叶尔羌河流域地下水环境背景值研究

康　宁，唐　欢，陈　硕，冯加远

(1.北京求思智云科技有限公司，北京 100085；2.西北大学，陕西 西安 710069)



叶尔羌河流域地下水环境背景值研究

康宁1，唐欢2，陈硕1，冯加远2

(1.北京求思智云科技有限公司，北京 100085；2.西北大学，陕西 西安 710069)

采用数理统计方法，对新疆叶尔羌河流域地下水水化学指标Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS、F-和NO2-的环境背景值进行分析计算。结果显示:地下水水化学指标多以正态和对数正态分布，不同的地质地貌、水文地质单元以及水动力条件等因素对研究区地下水水化学指标的空间分布起主要控制作用。Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS和F-天然环境背景值高，它们的过量富集主要受控于原生地质环境，而NO2-的天然背景值很低，它的过量富集主要受后期人类活动的影响。

叶尔羌河流域；地下水；环境背景值；数理统计

地下水作为水文生态循环系统中的一个不可缺少的部分，对于生命的维持和社会的发展起着重要的制约作用。近年来，随着西部大开发的不断深入，很多地区的地下水水质发生恶化，使得可利用的地下水资源数量大幅度减少，这不仅直接影响居民饮水安全，而且还影响粮食安全和生态安全。地下水环境背景值是指未受人为污染状况下地下水中各物理、化学要素的天然特征值，它反映了地下水各要素随自然环境变化而演化的特征。进行地下水环境背景值研究，需要获取真实可靠的地下水化学资料，以反映地下水在形成过程中的天然状况。

地下水环境背景值的建立不仅是进行水质评价的基础，而且是水资源评价、开发和利用的重要依据。同时对于评价地下水环境污染程度，研究污染来源和污染物运移变化规律等有重要意义。地下水环境背景值也有助于微量元素高值异常研究，探明地方病的起因，是地方病防治工作的重要依据之一。

新疆叶尔羌河流域地下水水质较差，Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS、F-和NO2-在很多地区超过地下水质量Ⅲ类水标准，这些指标中部分组份的过量富集为天然环境背景值较高所致，部分指标则与后期不合理的人类活动关系密切。本文依据叶尔羌河流域2014年地下水水质测试资料，计算分析地下水环境背景值，为合理评价区内地下水水质与污染程度以及分析研究这些超标组份的成因提供依据。

1　研究区概况

叶尔羌河流域位于新疆维吾尔自治区西南部的塔里木盆地西缘，总面积为10.81×104km2，其中山区面积6.08×104km2，平原区面积为4.73×104km2。上游为山地丘陵景观区，中游为人工绿洲景观区，下游为天然绿洲景观区。研究区为降水稀少、蒸发强烈的极端干旱大陆性气候，多年平均气温为11.7℃，多年平均降水量为58.8 mm，多年平均蒸发量为2 138.43 mm。区内主要河流有叶尔羌河、提孜那甫河、乌鲁克河、柯克亚河及保拉沟，四河一沟现已通过工程将其相互贯通，形成可统一调度的叶尔羌河水系。

叶尔羌河流域南部高中山区主要为元古界、古生界和中生界的变质岩、石灰岩、砂岩、泥岩及砂砾岩所组成的基岩构造裂隙水，南部的低山丘陵区为弱透水的第三系砂泥岩与下更新统砾岩层组成的碎屑岩类裂隙孔隙水，平原区为第四系冲洪积扇及其下游的冲(湖)积平原与沙漠区的松散岩类孔隙水。区内地下水在接受侧向地下水径流补给的同时，垂向上与地表水和大气发生着强烈的水量转化和交替，表现为地表水和大气降水的入渗以及地下水的泄出与蒸发蒸腾等。流域水资源形成于山区、消耗于平原区。

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概述[1]

国外对地下水环境背景值的研究方法可归为3类：比拟法、含水层溶解过程的水化学模拟、分离法[2]。比拟法适合于缺乏空间水质分析资料的地区，且只能较粗略地反映背景情况；含水层溶解过程的水化学模拟法需要研究人员具备较好的模型知识、水化学知识，对监测数据要求比较严格，适合于小区域的背景值研究；分离法通过统计方法分析地下水样，需要具备大量质量可靠的水质分析数据，要求研究人员具备专业的统计学知识。

本文选取数理统计方法，运用国际通用的SPSS(17.0)统计软件，在判断各指标符合何种分布类型的基础上，计算叶尔羌河流域地下水中Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS、F-和NO2-等8个指标的统计特征值。

2.2地下水环境背景值计算

2.2.1地下水环境单元的划分

根据叶尔羌河流域地下水形成条件(区域地质构造特征、地形地貌演变历史、地层岩性分布规律)、埋藏特征和介质特点，结合气象、水文条件及地理位置，并参照该区域的地质地貌特征，对水文地球化学作用具有共同性的总体进行归类，将叶尔羌河流域划分为山地丘陵区水环境单元、平原区水环境单元和沙漠区水环境单元。

