青海省德令哈盆地第四系地下水质量评价

2021-06-07曾庆铭顾小凡杨炳超党学亚姜军犹香智

西北地质 2021年2期

曾庆铭，顾小凡，杨炳超，党学亚，姜军，犹香智

(1.中国地质调查局西安地质调查中心/西北地质科技创新中心，陕西西安 710054;2.陕西省水资源与环境工程技术研究中心，陕西西安 710054)

地下水质量评价是地下水资源评价和保护的重要内容。地下水质量评价结果一方面取决于检测数据的准确性，另一方面依赖于评价方法的科学性。不同的地下水质量评价标准、评价方法和评价指标的多寡都会导致评价结果差异很大。目前，关于地下水质量的评价方法较多，如综合指数评价法、灰色聚类分析法、模糊综合评判法、人工神经网络法及集对分析评价法等，每种地下水质量评价方法都有其优点和不足(苏耀明等，2007；张新钰等，2011；方运海等，2018；刘瑞平等，2009；邢西刚等，2017)。例如，《地下水质量标准》(GB/T 14848-1993)中推荐使用的内梅罗指数法就是综合指数评价法的一种，该方法具有简洁易懂，运算方便的优点，但该方法由于未考虑权重因素，评价结果易于受极值的影响，而且Ⅲ类水出现概率低，这与地下水质量实际情况不符(林良俊等，2009；费宇红等，2014；李录娟等，2014；倪天翔等，2018)。截至目前还没有一种地下水质量评价方法被大家广泛认可，各种地下水质量评价方法不断被研究和改进。

德令哈盆地位于青藏高原北部、柴达木盆地东北部，是柴达木盆地次一级盆地，行政区划属青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市。本区地处中国西北干旱内陆，降水稀少，蒸发强烈，生态环境十分脆弱。随着近几年德令哈市工农业的快速发展，对地下水资源的需求与日俱增，供需矛盾日益突出。2016～2018年，中国地质调查局在柴达木盆地实施的“柴达木盆地巴音河—塔塔凌河流域1∶5万水文地质调查”项目在德令哈市巴音河流域平原区部署了1∶5万水文地质调查工作，对德令哈盆地第四系地下水质量进行了采样测试。为了让评价结果更客观地反映区域地下水质量，更有效地指导水资源管理和利用，笔者依据测试结果和《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)，采用基于最差指标判别法和改进的内梅罗指数法相结合的分类组合评价方法，对德令哈盆地第四系地下水质量进行评价，为保护和合理开发利用地下水资源，防止地下水污染，加强地下水资源管理提供了科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理

德令哈盆地北倚宗务隆山，南抵德南丘陵，西起怀头他拉，东邻布赫特山西端余脉。本区地形特点是北高南低，海拔2 800～3 400 m，地势由北向南倾斜。地貌主要由北部的宗务隆山、布赫特山山前洪积倾斜平原、中部的冲洪积平原和南部的冲湖积平原组成。

德令哈市属于典型干旱大陆性气候，以干旱少雨、蒸发量大、冬长夏短、气温较低、昼夜温差大、多风为特点。据德令哈气象站观测资料(1960～2016年)，本区多年平均降水量为195.3 mm，多年平均蒸发量为2 036.6 mm，多年平均气温为4.0 ℃，多年平均风速为2.1 m/s，多年平均相对湿度为38.5%。

区内主要河流为巴音(郭勒)河。巴音河发源于祁连山脉野牛脊山南麓，全长326 km，流域面积约9 918 km2，多年平均流量为10.93 m3/s。支流白水河在黑石山水库下游100 m处汇入巴音河。巴音河河水最终排泄进可鲁克湖(淡)和托素湖(咸)(李健等，2009)。

1.2 水文地质条件

德令哈盆地为一较完整的水文地质单元。第四系松散岩类孔隙水为盆地内最主要的地下水类型，广泛分布于山前洪积倾斜平原、冲洪积平原及冲湖积平原区。

以戈壁砾石为主要地貌景观的山前洪积、冲洪积平原区含水层颗粒粗，厚度大，结构单一，透水性强；含水层岩性主要由砂砾卵石、含泥砂卵砾石层等组成，地下水类型为潜水。在冲洪积平原前缘至以细土平原为主要地貌景观的冲湖积平原后部，由于地形坡度变小，地表水流速减缓，搬运能力逐渐减弱，细颗粒物质开始堆积，形成由北部单一的砂卵砾石层逐渐过度为砂卵砾石、砂砾石、砂与粉土、粉质黏土的多层互层结构，地下水类型上部为潜水，下部为承压水。地下水位埋深在山前洪积倾斜平原区普遍大于100 m，靠近山前大于200 m，冲洪积平原区埋深一般在3～100 m，冲湖积平原区埋深一般小于3 m。

