新疆伊犁河谷平原区地下水环境背景值研究

刘慧文 姜纪沂 刘春平 李瑛 韩琦

摘要：综合运用图解法、格鲁布斯检验法、夏皮洛-威尔克检验法等，对地下水化学特征及地下水环境背景值进行分析与计算。研究结果表明：伊犁河谷平原区地下水阳离子以Ca2+、Mg2+为主，阴离子以HCO-3为主，地下水主要水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Ca-Mg、HCO3-SO4-Ca-Mg；该区地下水化学成分的形成以溶滤作用、阳离子交替吸附作用为主，还与人类活动有关。地下水化学元素分布类型以对数正态分布为主，正态分布较少，无偏态分布类型。研究结果对该区地下水的环境影响分析和预测，判断环境污染程度及评定环境质量的优劣，合理开发利用地下水资源具有重要意义。

关键词：伊犁河谷；水化学特征；地下水；水文地球化学；环境背景值；格鲁布斯检验；分布类型

中图分类号：P641 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0107-05

Abstract：Using the Graphic method，Grubbs test，Shapiro-Wilk method etc；this paper analyzed the hydrochemical characteristics of groundwater and then calculated the environment background values.The results showed that the main cations of the plain area of Yili River were Ca2+ and Mg2+，and the main anion was HCO3-.HCO3-Ca，HCO3-Ca-Mg，and HCO3-SO4-Ca-Mg were the main hydrochemical types of groundwater.The chemical composition of the groundwater in this area was mainly related to leaching effect，cation exchange and adsorption，but also depended on human activities.The study is of great importance to the groundwater environmental impact analysis and prediction，judgment of environmental pollution and quality assessment，reasonable exploitation and utilization of groundwater resources.

Key words：Yili river valley；hydrochemical characteristics；groundwater；hydrogeochemistry；environment background values；Grubbs test；distribution type

地下水环境背景值是指在未受污染的情况下，地下水中化学元素和能量的正常含量分布[1]。地下水环境背景值具有空间差异性和时间差异性，是地下水污染评价的基础，是进行环境影响分析和预测的前提，对于判断环境污染程度及评定环境质量的优劣具有重要意义[2-4]。诸多学者进行了地下水环境背景值的研究[5-8]。其常用的确定方法主要有类比法、历时曲线法、数理统计法、趋势分析法、剖面图法、变差曲线法[9]。确定地下水环境背景值的前提是异常值的剔除，剔除准则有拉依达准则、肖维勒准则、格拉布斯准则等[10]。宇庆华等讨论了拉式积分函数法与汤姆松法剔除异常值的优劣[11]，邱汉学等提出了散点图法剔除异常值[12]，齐万秋等提出利用NO-3来剔除人为污染的指标[13]。

伊犁河谷长期以来对资源的过度开发利用，造成生态环境问题日益突出，地下水环境遭受严重污染，已经引起了众多学者的关注[14-17]。对平原区地下水环境背景值的研究相对较少，几乎处于空白。因此，亟需开展对地下水环境背景值的研究。本文利用检验效果好的格鲁布斯检验法剔除异常值，用偏度、峰度检验法与夏皮洛-威尔克（Shapiro-Wilk）检验法对比分析，以确定地下水化学元素浓度频数分布类型，计算出伊犁河谷平原区地下水环境背景值。

1 研究区概况

伊犁河谷位于新疆西北干旱半干旱区，区域范围大，北、东、南三面环山，总体地势东高西低，地下水赋存条件差异大。伊犁河谷地区河网密布，大小河流有120多条，主要由伊犁河及其三大支流，特克斯河、巩乃斯河及喀什河组成，见图1。喀什河谷地中部为新生代陆相堆积物，沉积厚度由东向西逐渐增大，其中赋存的地下水以第四系松散岩类孔隙潜水为主，局部分布承压水。伊犁-巩乃斯谷地第四系厚度由东向西增大，最厚可达近千米，地层结构多次由单层到多层交替，岩层颗粒也多次由粗到细变化，地下水主要是松散岩类孔隙潜水和承压水。昭苏-特克斯盆地新构造运动对地下水其控制作用明显，地下水类型为第四系松散岩类孔隙水；其南北两侧洪积扇上部多为单一卵砾石层孔隙潜水。研究区地下水补给来源包括地表水补给、大气降水入渗补给、基岩裂隙侧向径流补给等。地下水总流向在昭苏-特克斯盆地大致由西向东径流，而在喀什河谷地和伊犁-巩乃斯谷地则大致由东向西径流。矿化度一般小于1 g/L。

