新疆和田河流域绿洲区地下水质量演化特征

李 玲，邵龙美，周金龙，徐 娟

(1.新疆工程学院 矿业工程与地质学院，新疆 乌鲁木齐 830023；2.新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830023；3.乌鲁木齐市环境监测中心站，新疆 乌鲁木齐 830013；4.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 研究背景

地下水质量评价是合理开发利用与保护地下水资源的重要前提[1]。客观的评价结果有助于准确把握地下水质量状况，迅速识别关键指标[2]。而影响评价结果的客观性与准确性的因素有很多，其中最为关键的是评价方法的选取。对此国内外许多学者做了大量工作，致力于寻找能够全面、综合反映地下水质量状况，降低人为因素影响的评价方法，常见的有单指标评价法[3]、综合指数法[4]、模糊综合评判法[5]、灰色聚类分析法[6]、人工神经网络模型[7]、物元可拓模型[8]和云模型[9]等。还有学者通过不同方法的综合对比，分析各方法的优缺点及使用范围，并在原方法基础上进行改进[10-13]。虽然目前评价方法众多，但笔者认为地下水质量具有“木桶效应”，即地下水质量的优劣取决于水中超标最严重的某个或某些成分，这也是单指标评价法的评价原理，故采用单指标评价法进行地下水质量评价更为合理。

地下水作为新疆和田河流域绿洲区重要的饮用水源[14]，其水质状况影响着当地居民健康及工农业生产。关于该地区地下水质量评价的研究引起了许多学者的关注，付永峰等[15]分别采用模糊综合评判法和BP神经网络模型对绿洲区1999年地下水质量进行了评价，李玲等[16]采用单指标评价法对绿洲区2014年地下水质量进行了评价，并分析了地下水中“三氮”、氟、重金属元素等的含量特征及其对水质的影响，以上研究为仅通过某次水质检测进行的质量评价，但针对该地区地下水质量随时间的演化特征缺少系统性分析。本文以1980、2014和2017年水化学检测数据为基础，采用单指标评价法进行地下水质量评价，通过“超Ⅲ类水指标贡献率”识别影响水质的关键指标，在此基础上分析绿洲区地下水质量时空演化特征，以期为该地区地下水资源的合理开发与保护、解决农村饮用水安全问题提供一定的科学依据。

2 数据采集与研究方法

2.1 研究区概况

和田河流域绿洲区位于塔里木盆地南缘的冲洪积细土平原上，是和田地区面积最大的绿洲，包括和田县、洛浦县、墨玉县与和田市4个县级行政区。由以喀拉喀什河和玉龙喀什河(以下称“两河”)为中心，次一级河流及灌溉渠道为骨架，构成的密集网状水体廊道，使绿洲区成为流域内重要的人口聚居地和灌溉农业区。流域属暖温带大陆性沙漠气候，常年干旱少雨，光热资源丰富，蒸发强烈，多年平均降水量为35.6 mm，多年平均蒸发量为2 159.0～3 137.0 mm[17]。

绿洲区水文地质条件简单，地下水类型基本为第四系孔隙潜水。含水系统结构单一，地表覆盖的巨厚第四纪松散堆积物和无成层黏性土有利于地表水转化为地下水，由渗透性极弱的砂质、粉砂质和泥质岩组成的古近纪-新近纪地层，构成了相对隔水的基底[18]。

绿洲区干旱少雨，大气降水一般不会成为地下水的有效补给。河流、渠系及田间灌溉水的入渗以及山区基岩裂隙水的侧向补给是绿洲区地下水的重要补给来源。强烈的腾发作用、侧向潜流补给沙漠区和人工开采是该区地下水的重要排泄方式。地下水水动力条件由南向北逐渐变差，大致沿G315国道一线为界，以南为冲洪积细土平原的中上部，水力坡度相对较大，约为1‰～4‰，属强径流区，以北为冲洪积细土平原的尾部，水力坡度小于1‰，属弱径流区[18]。

2.2 水质采样点布置

课题组于2014年7月在绿洲区开展了地下水污染调查工作，共采集地下水样45组(其中编号为H56～H106，H80、H81、H92、H93、H94、H100的采样点在研究区范围之外)，全部为潜水样，控制面积约为4 138 km2；2017年7月共采集地下水样75组(编号HT1～HT25、L1～L30、M1～M25，HT1、L7、L9、L16、L19在研究区范围之外)，其中6组为分层取样，全部为潜水样；在初步分析2014年水化学检测数据的基础上，2018年对13个调查井进行补充取样与污染源调查工作，采样点位置见图1。取样过程中严格按照《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288-2015)规定的方法进行采集与保存。除此之外，本文还收集了中国人民解放军00929部队于1980年开展的“和田地区区域水文地质普查”工作中28个浅钻(编号QZ1～QZ29，QZ8在研究区范围之外)和27个钻孔(编号Z4～Z34，Z7、Z8、Z11、Z12在研究区范围之外)的55组水样水化学检测数据，采样点位置见图1。

