银川地区潜水环境背景值研究

孙玉芳，金晓媚，薛忠歧

（1.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京100083；2.宁夏回族自治区水文环境地质勘察院，银川750026）

随着工农业的快速发展，引起的地下水污染已经引起了相关部门的高度关注，进行地下水污染评价必须基于一定的参考值，地下水环境背景值就作为地下水污染评价的基础［1］，直接影响到评价结果的科学性和合理性。“环境背景值”概念从1975年由康纳［2］提出至今，就一直存在争议［1，3］，争议主要在于它是否能代表研究区的天然状态，而未受到人类活动的影响。20世纪80年代初，“地下水环境背景值”概念被正式提出，较为认可的阐述是：地下水环境背景值指研究区域内相对清洁区（人类活动影响相对较小的地区）化学元素的含量［1］，指出因地下水含水岩组特征、补径排条件及各种水文地球化学作用的影响，环境背景值应为一个范围值，而不是一个固定的数值［3-5］，并且具有时间特性和空间特性［5］。随着人类活动对自然环境的改造和影响，清洁区越来越少，学界也认识到地下水环境背景值是地下水在天然状态下叠加人类正常活动影响所形成的各水化学组分特征含量、变化范围、比例关系等，它反映了地下水中各水化学要素随自然环境及人类正常活动影响条件下演化和发展的过程及特征［6-8］，并指出地貌、水文地质条件等因素控制地下水环境背景值的空间分布［9］，尽可能获取人类活动影响相对较小时期的化学组分含量可作为一个地区的环境背景值。环境背景值研究常用的方法有类比法、历时曲线法、数理统计法等［10］，应用最广泛的是数理统计法，即在综合分析区域水文地质条件的基础上划分水文地质单元，利用统计学方法处理和分析水质结果，得出研究区的环境背景值［11-13］，这种表示方法，既有利于观察统计数据的离散、变异程度，又便于刻画背景值的集中趋势，也能确定其取值区间［14］。

银川地区的地质环境条件为山前洪积-冲洪积-河湖积平原型，是我国城市所在地质环境的主要类型，有着广泛的代表性。水文地质条件复杂，潜水水化学类型繁多，其水文地球化学特征呈现着相应的变异特征和分布规律。开展银川地区潜水环境背景值研究，为确定地下水的污染程度和污染状况提供对比依据，是评价环境质量的不可缺少的。本文利用的银川市枯水期的潜水水质分析资料，运用数理统计法，对银川地区环境背景值进行计算，分析其空间分布规律及其控制因素，可为研究银川地区地下水水质演化，水质评价提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于银川平原的中段，属于干旱—半干旱气候带，日照充足、蒸发强烈，多年平均年降雨量185 mm，多年平均蒸发量1 800 mm，蒸发量接近降水量的10 倍之多。研究区东临黄河、西依贺兰山，南至永宁县胜利乡，北抵贺兰县立岗镇，地势开阔平坦，由西南向东北倾斜；地貌自西向东分别为山前洪积倾斜平原、冲洪积倾斜平原、河湖积平原及河漫滩，自西向东地形坡度变缓。包气带厚度由山前向河漫滩，总体上呈逐渐变薄的趋势［见图1（a）］。山前洪积倾斜平原包气带厚度在10～200 m 之间，冲洪积倾斜平原、河湖积平原包气带厚度相对均一，一般在1～3 m，局部小于1 m 或大于3 m。包气带岩性在不同地貌单元有较大差异，洪积倾斜平原以阻水性极差的砂砾石为主；冲洪积平原岩性主要为细砂，沿西干渠北段有一条宽约3 km 的黏砂土细粒带，厚约3 m，向南岩性为细砂，渗水性能增强。河湖积平原在贺兰县东北、望远镇和良田渠以南有部分黏砂土，其他均为砂黏土，该地区的潜水具有微承压性。

图1 研究区位置及采样点Fig.1 Location of study area and distribution of sampling sites

2 研究方法

本次潜水环境背景值研究选用数理统计法，主要步骤为：①划分水文地质单元→②选取统计样点及水质化验结果→③数据检验→④统计处理→⑤确定背景值［1］，运用数理统计中的集中值（均值、中位数等）、标准差、变异系数等指标，获得地下水中各组分的环境背景值范围［15，16］。