Ⅰ 山地丘陵区水环境单元：受构造岩性及不同外力地质作用，地形由西向东，呈阶梯状递减，形成明显的极高山区、高山区、中山区和低山丘陵区，主要分布在研究区的西南角。赋存着基岩裂隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水，水量贫乏。

Ⅱ 平原区水环境单元：山地丘陵区河流出山口后即为广大的平原区，地势为南西高北东低，地面高程由2 000 m渐变为1 000 m，为松散岩类孔隙水的主要赋存区。含水层岩性主要为细砂、粉砂夹粉质粘土层，水量较丰富，水质差异较大，总体为中上游水质好于下游水质(即南部水质好于北部)。

Ⅲ 沙漠区水环境单：呈大面积分布于平原区两侧。东侧为塔克拉玛干大沙漠，西侧为布古拉、托格拉克沙漠。沙漠内沙丘形态繁多，多为垄岗、沙丘链状分布。地下水富水程度不均匀，水质较差。

2.2.2地下水环境环境背景值的计算

不考虑时间序列因子的前提下，在同一环境背景值单元、同一时间段、不同空间分布的水质资料为基础的情况下，采取以下方法：

HPLC切换波长法同时测定健脾止泻宁颗粒中盐酸小檗碱和黄芩苷的含量 ……………………………… 黄传俊等（10）：1324

在剔除异常数据、分组计算频率及累积频率、绘制直方图的基础上，检验地下水中各种组份含量的分布类型；以平均值、几何平均值、中位数作为集中值，以标准差、几何标准差作为衡量离散程度的指标；以检出率、分布类型、集中值、离散程度、变异系数、背景值(95%的置信区间)等参数全面描述各种指标背景含量的统计特征。

具体步骤如下：

1)剔除离群数据[5-6]

首先运用散点图法，从宏观上确定要剔除的离群数据；然后运用Grubbs法，对散点图确定的离群数据进行检验，显著性水平取α=0.01。对离群数据的剔除时要慎重，以少剔除为原则[6]，充分考虑野外环境水文地质条件。

2)检验分布类型[7]

本次背景值研究选用柯尔莫哥洛夫—斯米尔诺夫(Kolmogorov-Smirnov)法，偏度、峰度法，以及SPSS中的P-P图或Q-Q图法，对各环境统计单元的各元素含量概率分布类型进行综合判定(信度选为0.05)。分别以两个以上检验方法判定的一致结果作为确定分布类型的依据。当几种检验方法的结果出现矛盾时，可逐步提高α值，或根据算术平均值、几何平均值和中位数三者之间的关系及具体的地质背景来确定。

地下水中有关组份的含量，或符合正态分布，或符合对数正态分布，否则均作偏态分布处理，不再考虑其它分布类型。

3)确定统计特征值

(1)正态分布

(2)对数正态分布

(3)偏态分布(非正态，也非对数正态分布)

以中位数Me作为统计对象的集中值，用一定样本概率下的百分位数区间作为背景值区间。

4)对低于检测下限数据的处理

检出率80%≤E<100%(即低于检出限的频率≤20%)，取其检出下限的0.7倍参加数理统计，计算统计参数；检出率50%≤E<80%(即低于检出限的频率在20%～50%)之间，取样本的中位数作统计特征值；检出率E≤50%(即低于检出限的频率>50%)，取其检测下限作为统计特征值(实质上是以众数作为统计特征值)。

5)背景值计算

本次数据来源于2014年新疆塔里木盆地叶尔羌河流域1:25万区域地下水污染调查项目采集分析的88组地下水样品，样品测试单位为国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心，所有样品的采集和测试均进行了严格的室内和室外质量控制。根据各地下水环境单元中组分含量的概率分布类型分别计算背景集中特征值和背景区间(表1)。

3　地下水背景值计算结果与分析

叶尔羌河流域内地下水环境条件差异比较明显，水文地球化学作用各有不同，各指标的背景值特征因地而异，在空间上显示了一定的分布规律。

表1　叶尔羌河流域地下水水化学指标背景值计算结果表

注：N为正态分布，LN为对数正态分布，P为偏态分布。各指标单位均为mg/L。

(1)NO2-N在各类水环境单元的背景值很低，即使在相对背景值较高的山地丘陵区，其值也未超Ⅱ类水标准，说明全区地下水NO2-N原生环境含量不高。

(2)F-在Ⅰ、Ⅲ单元背景值范围都较低，部分地区超过了Ⅱ类水水质标准，在Ⅱ单元平原区背景值最高，很多地区已经超Ⅴ类水水质标准。山地丘陵区，沉积物颗粒粗大，含水介质以岩石和矿物的形式组成，地下水水力坡度大，渗透速度快，不利于F-的富集，该区地下水中F-含量多小于1 mg/L。在Ⅱ单元平原区，含水介质多以矿物的形式存在，地下水径流速度变缓，含水层颗粒变细，有利于F-的富集，地下水中F-的含量增大；特别是在细土平原区，含水层颗粒很细，地下水径流滞缓，地下水对介质中氟的溶解充分，使得该单元地下水中F-的浓度高(天然状态下背景值高)。