2.3 研究方法

单指标评价法是最严格的一种评价方法，其原理简单、计算方便，可以清晰地判断出关键指标。该方法是相关规范[19]中唯一推荐的评价方法，也是我国实施多年且获得普遍认可的一种方法。

单指标评价法是指分别对所选评价指标的实测值与规范[19]中各类别标准限值进行对比并分类，最终将单个指标评价结果中的最高类别确定为该组地下水质量类别，将该指标确定为影响该组地下水质量的关键指标[19]。决定地下水质量类别的关键指标很少为单一的，绝大多数水样的关键指标有多个。影响整个研究区地下水质量的关键指标引入“超Ⅲ类水指标贡献率”的概念来定量确定[20]。“超Ⅲ类水指标贡献率”(C单)的定义是某指标超过Ⅲ类水标准值的样品数(N单)与所有水质等级为Ⅲ类及以上的样品数(N总)之比，数学表达式为C单=N单/N总×100%[21]。本文将“超Ⅲ类水指标贡献率”超过10%的指标确定为影响绿洲区地下水质量的关键指标。

3 结果与分析

3.1 地下水质量状况

3.1.1 1980年地下水质量状况 1980年有28组地下水水样采自浅钻，全部为潜水，进行混合取样；27组地下水水样采自钻孔，其中有9组水样分上、下两层进行取样，因此共有55组浅层潜水样和9组深层潜水样。采用单指标评价法对1980年和田河流域绿洲区地下水质量进行评价，结果见表1。

由表1可见，1980年55组浅层潜水样中，无Ⅰ类水，只有1个地下水水样的质量类别为Ⅱ类水(占1.8%)，其余均为Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水，分别占总水样的36.4%、32.7%和29.1%，其中Ⅳ类和Ⅴ类水占61.8%，表明1980年绿洲区浅层地下水质量总体较差。

1980年和田河流域绿洲区超Ⅲ类水指标贡献率的统计结果见图2，图2表明“超Ⅲ类水指标贡献率”的大小顺序为TDS(76.6%)>Cl-(68.8%)>Na+(39.1%)>TH(32.8%)>SO42-(26.6%)>NH4+(3.1%)=NO2-(3.1%)，可知1980年影响绿洲区地下水质量的关键指标有TDS、Cl-、Na+、TH和SO42-。

图2 1980年和田河流域绿洲区超Ⅲ类水指标贡献率

分层取样的水质结果有3种情况(表1)：(1)上下层水质类别不一致，下层水质优于上层水质类别，如Z4-1和Z5-1的水质类别为Ⅲ类、Z4-2和Z5-2水质类别为Ⅱ类；(2)上下层水质类别一致，如Z9-1、Z9-2，Z13-1、Z13-2和Z18-1、Z18-2均为Ⅴ类水；(3)上下层水质类别不一致，下层水质劣于上层水质类别，如Z15-1和Z27-1为Ⅲ类水、Z15-2和Z27-2为Ⅴ类水，Z25-1为Ⅳ类水、Z25-2为Ⅴ类水。总体而言，1980年和田河流域绿洲区中、深层潜水质量优于浅层潜水，某些钻孔中的水质出现“下咸上淡”的现象，可能是下层含水介质颗粒较细，地下水径流速度很慢，化学成分不断累积所造成。

表1 1980年和田河流域绿洲区各组地下水水样质量类别评价结果

3.1.2 2014年地下水质量状况 2014年采集的45组潜水样为混合取样，调查井深度范围是6～100 m。根据绿洲区实际情况，以20 m井深为界将潜水划分为浅层潜水(井深<20 m)和中深层潜水(井深≥20 m)。2014年和田河流域绿洲区地下水质量评价结果见表2。

表2 2014年和田河流域绿洲区各组地下水水样质量类别评价结果

由表2可见，2014年45组潜水样中，无Ⅰ类和Ⅱ类水，Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水分别占总水样的8.9%、22.2%和68.9%，其中Ⅳ类和Ⅴ类水共占91.1%，表明2014年绿洲区地下水质量很差。

2014年和田河流域绿洲区超Ⅲ类水指标贡献率的统计结果见图3，图3表明“超Ⅲ类水指标贡献率”的大小顺序为TDS(66.7%)>TH(64.4%)>Cl-(60.0%)>Fe(57.8%)>SO42-(55.6%)>Na+(53.3%)>Mn(46.7%)>F-(40.0%)>BaP(13.3%)>pH值(8.9%)=As(8.9%)>NH4+(6.7%)=NO3-(6.7%)>NO2-(4.4%)>Zn(2.2%)，可知2014年影响绿洲区地下水质量的关键指标较多，有TDS、TH、Cl-、Fe、SO42-、Na+、Mn、F-、BaP。