3 背景值计算

3.1 水文地质条件概述及地下水环境单元的划分

银川地区潜水水化学成分主要来自地层，又受地质地貌、水动力条件、地下水赋存条件、地下水动态及补径排条件的影响而随时空变化，在不同环境中，形成不同的水文地球化学分区。研究区由西部山前洪积倾斜平原单一潜水区向东部平原潜水承压水多层含水层结构过渡［见图1（b）、表1］。根据地貌类型、含水层结构，并结合补、径、排条件、水化学特征及富水性，将研究区潜水自西向东划分为4 个区（见图1），分别是：山前洪积倾斜平原单一潜水区、冲洪积平原潜水区、河湖积平原潜水区、河漫滩单一潜水区（见表1）。

表1 银川地区潜水环境单元分区说明表Tab.1 Zone descriptions of phreatic water in Yinchuan area

3.2 样点的选取

根据水文地球化学的时空分布，考虑其复杂程度，既要满足环境背景值取样的基本要求又要满足统计方法的要求。本次地下水环境背景值研究充分利用研究区1987-1989年《宁夏回族自治区银川地区潜水主要化学成分调查》项目的枯水期潜水水质分析资料，该资料是研究区最早开展的水化学调查资料。统计样点选取以环境单元为主要依据，同时，为了剔除受到污染影响的非背景点，在选择统计样点时远离和避开了工业区、城镇等污染源，选择不受人为污染的井点为统计样本。自然状态下，NO3-是地下水污染的敏感指标，通过对潜水化学成分与NO3-的相关性分析，可以确定潜水化学成分受到污染物影响的起始值［17］，为选择统计样点提供依据。为了分析NO3-的含量达到多少时对潜水化学组分产生明显影响，并引起其他组分的上升，故将NO3-分成不同的数值段，计算其与各组分之间的相关系数，相关系数检验时给定信度α=0.05，计算结果见表2。结果显示当NO3-小于10 mg/L 时，其与其他化学组分相关系数低，对地下水其他化学组分产生影响小，当NO3-含量大于10 mg/L 时，其与其他化学组分相关性显著增加，与Ca2+、K+、SO42-、Cl-、TDS 的相关性最大，因此在选择背景值统计样点时将NO3-含量大于10 mg/L 的样点排除在统计之外。综合考虑环境单元、非背景样点剔除和统计精度，并尽量保持统计样本在地域分布上的均匀性，最终确定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ单元的统计样本数分别为12个、30个、49个、8个，共计99个。

表2 银川地区潜水中NO3-与其他化学组分相关系数统计表 mg/LTab.2 Correlation Coefficient between NO3-and other chemical components of phreatic water in Yinchuan area

3.3 数理统计检验

在确定背景值之前，经过分析样本数据和剔除异常值，按单元进行显著性差异检验后，再进行样本数据的分布类型检验，以确定组分含量的分布类型，为背景值参数的计算奠定基础。

（1）异常值的判定和剔除。Grubbs 法检验的严格程度适中，检验精度较高［16］，本次检验数据样本数服从Grubbs 准则的计算范围，因此异常值剔除采用Grubbs准则。

（2）离子含量分布类型检验。应用SPSS软件中的Kolmogorov-Smirnov 法和Shapiro-Wilk 法（W 检验）对各统计单元内各组分含量概率分布类型进行综合判定（信度α=0.05）。宏量组分在各环境单元分布类型为正态或对数正态分布，整个研究区Ca2+、Na+、K+、HCO3-服从正态分布，F-服从对数正态分布，其他均按偏态分布。

3.4 背景值确定

根据不同单元内水化学组分的分布类型，采用不同的统计计算方法。当样本服正态分布时，采用算术平均值法，当样本服从对数正态分布时，采用几何平均数法［14］，对Na+、Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-、F-、pH 值和溶解性总固体（TDS）常规指标进行地下水环境背景值计算与分析。计算方法见表3。

表3 运用数理统计确定地下水环境背景值的方法Tab.3 Mathematical statistics methods for determining environmental background levels of groundwater

最终确定的银川地区潜水环境背景值见表4，各单元环境背景值见表5。背景值计算包括中位数、平均数、标准差、变异系数和背景值域。

表4 研究区潜水环境背景值及特征值Tab.4 Background value and characteristic value of phreatic water in Yinchuan area

表5 不同地下水环境分区的潜水环境背景值及特征值一览表Tab.5 Background values and their characteristics of phreatic water in different environmental zones in Yinchuan area