(3)Mg2+、Na+、Cl-、SO42-、TH、TDS六个无机常规指标的背景值分布规律基本一致，即在Ⅰ单元(山地丘陵区)，上述指标的背景值最低，因为该单元降水相对较多，地表水入渗强烈，为地下水的主要补给区；另外，该单元地下水循环周期短，与周围含水层介质接触时长短，所以天然状态下地下水中诸指标的环境背景值较低。在Ⅱ单元(平原区)，上述指标的背景值增大，因为地下水沿径流方向进入平缓的冲洪积平原区，含水层颗粒由粗变细，河流入渗能力降低，地下水补给来源减少，地下水水位埋深变浅，加之蒸发作用增强，使得在平原区地下水蒸发浓缩，离子浓度增高，所以天然状态下地下水中诸指标的环境背景值增大。在Ⅲ单元(沙漠区)，前述指标的背景值最大，因为在该单元，一方面补给少，另一方面蒸发强烈，地下水的化学作用主要为蒸发浓缩，使得地下水中离子浓度增大，故天然状态下地下水中诸指标的环境背景值最大，远超过Ⅲ类水水质标准。

4　结语

(1)叶尔羌河流域地下水因其形成条件比较复杂，受外界环境影响较小，地下水中的组份在各个环境背景单元中的分布类型多为正态分布和对数正态分布。

(2)NO2-N在各水环境单元的环境背景值很低，说明该指标的过量富集与后期的人类活动关系密切。

(3)F-在平原区水环境单元的背景值高，很多地区已经超Ⅴ类水水质标准，说明该指标的过量富集主要受控于原生沉积环境，后期人类活动对其影响较小。

(4)Mg2+、Na+、Cl-、SO42-、TH、TDS六个无机常规指标的背景值在全区的分布情况，总体上为平原孔隙水分布区和沙漠区高于基岩裂隙水分布区，这一特征基本上体现了地下水流动系统中补给区与排泄区元素含量的变化特征，符合地下水水质的形成演化规律，这一规律是受地形地貌、区域水动力条件等多种因素综合作用的结果。

[1]张英.珠江三角洲地区地下水环境背景值研究[D].河北:中国地质科学院.2011.

[2]Hart A,Müller D,Blum.A Preliminary methodology to derive environmental threshold values[R].Specific targeted EU research project BRIDGE(contract No SSPI-2004-006538) report D15.

[3]邱汉学，黄巧珍．地下水环境背景值及其确定方法[J]．青岛海洋大学学报.1994(12)16-20．

[4]高迪，潘国营．新乡市地下水化学背景值研究 [J]．露天采矿技术.2006，(4):51-54．

[5]宇庆华，曹玉和.地下水化学背景值研究中的的异常值判定与处理[J].吉林地质.1991,6(2 )：75-79.

[6]长江中下游重点地区地下水环境背景值调查研究课题组.长江中下游重点地区地下水环境背景值调查研究[M].1991：1,39-40.

[7]朱红兵，何丽娟.在 SPSS10.0 中进行数据资料正态性检验的方法[J].首都体育学院学报.2004,9,16(3)：123-125.

Study on Groundwater Environmental Background Values in Yarkant River Basin

KANGNing1，TANGHuan2，CHENShuo1，FENG Jia-yuan2

(1.Beijing Qiusizhiyun Computing Technologies Co.,Ltd,Beijing 100085；2.Northwest University,Xi’an 710069,Shaanxi)

We analyzed and calculated the environmental background values of Na+，Mg2+，Cl-，SO42-，TH,TDS,F-and NO2-in Yarkant River,Xinjiang Province.The results demonstrate that the hydrochemical indexes of groundwater chemicals distribute mostly in normal distribution or in lognormal distribution,and their spatial distributions are effected primarily by the geologic,topographic,hydrogeological,and hydro-dynamic conditions of the area.The environmental background values of Na+,Mg2+,Cl-,SO42-，TH,TDS,and F-are high by nature,and the enrichment of these chemicals is mainly resulted from the protogenic geological environment.In the contrast,the value of NO2-is low by nature,and its enrichment is resulted from human activities.

Yarkant River Basin；Groundwater；Environmental Background Value and Mathematical Statistics

2016-05-18

西北地区主要城市地下水污染调查评价项目资助(1212011220982)

康宁(1983-)，女，陕西府谷人，主要从事数学与应用数学研究。

P641.8

A

1004-1184(2016)05-0080-03