察布查尔县地区地下水水化学特征及地下水水质评价

2020-04-22姜纪沂赵振宏

科学技术与工程 2020年2期

程敏，姜纪沂*，任杰，赵振宏

(1.防灾科技学院，北京 101601；2.中国地质调查局西安地质调查中心，西安 710054)

地下水化学特征及其成因是水文地质学的重要研究内容，通过对地下水水化学的时空变异特征与演变规律的研究，可以更好地揭示地下水与环境的相互作用机制，为地下水资源管理提供理论依据[1-4]。地下水的化学成分是地下水与环境长期相互作用的产物，通过研究地下水的化学特征及其形成作用，有助于我们了解地下水的起源与形成[5]。而地下水水质的好坏直接关系到当地居民的安全和健康问题[6]。地下水水化学特征受多种因素的影响与控制，不仅受天然因素影响，还与人类活动密切相关，并且与周围的环境发生复杂的水文地球化学作用[7-9]。察布查尔锡伯自治县位于新疆西天山支脉——乌孙山北麓、伊犁河以南辽阔的伊犁河谷盆地。该区域为农业重点区域，农业灌溉多以地下水为灌溉水源。因此，开展察县地区的水化学特征研究以及水质评价研究这项工作是十分有意义的。目前，关于察布查尔县地区水化学的研究和水质评价的研究还相对较少，该区域的水化学特征和水质情况尚不明确，因此本研究利用2016年以来在察布查尔县地区的50处地下水水质测试数据，综合运用统计分析以及模糊综合评价法分析该区域的水化学特征以及水质情况，以期为该区域的可持续发展作出贡献。

1 研究区概况

察布查尔锡伯自治县位于新疆西天山支脉-乌孙山北麓、伊犁河以南辽阔的伊犁河谷盆地。地理坐标为东经80°41′～81°43′，北纬43°17′～43°57′，其地貌图如图1所示。察布查尔县东以塔尔德沟为界与巩留县为邻，西沿国界与哈萨克斯坦国相接，南以乌孙山分水岭为界与特克斯、昭苏两县毗连，北隔伊犁河与伊宁市、伊宁县、霍城县相望,全县东西长处约90 km，南北宽约70 km，并有国家一类口岸——都拉塔。总面积4 485 km2。气候属于大陆性北温带温和气候，年平均气温7.9 ℃，年平均降水量231.39 mm，一年中降水集中于4—7月，以春季略占优势，且开春时节，雪融化量也较大，为洪水多发期。研究区南部为基岩山区，以基岩裂隙水为主，接受大气降水和冰雪融水补给。基岩区以北为此次的主要研究区，赋存第四系松散岩类孔隙水，沿伊犁河往西到中哈边界一带，颗粒变细，层次增多，变为多层，含水层变为潜水、承压水多层结构，主要含水层包括中更新统和上更新统含水层，还有少部分的全新统含水层。岩性以砂砾石和砂土为主。

图1 察布查尔县地貌图

2 采样与方法

2.1 样品采集

本次研究采用2016年6—8月在察布查尔县地区所采集的地下水样测试数据。本次样品采集是沿着区域地下水的流向，从山前丘陵至伊犁河冲积平原，由北至南比较系统的采集察县地区的地下水，采样点位置如图2所示。样品选用统一规格的100 mL聚丙烯塑料瓶采集，采样瓶均用蒸馏水浸泡48 h，自然晾干。采集水样时，用预采集的水样润洗至少3次，尽量保证瓶内不出现气泡，并用封口膜进行密封处理。

2.2 样品测试

图2 采样点位置图

2.3 数据处理

对所采集水样利用Aqua.chem绘制piper三线图分析其水化学类型的分布特征，利用Origin85软件绘制Gibbs图分析其水化学形成机制。利用F值法和模糊综合评价法对地下水水质进行评价，根据评价结果利用Arcgis空间分析功能编制地下水评价结果图。

3 水化学特征

通过对天然水体水化学组分的分析，Gibbs将天然水组分的控制因素分为三个类型：大气降水控制型、岩石风化控制型和蒸发-结晶控制[10,11]。蒸发浓缩控制的区域代表性的水化学特征体现为：高TDS

