毕节地区岩溶地下水水化学特征与水质评价

(贵州大学 资源与环境工程学院, 贵阳 550025)

1 研究背景

贵州省是岩溶地貌分布面积最大、岩溶类型最齐全的省份，其独特的地质构造和地貌地形使其地下水系统化学特征具有复杂性和多变性[1]。毕节地区位于贵州省西北部，东与贵阳市相邻，西与云南省接壤，南与安顺市交界，北临四川省，辖大方县、七星关区、织金县、黔西县、纳雍县等七县二区，总面积约27 000 km2。区内出露的地层有震旦系、寒武系、奥陶系、二叠系、三叠系等，其中二叠系、三叠系地层是本区主要地层，岩性为碳酸盐岩。区内岩溶发育强烈，地形切割较深，地表水向沟谷深部径流，使得地表水资源难以充分利用，造成该区缺水[2]，但岩溶地下水资源丰富，为了合理地开发地下水资源，提出本文的研究。

查阅文献可知，前人对该区的研究较少。莫世江等[3]采用SPSS软件对该区2个水库水质监测数据进行数理统计分析，并对水体水质污染现状进行了综合评价；孙丹等[4]对乌江上游毕节段层台镇玉龙村岩溶地下水水质现状进行了评价；黄开文[5]对毕节地区煤矿开采引起的地下水资源问题及其保护进行了研究；曹振东和谭廷静[6]对毕节地区13口井的抽水资料进行计算，分析了其产生误差的原因，同时对岩溶区水资源的评价方法提出建议；袁建飞等[7]通过分析常规水化学组分和氢氧同位素，分析了该地区岩溶水的补给特征，研究了岩溶水主要组分的物质来源和判断发生的水岩相互作用过程；陈俊武[8]分析了毕节市七星关区地下水的饮水现状，对其污染源类型进行了分析研究，但未对地下水的质量进行评价。从以上研究可以看出，对于该地区岩溶地下水质量评价的研究较少。

模糊综合评价法考虑到了地下水水质分类中存在的模糊问题，用隶属度表征地下水对各类水的隶属程度，符合水质污染级别划分中存在的模糊性，能客观地反映地下水水质的真实状况。故本次采用该方法进行水质综合评价。模糊综合评价法根据水样的检测数据确定各评价指标对各类型水的隶属度矩阵，确定指标的权重集，然后将权重集与隶属度矩阵相乘，得到综合评判集，表明水体对各类型水的隶属程度，其中值最大的元素所对应的类别即为水体评价类别[9]。本文通过舒卡列夫分类法和Piper三线图分类法分析该区域岩溶地下水化学特征，同时运用单因子评价和模糊综合评价法2种方法对该地区岩溶地下水质量进行系统全面的分析评价，是对前人研究的很好补充，具有很强的参考价值和现实意义。

2 研究区概况

研究区以岩溶地貌为主，其发育和分布特征受断裂构造和地层岩性控制。出露地层以碳酸盐岩地层为主，主要岩性为灰岩、泥质灰岩、泥灰岩、白云质灰岩、白云岩、钙质白云岩和泥质白云岩[6]。

研究区内大地构造位置分跨毕节北东向构造变形区、贵阳复杂构造变形区、威宁北西向构造变形区以及普安旋钮构造变形区4个四级构造单元。这种构造组合对区内含水岩组的出露状态、岩溶地下水的补径排条件及地下水的富集起到了重要的制约控制作用[2]。

研究区属低纬度高海拔区，暖温带季风湿润气候。降雨主要集中在5—9月份，气候变化较大，洪涝、冰雹等灾害性天气时有发生[7]。地形起伏较大，石漠化严重，极端降水极易引起地质和洪涝灾害[10]。区内地下水类型主要有松散岩层孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水3种类型，其中岩溶水含水层分布面积最广，出露面积约17 777 km2[11]。

图1 研究区位置与水样采样点分布Fig.1 Map of the study area and sampling points

3 水样采集与测试方法

表1 舒卡列夫分类法分类结果
Table 1 Result of Shoka Lev’s classification

超过25%毫克当量的离子HCO-3HCO-3+SO2-4HCO-3+SO2-4+Cl-HCO-3+Cl-SO2-4SO2-4+Cl-Cl-Ca2+181522293643Ca2++ Mg2+291623303744Mg2+3101724313845Na++ Ca2+4111825323946Na++ Ca2++ Mg2+5121926334047Na++ Mg2+6132027344148Na+7142128354249