2 水文地球化学作用分析

2.1 地下水化学类型分布特征

运用Aquachem软件绘制Piper三线图（图2）。利用图解法分析研究区水化学特征与演变规律[18]。从Piper三线图中的菱形图可以看出，1区水样点数目大于2区，说明研究区碱土金属离子大于碱金属离子，伊犁河谷平原区地下水阳离子以Ca2+、Mg2+为主。3区水样点数目大于4区，即弱酸根大于强酸根，阴离子以HCO-3为主，表明该区浓缩作用不强烈，地下水水化学类型以HCO3-Ca-Mg型水为主。碳酸盐硬度大于50%，说明在地下水的化学成分形成过程中水体中发生的反应以碳酸盐溶滤作用为主。

根据水质分析测试，对地下水进行舒卡列夫分类，得出该区地下水化学类型分区图，见图3。伊犁河谷是典型的“三山夹两盆”地貌。在盆地的隆起部位，岩石被强烈冲刷，水化学类型以低矿化度重碳酸盐型水为主，在盆地的低洼部位，水流速变缓，矿化度增高，水化学类型发生改变[19]。从水化学类型分区图可以看出，乌孙山、阿布热勒山等山麓间的盆地以HCO3-Ca、HCO3-Ca-Mg型水为主，而在巩乃斯谷地、昭苏—特克斯盆地、喀什谷地低洼处，由于蒸发浓缩作用，出现了HCO3-SO4-Ca-Mg、HCO3-SO4-Ca、SO4-Cl-Na、SO4-Na等高矿化度的硫酸盐型、氯型水。

2.2 水文地球化学作用

利用Origin8.5软件，绘制研究区地下水主要离子比例系数图，见图4。由Na+与Cl-的关系可知：γNa+>γCl-，说明地下水化学成分的形成除了含盐地层的溶滤作用外，大部分是地下水在径流过程中的水岩作用、酸化作用使钠长石溶解形成的。（Ca2++Mg2+）与（HCO-3+SO2-4）离子比例系数图显示：大部分点位于1∶1线以上，说明地下水以大气降水补给为主，Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4主要来源于碳酸盐、硫酸盐的风化溶解；小部分点位于1∶1线以下，说明地下水中还存在中硅酸盐的溶解[20]。（Na+-Cl-）与（HCO-3+SO2-4）-（Ca2++Mg2+）的系数图的点的比值接近于1，说明在地下水形成过程中发生了阳离子交替吸附作用。

本文首先采用格鲁布斯检验法进行异常值的剔除，其次利用偏度、峰度检验法与夏皮洛-威尔克（Shapiro-Wilk）检验法对比分析地下水化学元素浓度频数分布类型。通过得到的地下水化学元素浓度频数分布类型来确定背景值计算公式进而计算背景值。

3.2 地下水环境背景值的确定

采用数理统计的方法计算地下水环境背景值，即当水化学元素分布类型为正态分布时，以平均值加减2倍标准差计算背景值，为对数正态分布时，以几何平均值乘除几何标准差的平方作为背景值，具体计算方法参照文献[3]。计算结果见表1。

3.3 分析与讨论

由偏度、峰度检验法与夏皮洛-威尔克（Shapiro-Wilk）检验法对比可知，地下水化学元素分布类型以对数正态分布为主，正态分布较少，无偏态分布类型。通过对地下水有关水化学参数进行描述性统计分析，了解地下水中各化学成分的富集、变化规律[23]。分析结果如下。

4 结语

地下水环境背景值是进行地下水污染评价的前提。本文通过对伊犁河谷平原区地下水化学特征的分析及尚处空白的环境背景值的计算，为该区地下水质量评价、地下水污染评价及地下水污染风险评价提供了依据。对该区合理开发利用水资源，制定地下水保护措施，治理修复水环境污染及维护边境环境具有重要意义。

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