表1 水化学成分统计特征

图3 察布查尔县地区水样Piper三线图

和高Na+、Cl-含量；降水控制的区域代表性的水化学特征体现为：低TDS和低Na+、Cl-含量；岩石风化型区域代表性的水化学特征体现为：TDS为100～1 000 mg/L，而Na+、Cl-含量介于前两者之间。

将察布查尔县各水体的水化学数据绘入Gibbs模型中。可以看出察布查尔县的地下水绝大部分落在Gibbs模型中(图4)。在地下水的Gibbs图中可以看出地下水样点主要落在岩石风化作用为主导类型的区域内，小部分不在Gibbs模型内，表明人为活动影响了地下水的离子特征，极少数落在蒸发控制类型的区域内，表明地下水的主要离子来源为岩石的风化溶解；有极少部分落在蒸发浓缩控制的区域内，说明该地区地下水有极少部分是受蒸发浓缩控制的。总体来看，岩石的风化溶解控制了该地区地下水的水化学特征。

图4 水化学Gibbs图

4 地下水质量评价

4.1 F值法

F值法首先以《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中各指标分类标准为依据，根据各因子的实测值进行各水样的单项组分判定其所属类别，然后根据所属类别确定评价分值Fi(共5类)，各类分值见表2。

评价公式为

(1)

表2 单项指标评价分值

表3 地下水质量分级表

4.2 模糊综合评价法

所谓模糊综合评价法其实是根据已有的评价标准和实测数据，再经过一系列的模糊变换对研究对象做出评价的方法[14-16]。模糊综合评价的大体流程为：确定该次地下水评价的影响组分，建立不同级别下地下水的隶属度函数，根据隶属度函数确定模糊矩阵；然后根据各影响组分的平均值和实测值确定各组分对该组地下水的影响程度(权重)，最后根据模糊矩阵和权重确定不同级别下地下水水质的分值，选取分值最高的作为该组地下水水质评价的结果。

不同级别下地下水的隶属度函数如下。

Ⅰ级水(j=1)的隶属度函数为

(2)

Ⅱ级至Ⅳ级水(j=2～4)的隶属度函数为

(3)

Ⅴ级水(j=5)的隶属度函数：

(4)

式中：Gki为第k组水样i种水质影响因子的实测值；Sij为第i种因子第j级水的标准。

根据式(2)～式(4)可以求出各级水质标准情况下各影响因子的隶属度。由此可以确定模糊矩阵R为

各影响因子权重的确定：

(5)

式(5)中：Wi为第i种影响因子的权重；Gi为第i种影响因子的测试值；Si为第i种影响因子标准值的平均值。

根据式(2)～式(5)，可最终得出判别地下水质量的综合模型：B=WR。

4.3 评价结果

本次水质评价用到在察县地区所采的50组水样，分别采用F值法和模糊综合评价法进行水质评价。各方法水质评价结果见表4和表5，并采用《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中各指标分类标准。

表4 模糊综合评价法评价地下水水质结果

为了便于进行两种方法评价结果的对比分析，将两种方法的评价结果列入表6。通过比较可以看

表5 F值法评价地下水水质结果

出两种方法对Ⅴ类水的评价结果一致，未出现F值法评价为Ⅴ类水，而模糊综合评价为Ⅰ～Ⅳ类水的情况，说明两种方法在污染严重区域进行水质评价，评价结果大致相同。且除w18、w28、w35和w40号水样评价结果相差两个等级外，其余水样评价结果相差不大。

表6 两种方法评价结果

从评价过程可知，F值法在评分过程中没有考虑到评价水样与各级别水质标准的接近程度，从而使得评价结果与实际的水质偏差较大。例如，某水样的硝酸盐浓度为18 mg/L，《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ类水硝酸盐浓度范围为5～20 mg/L，确定该水样为Ⅲ类水，但是很明显该水样的硝酸盐浓度更接近Ⅳ类水的下限(Ⅳ类水的硝酸盐浓度范围为20～30 mg/L)。对比而言模糊综合评价法充分的考虑了与各级别水质标准的接近程度，这使得水质评价的结果更加可靠，所以以模糊综合评价法评价结果为标准制水质分类分布图，反映该区域水质的空间分布情况。如图5所示，察县地区地下水的重污染区域分布范围较小，且该区域多以Ⅱ类水为主，其次为Ⅲ类水，说明该区域大部分地区地下水的污染程度轻，有少部分地区被严重污染。