表2 研究区地下水常规离子统计Table 2 Statistics of conventional ions of groundwater in the study area

4 岩溶地下水特征分析

4.1 水化学类型及空间分布

研究区岩溶地下水水化学类型特征与含水层岩性和地下水动力特征密切相关，因此地下水的水化学特征通常能够反映地下含水层发育的岩性、径流等特征[12]。我国常用的水化学分类法是舒卡列夫分类法，分类结果见表1(数字为类别代号)。根据各指标检测结果进行统计分析，结果见表2。

从表2可知，研究区的地下水化学类型大体上可分为5类，分别为HCO3-Ca型水、HCO3-Ca·Mg型水、HCO3·SO4-Ca型水、HCO3·SO4-Ca·Mg型水、SO4·Cl-Na·Ca型水,分别占全部水样的13.6%，54.5%，13.6%，13.6%，4.6%。其中HCO3-Ca型水主要分布在研究区北部凤山彝族蒙古族乡-核桃彝族白族乡一带，马场镇一带也有分布；HCO3-Ca·Mg型水主要分布在研究区的西部和南部，毕节市七星关区朱昌镇-织金县八步镇沿线以南地带居多；HCO3·SO4-Ca型水主要分布在研究区中部大方县理化苗族彝族乡-黄泥塘镇一带；HCO3·SO4-Ca·Mg型水主要分布在研究区北部大方县核桃乡-沙厂乡一带，研究区的南部零星分布；毕节市大方县核桃乡石艳村石艳组水样检测结果显示，该水样类别代号达到39，属SO4·Cl-Na·Ca型水。从整体上看，研究区岩溶地下水水质北部区域较南部区域良好。按照TDS划分，所取水样矿化度均<1.5 g/L，因此按照该标准，所有水样都属于A类水。该分类方法的分类指标较少，适用于研究区水质的初步分析，为后续进一步的分析评价打下基础。

该分析方法优势明显，但是以25%毫克当量为划分水化学类型的依据在一定程度上带有人为主观性。对于>25%毫克当量的离子也未反映其相对大小，因此反映水质变化不够灵敏。为弥补该不足，除舒卡列夫分类外还进行了Piper三线图水化学分类。

4.2 Piper三线图水化学分类

Piper三线图是1944年派帕(A.M.Piper)提出的，他把菱形分成9个区域，不同区域的水样具有不同的水化学特征[13]。Piper三线图最大的优点是能将大量水样点呈现在图上，可根据不同水样在图上的分布特征分析解释出采样区水化学特征。

根据水样相关指标参数测定结果，利用水化学软件AqQA绘制了Piper三线图(图2)，系统地分析了研究区的地下水化学特征，揭示了研究区的地下水水化学特征时空变化规律。

图2 Piper三线图Fig.2 Piper’s plot

5 岩溶地下水水质评价

5.1 单因子评价

单因子评价法是在地下水水质调查分析资料的基础上，按照评价指标含量所在区间来确定地下水质量类别的方法[14]。通过分别对水样单个指标进行分析评价，确定该水样在各指标下的水质类别，在所有水质类别中选取水质最差类别作为水样的最终水质类别[15]。根据《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288—2015)、《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)，通过对22组水样的20项指标进行检测，确定了本次所取22组水样的水质类别。

图3 采样点水质类型单因子评价结果Fig.3 Result of water quality grades by singlefactor evaluation

按照以上评价标准和方法，得到研究区采样点水质类型及分布(图3)。通过分类统计，结果(图4)表明在22组水样中，没有符合Ⅰ类水的水样点；符合Ⅱ类水的水样点有4个，占总水样点的18.2%；符合Ⅲ类水的水样点有9个，占总水样点的40.9%；符合Ⅳ类水的水样点有5个，占总水样点的22.7%；符合Ⅴ类水的水样点有4个，占总水样点的18.2%。从人类饮用水的最低标准Ⅲ类水来看，符合人类生活用水的比例为59.1%。因此，从单指标评价的角度看，研究区的地下水化学指标超标较为严重。

图4 采样点水质类型单因子评价结果Fig.4 Pie chart of water quality grades by singlefactor evaluation