本区地下水主要接受巴音河河水和北部山区季节性河水的大量渗漏补给和北部宗务隆山基岩裂隙水的侧向径流补给，地下水整体由北向南径流，在一棵树寺附近以泉的形式泄出地表形成泉集河，排泄进西南方向的可鲁克湖和托素湖，部分地下水以地下径流的形式排泄进东南方向的尕海，最终通过尾闾湖蒸发排泄。

2 样品采集与测试

2016～2018年，在德令哈盆地共采集第四系地下水全分析样品66组(表1)(图1)。其中，采集机(民)井地下水样品51组、探采结合孔地下水样品8组、泉水样品7组。采样点主要为机(民)井。样品的采集、保存、运输均严格按照行业规范进行质量控制。样品测试工作由青海省水文地质工程地质环境地质调查院实验室依据《地下水质检验方法》(DZ/T 0064.1～0064.80—1993)、《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750.1～5750.13—2006)等测试完成。

表1 德令哈盆地第四系地下水采样点统计表Tab.1 Statistics of Quaternary groundwater samples in Delingha basin

1.山地；2.低山丘陵；3.山前洪积倾斜平原；4.冲洪积平原；5.冲湖积平原；6.机(民)井采样点；7.泉采样点；8.探采结合孔采样点图1 研究区地貌分区及地下水采样点分布图Fig.1 Geomorphic division and distribution of groundwater samples in the study area

3 评价指标与方法

3.1 评价指标

依据《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)，选取16项评价指标对研究区第四系地下水质量进行评价。16项指标分为一般化学指标和毒理学指标。其中，一般化学指标包括总硬度(以CaCO3计)、溶解性总固体(TDS)、硫酸盐、氯化物、钠、氨氮、耗氧量、硫化物、铁、铜、锌和铝等12项指标；毒理学指标包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、氟化物和铅等4项指标。

3.2 评价方法

3.2.1 分类组合评价方法

地下水中不同组分对人体健康产生的危害风险不同，比如地下水中的一般化学指标对人体健康的影响不明显，比较容易处理，而毒理学指标可通过饮水或食物链等途径直接或间接对人体健康造成危害，且不少重金属具有致突变、致畸、致癌作用。因此，在进行地下水质量评价的时候，对不同类别的指标采用一种评价方法是不合适的，应区别对待。比如对毒理学指标应采用比一般化学指标更加严格的评价方法。

基于此，笔者提出一种基于短板理论的地下水质量分类组合评价方法，即对一般化学指标和毒理学指标分别进行评价，然后基于短板理论，选取2组指标评价结果较差的类别作为该水样的综合评价结果，即：

F=max(F一般化学，F毒理学)

(1)

式中：F——某一水样水质综合评价类别；F一般化学——该样品中参评的一般化学指标的评价类别；F毒理学——该样品中参评的毒理学指标的评价类别。

对于一般化学指标适合采用综合评价法，本次采用改进的内梅罗指数法进行综合评价；而对于毒理学指标来说，则适合采用最差指标判别法，实行“一票否决”。

3.2.2 改进的内梅罗指数法

由于传统内梅罗指数法单项指标评价分值Fi取值为0、1、3、6、10几个离散的值，而水质测试结果却是连续分布的。在各级标准限值附近，污染物浓度的微小变化都将导致Fi值的较大变化，而在同一级标准范围内，污染物浓度变化却对Fi值没有影响，使得Fi值不能客观反映出污染物的浓度情况，降低了评价的灵敏度。

为了解决传统内梅罗指数法中Fi不连续的问题，笔者采用倪天翔提出的对Fi的修正公式(倪天翔等，2018)，在不改变Fi期望值的前提下使得Fi取值连续。

(2)

改进后的综合评价分值F′的计算如下式。

(3)

(4)