4 结果与讨论

4.1 潜水环境背景值分布特征

地下水化学组分含量差异受到地下水埋藏、径流条件和水文地球化学作用的影响。依据环境单元的划分，分单元分析各组分的背景值特征。

山前洪积倾斜平原单一潜水区（Ⅰ），因靠近贺兰山，地形坡度大，是地下水物质成分的流失区，潜水埋藏深度大，受蒸发影响小，包气带及含水层以粗颗粒的砂砾石为主，透水性良好，地下水处于氧化环境，偏碱性（pH平均值8.000）（见表5）。水力坡度大，潜水流动迅速，水交替作用和溶解作用强烈，利于潜水中各组分的运移，迁移能力较强的Na+、SO42-、Cl-易溶盐组分随着水交替而迅速迁移，被较充分的淋出。Na+、SO42-、Cl-被溶滤掉，平均值分别仅为22.233、46.361、26.393 mg/L，迁移能力弱的Ca2+、HCO3-相对富集，其平均值分别为44.768、220.132 mg/L。各组分变异系数均小于0.500，背景值域分布宽度均较窄，平均值均较低，水化学类型简单，形成了以HCO3-Ca·Mg型为主的淡水区（TDS 平均值421.833 mg/L），成为研究区内的低背景单元（图2）。

冲洪积平原潜水区（Ⅱ），地形坡度变缓，包气带岩性以细砂为主，潜水赋存的岩性颗粒变细，黏性土增多，含水层岩性为中砂、细砂及粉砂，地形平缓，地下水径流急剧减缓，水交替减弱，蒸发浓缩作用和交替吸附作用增强，水化学组分开始富集，潜水趋向浓缩，是由径流流失向浓缩累积的过渡带。Na+、Ca2+、Mg2+、K+的平均值分别增加至98.350、53.362、43.151、5.918 mg/L（见表4），HCO3-、SO42-、Cl-平均值分别增加至331.220、151.831、75.162 mg/L，形成了以HCO3·SO4-Na·Mg、HCO3·Cl-Na·Mg型为主的中等复杂的弱碱性（pH 平均值7.910）淡水区（TDS 平均值823.021 mg/L）。潜水水化学组分的背景值域宽度和各组分平均值均有所增加，除pH 值外，各组分的标准差均增大，变异系数增大，说明该区水化学类型增多、水质复杂。

河湖积平原潜水区（III），潜水埋藏浅，大部分地带为1～3 m，水力坡度小，水交替缓慢，溶滤作用不发育，潜水蒸发浓缩作用强烈，含水层岩性颗粒细小，为细砂、粉砂、粉细砂，并夹有黏土薄层，阻碍了水化学组分的迁移，含水层中易溶盐保存较多，为潜水化学组分浓缩累积区，潜水水化学组分的环境背景值分布宽度和各组分平均值均达到最大，水化学类型最复杂。其中F-、SO42-、HCO3-、Na+、Ca2+、Mg2+继续富集，均为研究区最高值（见表5），Cl-为次高值（112.132 mg/L），标准差和变异系数均较高，形成了本单元以HCO3·Cl-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg 型为主的中等复杂的中性（pH 平均值7.791）微咸水（TDS 平均值1 228.690 mg/L）。致使本单元的TDS和易溶组分都居于研究区各单元的最高水平，成为研究区的高背景单元。

河漫滩单一潜水区（IV）为潜水化学组分浓缩富集区，因靠近黄河并与其产生一定的水力联系，黄河侧向补给的冲淡作用使潜水水化学组分的环境背景值分布宽度和各组分平均值均有所下降。该区地形平缓，潜水埋藏浅，一般小于2 m，含水层以细砂、粉砂为主，夹薄层黏土透镜体，蒸发浓缩作用强烈。地下水化学组分的含量均超过或略低于研究区的平均水平，其中易于迁移的Cl-为全研究区最高值，平均值达116.724 mg/L（见表5），HCO3-为各单元次高值（451.632 mg/L），标准差和变异系数显著降低，在地下水化学背景分区中，属于水化学组分含量中等的中性（pH 平均值7.672）HCO3·Cl-Na·Mg 和SO4·Cl-Na·Mg 型微咸水区（TDS 平均值1 026.182 mg/L），该单元成为全研究区的次高背景单元。

为了研究银川地区潜水环境背景的区域分布情况，选用整个研究区的潜水环境背景值区间的分级范围（±S）作为评价参数，并定义当背景值＜-S为低背景，背景值介于-S～+S为一般背景，背景值＞+S为高背景，绘制研究区水化学组分的环境背景值分布图（见图2）。

图2 银川地区潜水环境背景值分布图Fig.2 Distribution of phreatic environmental background values in Yinchuan

