独立的水流系统，根据系统内地表水与地下水之间的水力联系及其归属，可将该流域划分为东、中、西3个水流子系统[11]，研究区位于黑河流域中、东部，祁连山和龙首山、合黎山分别为流域的南北边界，东西又分别受大黄山隆起、榆木山隆起和文殊山隆起的制约,如图1所示。研究区地势总体南高北低，呈现两高夹一低的NWW向条带状格局，由南西向北东依次呈高山-盆地-次高山景观。

图1 研究区及采样点位置

1.2 地质及水文地质条件

河西走廊属于祁连山地槽边缘坳陷带，由一系列具有共生关系的构造-地貌盆地所组成[12]，各盆地之间多为低矮的构造山梁或基底隆起分隔。区内主要为第四系松散堆积物，沉积厚度达百米以上，成为地下水赋存的主要场所。

河西走廊含水层岩性变化总趋势由山前向平原变细，从南到北由单一砾卵石渐变为上部黏性土夹砂、砂砾石，下部大厚度砂砾石的双层结构[13]，地下水类型由潜水变为上部潜水、下部承压水。图2表示自西北向东南跨越河西走廊，即穿过高台县、临泽县和张掖市的剖面图。走廊东南部，地下水主要接受降水的入渗补给，以地表径流形式流出山区进入张掖盆地；走廊中西部因含水层导水性变弱，泉水和泄流是该区域地下水的主要排泄途径，研究区主要位于地下水排泄区,其水文地质图如图3所示。

注：1为第四系松散沉积物, 2为新近系砂砾岩, 3为白垩系泥岩, 4为华力西期花岗岩, 5为前震旦系花岗岩

图2 河西走廊地层剖面示意(虚线为推测)

Fig.2 Stratigraphic profile of Hexi Corridor (Dotted line is speculation)

图3 研究区水文地质示意

2 数据来源与评价方法

2.1 数据来源

本研究共选用浅层(<100 m)地下水水样75个(见图1)。采样点均匀分布于河西走廊。地下水水样多取自机民井，取样容器选用聚乙烯塑料瓶。取样前将取样容器用所取地下水清洗3～5次，取样后在现场用石蜡密封瓶口并贴上标签，尽快送至实验室进行检测。所采水样埋深、经纬度、水温、pH、TDS、电导率等参数在现场使用便携式检测仪检测得到，其他项目在中国地质调查局水文地质环境地质调查中心实验室进行统一化验。样品从采样、送样、保存到化验均严格依照标准进行，采样和化验操作过程严格遵循GB/T 14848-2017《地下水质量标准》[14]中的规定进行。

2.2 分析方法

为分析研究区水化学组分及类型，在本次研究中对水化学数据进行了数理统计分析和相关性分析，使用AquaChem软件绘制了所取样品的Piper三线图[15]，并使用舒卡列夫分类法对水化学类型进行了详细分类。为进一步对水样数据的水化学组分特征进行分析，绘制了Gibbs图[16]与离子比例图。同时，采用了模糊综合评价法[17]和内梅罗指数法两种方法对研究区浅层地下水进行了水质测评，并分析对比了两种方法基于相同数据得出的评价结果，进而对研究区的水质状况进行了综合评价。

3 结果与分析

3.1 地下水水化学特征

3.1.1地下水统计特征

地下水中的化学组分是在一定的地理和地质背景下地下水与环境长期相互作用的产物[18]。描述性统计分析方法有助于理解地下水中各种化学成分的富集和变动规律[19]。所取浅层地下水水样的水化学参数的统计分析结果如表1和图4所示。

表1 研究区浅层地下水水化学参数描述性统计特征值

图4 水样离子特征箱形图

3.1.2水化学类型分布规律

根据舒卡列夫分类法可将研究区浅层地下水整体划分为HCO3·SO4-Mg·Ca型(26.7%)、HCO3·SO4-Na·Mg型(25.3%)、HCO3·SO4-Mg型(13.3%)和SO4-Na·Mg型(10.7%)。

Piper三线图常被用于分析地下水的组成与迁移规律[20]，这种方法的优点是不受各种人为因素的影响，各离子的相对含量及水样的基本化学类型可直接反映在三线图中[21]。使用AquaChem软件处理水样数据并绘制出Piper三线图，如图5所示。

图5 研究区各水样点水化学Piper三线图

3.1.3离子相关性分析

利用相关性分析处理地下水的水化学数据，可以反映出各参数之间的相似相异性[22-23]，并对地下水来源的一致性进行判断[24]。本次研究中使用SPSS软件,对研究区浅层地下水水化学参数的相关性进行了分析，结果如表2所示。