3.2.3 最差指标判别法

该方法为最新修订实施的《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)中推荐的地下水质量评价方法。先按单项指标值所在的限值范围确定地下水单项指标质量类别，指标限值相同时，从优不从劣。然后再进行地下水质量综合评价，按单指标评价结果最差的类别确定。

该方法是操作最为简单的一种水质评价方法，不仅简单直观，而且综合评价结果的划分与单指标评价结果划分相对应，使得评价结果的物理意义更加明确。但该方法评价过于严格，评价结果较为悲观，适合于毒理学指标或重金属指标的评价。

4 结果与分析

基于上述评价方法，首先采用改进的内梅罗指数法对12项一般化学指标进行评价，然后采用最差指标判别法对4项毒理学指标进行评价，最后取2组指标评价结果较差的类别作为该水样的综合评价结果。最终评价结果见表2。

表2 地下水质量评价结果分类统计表Tab.2 Classification statistics of groundwater quality evaluation results

4.1 评价结果

评价结果表明，本区第四系地下水质量整体较好。其中，Ⅰ类水1组；Ⅱ类水18组；Ⅲ类水30组；Ⅳ类水7组；V类水10组。可以直接作为生活饮用水(Ⅰ—Ⅲ类水)的地下水采样点数占总采样点数的74.24%；经过适当处理后可作生活饮用水(Ⅳ类水)的地下水采样点数占10.61%；不宜作为生活饮用水(Ⅴ类水)的地下水采样点数占15.15%。超Ⅲ类水点主要集中分布在怀头他拉镇、柯鲁柯镇一带，其余则零星分布(图2)。

从地下水类型上看，本区潜水中超Ⅲ类水有15组，约占26.79%；承压(自流)水中超Ⅲ类水仅有2组，约占20.00%，且无V类水。从地下水水化学主要组分统计特征来看(表3)，潜水中主要指标的平均值和最大值均大于承压(自流)水，潜水中主要指标的平均值为承压(自流)水的1.03～2.21倍。

从地貌单元上看，山前洪积倾斜平原和冲洪积平原区超Ⅲ类水有16组，约占33.33%；冲湖积平原区超Ⅲ类水仅有1组，仅占5.56%，且无V类水。从地下水水化学主要组分统计特征来看(表3)，山前洪积倾斜平原和冲洪积平原区地下水中主要指标的平均值和最大值均大于冲湖积平原区，其主要指标的平均值为冲湖积平原区的1.02～1.59倍。

图2 地下水质量评价结果图Fig.2 Evaluation results of groundwater quality

表3 地下水水化学主要组分分类统计表Tab.3 Statistics of main hydrochemical components of groundwater

由此可见，德令哈盆地内承压(自流)水质量优于潜水，冲湖积平原区地下水质量优于其他地区。

4.2 与其他方法对比分析

为了验证该方法的科学性和合理性，将该方法的评价结果与最差指标判别法、传统内梅罗指数法2种方法的评价结果进行对比，对比结果见表4。

从表4中可以看出，最差指标判别法评价结果主要集中在Ⅲ类水和Ⅳ类水，超Ⅲ类水比例高达45.45%，评价结果较差，这与德令哈盆地地下水实际情况有所差距，主要原因是该方法评价过于严格，即使只有一项参评指标为Ⅳ类或Ⅴ类水，而其余参评指标均未超过Ⅲ类水，则该水样综合评价结果也被判定为Ⅳ类或Ⅴ类水。传统内梅罗指数法评价结果主要集中在Ⅱ类水和Ⅳ类水，缺失Ⅲ类水，且超Ⅲ类水比例依然高达45.45%，可见传统内梅罗指数法评价结果不合理。笔者提出的分类组合评价法评价结果中Ⅰ—V类水均有评出，其中Ⅲ类水最多，其次为Ⅱ类水，超Ⅲ类水比例为25.76%。由此可见该方法的评价结果是比较客观合理的，更符合实际情况。

表4 不同评价方法评价结果对比表Tab.4 Comparison of evaluation results of different evaluation methods