图3 2014年和田河流域绿洲区超Ⅲ类水指标贡献率

34组浅层潜水样中，1组为Ⅲ类水、6组为Ⅳ类水、27组为Ⅴ类水，分别占所有浅层水样的2.9%、17.6%和79.5%；TDS、TH、Cl-、Na+、SO42-、F-和Fe为影响和田河流域绿洲区浅层潜水质量的关键指标。11组中深层潜水中，有3组Ⅲ类水、有4组Ⅳ类水、有4组Ⅴ类水，在所有中深层潜水样所占比例分别为27.2%、36.4%、36.4%；决定中深层潜水质量类别的关键指标主要为TDS、TH、Cl-、F-等。浅层潜水的水质类别普遍劣于中深层潜水，且只在浅层潜水中才出现了BaP、Mn、As和pH值超Ⅲ类水标准值的情况。

总体而言，2014年和田河流域绿洲区浅层潜水质量劣于中、深层潜水质量。

3.1.3 2017年地下水质量状况 2017年在和田河流域绿洲区共采集并检测了75组潜水样，其中63组主要采自民用井，深度一般小于20 m；6组水样采自钻孔，分上、下两层进行取样，因此浅层潜水样共有69组，中深层潜水样有6组。2017年和田河流域绿洲区地下水质量评价结果见表3。

表3 2017年和田河流域绿洲区各组地下水水样质量类别评价结果

由表3可见，2017年绿洲区69组浅层潜水样中，只有Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水，分别占浅层总水样的27.5%、34.8%和37.7%，其中Ⅳ类和Ⅴ类水共占72.5%，表明2017年绿洲区潜水质量总体较差。

图4 2017年和田河流域绿洲区超Ⅲ类水指标贡献率

分层取样的地下水质量存在两种情况(表3)：(1)上下层水质类别不一致，下层水质优于上层水质，如HT2、HT3的水质类别为Ⅳ、Ⅲ类，HT4、HT5水质类别为Ⅴ、Ⅳ类；(2)上下层水质类别一致，如HT16、HT17水质类别均为Ⅳ类、L10、L11，L24、L25，M11、M12水质类别均为Ⅴ类。

上述结果表明，2017年绿洲区中深层潜水质量普遍优于浅层潜水。

3.2 地下水质量演化特征

3.2.1 空间分布特征 根据上述和田河流域绿洲区1980、2014和2017年地下水质量单指标评价结果分别绘制地下水质量分区图，如图5所示。

图5 1980、2014和2017年和田河流域绿洲区地下水质量分区图

由图5(a)可见，1980年绿洲区在墨玉县萨依巴格乡附近有Ⅱ类地下水出现，Ⅲ类水、Ⅳ类水、Ⅴ类水分布面积差别不大。Ⅲ类水分布在冲洪积细土平原中上部的两河出山口附近，沿两河向北延伸至冲洪积细土平原的尾部；Ⅳ类水分布在冲洪积细土平原中上部的河间地块和细土平原尾部的部分区域；Ⅴ类水主要分布在冲洪积细土平原的尾部，以及深入沙漠腹地的河谷平原。

由图5(b)可见，2014年绿洲区地下水质量在水平方向上分布的最大特征是Ⅴ类水分布面积最广，Ⅲ类和Ⅳ类水分布面积较小。两河出山口处的和田县拉依喀乡、洛浦县布雅乡以及受河流入渗显著的沿河区域的墨玉县芒来乡、英也尔乡附近地下水为Ⅲ类水。Ⅳ类水主要集中在河间地块，靠近沙漠的河谷平原区墨玉县喀瓦克乡附近也是Ⅳ类水，在此区域的其他水样均为Ⅴ类水。从水文地质及气候条件来看，靠近沙漠的河谷平原区地下水的蒸发浓缩作用强烈，化学成分易于累积，水质较差，但墨玉县喀瓦克乡附近采样点距河流较近，接受河水补给显著，因此水质相对优于其他采样点。