单因子评价法计算方式相对比较简单，考虑了单一影响因子对水质状况的影响，但忽略了多重影响因素对水质的综合影响，对水质分级界限的模糊性也缺乏考虑。因此为避免单因子评价的结果不能全面地反映地下水质量的整体状况，产生较大的偏差，故本次研究同时采用了模糊数学综合评价法。

5.2 综合评价

5.2.1 模糊关系矩阵的确定

设地下水水质的评价指标有m个，用隶属度划分各个评价因子分属级别的界限。设rij表示第i个评价因子属于第j个评价等级的程度，从而构建模糊关系矩阵R。

i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

式中n为地下水级别，n=5。在本文中，rij的隶属度函数采用降半梯形法计算,见表3。

表3 隶属度计算Table 3 Calculation result of membership degree

注：Xi表示水样中离子含量，Si表示对应离子水质分类离子界限含量

采用降半梯形法确定隶属函数，根据以上计算方法，计算得①号水样点模糊关系矩阵为

(1)

同理计算出矩阵R2至矩阵R22。

5.2.2 权重的计算

评价因子的权重采用归一化权重计算公式确定，计算公式为

(2)

计算得①号水样点权重W1=(0.173 5，0.311 3，0.070 2，0.005 1，0.096 4，0.343 1，0.000 4)。

对评价指标的权重矩阵W与模糊关系矩阵R进行复合运算，可得到水样点隶属于各评价等级的隶属度矩阵B。根据最大隶属度原则，矩阵B中元素的最大值对应的水质等级即为该水样点等级。

5.2.3 模糊综合评价结果

①号水样点的隶属度矩阵B1=W1R1=(0.367 9,0.289 0,0.266 9,0.076 2,0)，同理计算出B2至B22。

由综合评价模型B=WR得各水样的水质类别评价结果，见表4。

表4列出了各水样对各等级水的隶属度，选取各水样最高隶属度对应的水质等级作为该水样的最终水质类别。运用该方式统计发现，在22组水样中，符合Ⅰ类水的水样点有5个，占总水样点的22.7%；符合Ⅱ类水的水样点有9个，占总水样点的40.9%；符合Ⅲ类水的水样点有4个，占总水样点的18.2%；没有符合Ⅳ类水的水样点；符合Ⅴ类水的水样点有4个，占总水样点的18.2%。符合饮用水标准的水样比例为81.8%。因此，综合评价的结果相比较单因子评价结果，研究区的地下水水质状况较为良好。这主要是因为单因子评价水质类别的确定是选取水质最差类别作为水体的水质类别，某单一因子的超标就会导致水质的划分产生很大的差距。

表4 各水样对各类水的隶属度及水质类别Table 4 Membership degree of water samples of all grades

5.3 结果与讨论

从单因子评价和综合评价结果来看，研究区大部分区域岩溶地下水水质能够满足人类饮用水标准，只有少部分区域不能满足。不能满足的区域主要分布在研究区中部的③号、⑥号、○12号、○14号水样，其中③号、○12号、○14号水样所在的区域硫酸根离子超标，⑥号采样点所在的区域锌离子严重超标，主要是由于该区域化工厂废水随意排放导致，笔者认为该地区结石患者数量较多与水中硫酸盐含量过高有着密不可分的关系。

6 结 论

(2)单因子评价结果为：没有符合Ⅰ类水的水样点；符合Ⅱ类水的水样点占总水样点的18.2%；符合Ⅲ类水的水样点占总水样点的40.9%；符合Ⅳ类水的水样点占总水样点的22.7%；符合Ⅴ类水的水样点占总水样点的18.2%。从人类饮用水的最低标准Ⅲ类水来看，符合人类生活用水的比例为59.1%，因此，从单指标评价的结果看，研究区大部分区域地下水质量满足饮用水标准。

(3)模糊综合评价结果为：符合Ⅰ类水的水样点占总水样点的22.7%；符合Ⅱ类水的水样点占总水样点的40.9%；符合Ⅲ类水的水样点占总水样点的18.2%；没有符合Ⅳ类水的水样点；符合Ⅴ类水的水样点占总水样点的18.2%。从人类饮用水的最低标准Ⅲ类水来看，符合人类生活用水的比例为81.8%。因此，从综合评价的结果看，研究区大部分区域地下水质量满足饮用水标准。