3.1.4地下水化学成分来源分析

Gibbs图是控制水化学主要机制的一种有效方法，在水化学成分与气候或地质特征之间的关系研究中得到了广泛的应用[25]。如图6所示，本次研究将各水样的相关数据进行了处理并绘制于Gibbs模型中。

图6 研究区各水样水化学Gibbs图

由图6可知，研究区绝大多数水样分布于Gibbs模型中，且均分布在蒸发-结晶控制区域，表明研究区地下水的化学成分主要受蒸发作用和结晶作用的影响。由于研究区位于干旱半干旱地区的地下水排泄区，地下水在该地涌出后经强烈的蒸发作用致使水分大量散失，而水溶液中的盐分则滞留下来保存于土壤中，长时间的积累过程中浅层地下水的TDS不断升高，从而成为了地下水水化学组成的主要来源。

表2 水化学成分相关系数矩阵

注：*和**分别代表0.05和0.01的显著水平。

图7 浅层地下水主要离子的比例系数

Fig.7 Proportional coefficient of major ions in shallow groundwater

3.2 水质评价

3.2.1评价因子与评价标准

本次研究依据获得的水质分析数据，选取钠、氯化物、硝酸盐(以N记)、硫酸盐、TDS、pH和总硬度7项主离子污染指数作为评价因子，评价标准选用GB/T 14848-2017《地下水质量标准》[14]中规定的Ⅲ类水标准。

3.2.2水质评价结果

按照2.2节所列方法，利用公式进行模糊综合运算，获得水质评价结果，如图8所示。同时采取内梅罗指数法获得水质评价结果，如图9所示，以便于对照。各点目标水质为Ⅲ类。

由图8可见，利用模糊综合评价法得到的评价结果中，上坝镇、下河清、临泽县和张掖市周围的浅层地下水水质较差，评价结果为Ⅴ类水，不经适当处理不适合作为生活饮用水源；而其他地区水质评价结果较好，为Ⅰ-Ⅲ类水，可直接作为生活饮用水使用。就Ⅴ类水地区进行分析，由于上坝镇、下清河地区补给径流量减少，地下水埋深变浅，加上强烈的蒸发浓缩作用使得该地区表层潜水矿化度持续升高，盐分源源不断浓缩析出，导致该地区水质整体较差；在临泽县、张掖市等人类聚集地周围，不合理的施用农药、化肥，生活废水随意排放，工业废水未经正规处理随意排放等均对水质产生了很大影响。

如图9所示，根据内梅罗指数法得到的水质评价结果，可以发现研究区内浅层地下水水质整体较差，仅有34.7%的水样水质为Ⅰ～Ⅲ类，这些水样主要分布在河流沿岸地区。Ⅳ～Ⅴ类水样点主要分布在人类聚集地处，如上坝镇、下河清、盐池西部、高台县、临泽县及张掖市周围。

图8 模糊综合评价法所得水质结果

分析对比两种评价结果所得数据(见表3)可知，水质较差水样点的分布范围大致相似，主要分布在上坝镇、下河清、临泽县、张掖市周围，但内梅罗指数法所得的水质较差的水样点较多。产生这种现象的原因主要是由于内梅罗指数法受突出因子的影响较大，而模糊综合评价法充分考虑了各项指标之间的随机性和模糊性，既考虑各因子对水体的危害程度，也考虑各评价指标之间的非线性关系，将水质评价问题转变为计算问题，评价结果更合理。

图9 内梅罗指数法所得水质结果

表3 两种评价方法所得每种类型水样点的数量

3.3 水化学特征与水质分析结果比对

4 结 论

本次研究对河西走廊浅层地下水的主离子化学特征进行了分析，并采用模糊综合评价法与内梅罗指数法，对研究区浅层地下水水质进行了评价，可以得出如下结论。

(3)在研究区的水质评价过程中，模糊综合评价法显示出了较好的效果。分析模糊综合评价法所得结果，研究区内的浅层地下水水质30.0%属于Ⅳ，Ⅴ类水，70.0%属于Ⅰ～Ⅲ类水，总体水质较好；而依据内梅罗指数法所得结果，研究区65.3%的浅层地下水水质属于Ⅳ，Ⅴ类水，污染物超标，这与该方法受突出因子影响较大有关。两者相比较，应用模糊综合评价法所得水质评价结果更加客观、有效。

(4)分析对比河西走廊浅层地下水水化学特征与水质评价结果，总体来看，水质较差的区域水化学组分中基本都存在超标项。