由图5(c)可见，2017年绿洲区地下水质量在水平方向上的分布规律与1980年相似。2017年从绿洲区南部至北部以及从两河出山口处到冲洪积扇边缘，地下水质量略呈过渡性分布。Ⅲ类水主要分布在两河出山口附近和冲洪积细土平原的中上部，包括墨玉县加汗巴格乡、阿克萨依拉乡、萨依巴格乡和扎瓦镇，和田县吐沙拉乡和吉亚乡，洛浦县布雅乡等，比1980年的Ⅲ类水分布面积小；Ⅳ类水较为分散，分布在河间地块和冲积细土平原尾部的局部区域，包括墨玉县英也尔乡、吐外特乡和阔依其乡，和田县巴格其镇、拉斯奎镇和布扎克乡，洛浦县布雅乡和多鲁乡等；Ⅴ类水分布面积最大，主要集中在冲洪积细土平原的尾部以及深入沙漠腹地的河谷平原区，包括墨玉县巴格孜库勒乡、乌尔其乡、雅瓦乡和喀尔赛镇，和田县英阿瓦提乡和伊斯拉木阿瓦提乡，洛浦县拜什托格拉克乡一带。

在绿洲区地形地貌及水文地质条件的控制下，地下水质量的空间分布表现出规律性变化。Ⅲ类水分布区域主要集中在冲洪积细土平原中上部，地下水径流条件良好，埋深较大，水化学作用以溶滤作用为主，蒸发浓缩作用微弱，化学成分不易累积，因此水质较好；此外该区域接受河流的入渗补给显著，与水质较好的河水混合，是其达到Ⅲ类水质的另一原因。Ⅳ类水分布区域位于弱径流区的河间地块与冲洪积细土平原尾部，该区域地势较低，水力坡度小，地下水埋深较浅，水化学作用由溶滤作用向浓缩作用转变，又加之该区域离河流较远，得到河流的入渗补给有限，因此水质稍差。Ⅴ类水分布的区域地势低平，地下水埋藏浅，水力坡度小，地下水流更加缓慢，而相对于冲洪积细土平原的中上部，气候也更加干旱，因此该区域地下水的蒸发浓缩作用最为强烈，化学成分不断累积，致使地下水质量最差。

3.2.2 随时间的演化特征 从评价结果来看，2017年绿洲区地下水水样中无Ⅱ类水，Ⅳ类水和Ⅴ类水占了72.5%，2014年Ⅳ类水和Ⅴ类水占了91.1%，1980年存在Ⅱ类水，Ⅳ类水和Ⅴ类水占了61.8%。从水平分布特征来看，1980年Ⅴ类水的分布范围明显小于2014和2017年，2014年Ⅴ类水的分布范围最大。从关键指标来看，影响1980、2014和2017年地下水质量的关键指标均包括TDS、Cl-、Na+、SO42-和TH。1980年对地下水中的氟未进行检测，但2014和2017年的关键指标有F-，因此结合以往研究资料可推断影响绿洲区地下水质量的关键指标为TDS、Cl-、Na+、SO42-、TH和F-。此外根据2014年水质结果(2014年检测指标较多)，影响绿洲区地下水质量的关键指标除以上组分外，还有Fe、Mn、BaP等微量组分。

从2014和2018年13个调查井的地下水质量评价结果来看(表4)，仅有两个调查井的水质发生了变化(采样点H89地下水质量由Ⅳ类变成了Ⅲ类，采样点H103地下水质量由Ⅴ类变成了Ⅳ类)，其他调查井的水质无变化，均为Ⅴ类水，关键指标变化也不大。

表4 2014和2018年13个调查井地下水质量评价结果

总体而言，1980-2014年绿洲区地下水质量随时间呈不断变差的趋势，2014-2017年水质呈现好转趋势，可能与近年来人们对环境的重视以及环境监管力度的加大、环境保护意识的增强有关。地下水质量随时间发生变化，但空间特征具有相似性，表明绿洲区地下水质量主要受水文地质条件、地形地貌和地层岩性等控制。

4 结 论

(1)通过单指标评价结果可知，和田河流域绿洲区浅层地下水质量总体较差，且影响地下水质量的关键指标不是单一的，除了有TDS、TH、Cl-、Na+和SO42-常量组分外，还有F-、Fe、Mn和BaP等微量组分。

(2)在水平方向上1980和2017年绿洲区地下水质量的分布规律相似。在水文地质条件、地形地貌和地层岩性等条件控制下，位于强径流区的冲洪积细土平原中上部，尤其是两河出山口区域的地下水质量较好；位于弱径流区的河间地块及靠近沙漠的冲洪积细土平原尾部区域的地下水质量较差。2014年的地下水质量空间分布特征为Ⅴ类水的分布面积最大，Ⅲ类和Ⅳ类水零星分布。垂直方向上，1980、2014和2017年均呈现出浅层地下水质量普遍劣于中深层地下水质量的趋势。

(3)对比1980、2014、2017年和田河流域绿洲区Ⅲ类及以上地下水样所占比例、关键指标、空间分布特征，以及2014和2018年13个调查井的地下水质量评价结果可知，从1980年到2014年绿洲区地下水质量逐渐下降，2014年至2017年地下水质量呈现略微转好趋势。