4.3 影响指标分析

为了解不同水质指标对地下水质量的影响程度，将前述的16项地下水质量评价指标分类统计(表5)(图3)。16项评价指标中超标率(超Ⅲ类水)大于20%的指标有1种，为硫酸盐(28.79%)；超标率大于10%的指标有4种，分别为总硬度(18.18%)、钠(16.67%)、溶解性总固体(13.64%)、氯化物(10.61%)；V类水中超标率大于5%的指标有3种，分别为硫酸盐(12.12%)、氯化物(9.09%)、总硬度(7.58%)。而氨氮、硝酸盐氮和铅3种指标仅有1个采样点超标，耗氧量、铜、锌、铝和亚硝酸盐氮5种指标则没有出现超标。

由此可见，造成本区地下水质量超标主要是地下水中的一般化学指标，三氮和毒理学指标超标较少，可见本区地下水质量受原始地质环境和自然环境的控制，受人类活动影响较小。

表5 地下水质量影响指标统计表Tab.5 Statistics of groundwater quality impact index

4.4 影响因素分析

德令哈盆地地下水质量整体较好，这是因为本区地广人稀，海拔较高，自然环境比较恶劣，戈壁荒漠和湿地沼泽分布面积大，人类活动范围和强度均较小，地下水质量主要受原始地质环境和自然环境的控制，而受人类活动影响较小。这与同为西北干旱-半干旱地区的河西走廊石洋河流域地下水环境受人类活动强烈影响截然不同(王化齐等，2019)。影响本区地下水质量的因素主要有以下几方面。

(1)干旱气候。本区干旱少雨的气候对浅层地下水的质量影响较大。潜水水质较承压(自流)水差主要是由于在冲洪积平原前缘和冲湖积平原区潜水含水层厚度减小，地形平缓，水力坡度减小，地下水径流相对滞缓；加之本区潜水埋藏深度浅，一般小于3 m，干旱气候使得潜水蒸发浓缩作用强烈，地下水中溶质含量比例增加，导致潜水中总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、钠等一般化学指标超标严重，而承压(自流)水埋藏深度大，受蒸发浓缩作用影响较小，水质相对较好。

(2)地质构造。德令哈盆地北高南低的整体地形控制了宗务隆山前平原地下水主流方向是由北向南流动，但在平原西侧柯鲁柯镇一带，由于德令哈背斜构造的阻挡作用，地下水在德令哈隆起北侧由北向南径流受阻，地下水在乌兰干沟村—花土村一带形成地下水径流相对滞缓区和地下水位上升区。本区地下水循环更新速度慢，加之浅埋的地下水受蒸发浓缩作用影响，形成了一定范围的地下水水质较差区，地下水中TDS均大于1 g/L。

图3 地下水质量影响指标统计图Fig.3 Statistical chart of groundwater quality impact index

(3)地层含盐量。可鲁克湖西侧怀头他拉镇一带地下水质较差与地层高含盐量密切相关。通过对本区水文地质勘探孔BK8孔0～153 m地层土壤易溶盐样的系统采集与分析，发现怀头他拉镇一带地层在0～20 m含盐量最高，平均含盐量达6 934 mg/kg，为亚硫酸盐型中盐渍土；另外，在34～51 m、75～88 m段地层平均含盐量也达到4 525 mg/kg和4 952 mg/kg。而本区地下水位在10～15 m，地层中如此高的含盐量导致地下水中主要化学组分超标严重，该地段地下水中TDS在2.6～2.9 g/L，为微咸水，地下水化学类型为SO4·Cl-Na·Mg型水(图4)。

图4 BK8钻孔地层含盐量统计图Fig.4 Statistical chart of salt content in strata of BK8 borehole

(4)人类活动。虽然本区人口稀少，地下水受人类活动影响较小，但位于冲洪积平原的德令哈工业园区，近年来大力发展纯碱、烧碱、电石、PVC、氯化钙等产品，构建柴达木两碱化工基地。随着德令哈地区碱化工业资源开发利用的广度和深度的增大，加之本区包气带岩性防护性能差，本区地下水面临着极大的威胁。目前，污染源主要是碱厂排污管道的“跑、冒、滴、漏”、露天晒碱池和引碱厂废液土渠的渗漏等，导致局部地下水已受到污染。例如，尕海镇新源村供水井水质变咸，难以饮用，就是受到晒碱池渗漏的影响，地下水中溶解性总固体明显增高，氯离子、钙离子大幅度增加，并且水化学类型也由Cl·HCO3-Ca·Mg型变为Cl-Ca·Mg型(赵振等，2014)。