从各化学组分的背景值分布来看，研究区潜水水化学背景受其赋存环境和水动力条件的影响，造成远离山前，水化学成分相对富集的变化特征。各组分的低背景区在山前地带连片分布，在黄河西岸也有零星分布；一般背景区在山前地带以东至黄河西岸大面积分布；高背景区则多在一般背景区内呈片状、岛状和条带状分布，主要分布于Ⅱ、Ⅲ单元地势低平地段。对比银川地区潜水环境背景值分级结果（图2）及环境单元划分图［图1（a）］，环境背景值的分布受到环境单元的影响，但其分级界线不完全与环境单元界线重合，尤其在Ⅱ、Ⅲ单元内受到微地貌及包气带岩性分布的影响，高背景区呈片状、岛状和带状的不连续分布于地势低平的黏性土分布地段。

4.2 潜水环境背景值空间变化规律

研究区潜水总体背景值计算结果显示（见表4），Na+、Ca2+、HCO3-、SO42-的平均值和标准差较大，表明其在潜水中的绝对含量较大，分布范围大，是主要水化学成分。Na+、SO42-、Cl-、pH、TDS、F-的变异系数均大于0.5，Mg2+和K+的变异系数接近0.5，说明其在潜水中的含量变化相对较大，迁移能力较强，而Ca2+、HCO3-的变异系数较小，说明其迁移能力弱，含量相对稳定。

pH 值反映氧化还原条件，pH 增大，氧化环境增强，反之还原环境增强。研究区的pH 值分布于7.440～8.400 之间，各单元平均值Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅳ，TDS 含量范围在318.904～1 994.601 mg/L之间，其各单元平均值Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。

从主要阳离子和主要阴离子在各环境单元内的背景值平均值对比曲线（图3）可以看出，各种离子的背景值分布规律基本一致，总体上，阳离子平均值Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，阴离子平均值HCO3-＞SO42-＞Cl-。

图3 各单元水化学组分的对比曲线Fig.3 Comparison curves of the hydrochemical components of different zones

区域比率为地下水环境单元的水化学组分环境背景值与研究区的环境背景值的比值，反映了该单元地下水化学组分环境背景值在全研究区的相对大小。各环境单元区域比率结果显示（表6），银川地区潜水环境背景值在地质地貌、水文地质条件和水文地球化学作用的影响下存在空间差异，平均值Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅱ＞Ⅰ。对比表5中各单元的背景值，自西向东，由山前洪积倾斜平原单一潜水区→冲洪积平原潜水区→河湖积平原潜水区→河漫滩单一潜水区，pH不断下降，由偏碱性向中性过渡；离子组分中除Ca2+的平均值不断增加外，其他组分和TDS 的平均值均先升高后降低，山前洪积倾斜平原区离子平均值最低，在河湖积平原潜水区各种离子平均值最高，至河湖积平原以东黄河沿岸一带离子含量降低，表明银川地区潜水化学组分从上游的补给源向下游排泄汇，潜水径流变缓，水动力条件变差，潜水水化学组分由溶滤淋失转为吸附累积，在河漫滩地带受黄河水倒灌淡化作用影响，水质变好。体现了由山前相对亏缺到冲洪积平原区相对平衡，再到过剩的状态。标准差和变异系数在山前最小，在冲洪积平原区最大，显示山前地带潜水埋藏深度大，径流条件好，潜水水质稳定，冲洪积平原区处于溶滤作用和蒸发浓缩的交替带，潜水又受灌溉的影响，水质呈多元化。

表6 银川地区各单元潜水水化学组分的区域比率统计表Tab.6 Regional ratios of hydrochemical components of phreatic water of different zones in Yinchuan area

5 结 语

（1）本文以综合水文地质条件划分环境水文地质单元的方法，经过对统计样本的质量控制分析，统计样本的机械随机抽样以及样本异常值的判定和剔除，水化学组分含量分布类型检验等技术方法；用平均值、标准差、变异系数和含量范围等特征值，对研究区潜水环境背景值进行描述，给出4个环境单元及研究区的10个项目的环境背景值。

（2）I 单元为地下水物质成分的流失区，潜水环境背景值分布宽度最窄，各组分背景值均较低，水化学类型简单；II 单元为由径流流失向浓缩累积的过渡带，潜水环境背景值分布宽度和各组分背景值均有所增加，水化学类型复杂；III 单元为潜水化学组分浓缩累积区，潜水环境背景值分布宽度和各组分背景值均达到最大，水化学类型最复杂。IV 区仍为浓缩富集区，因靠近黄河并与其产生一定的水力联系，潜水环境背景值分布宽度和各组分背景值均有所下降。

（3）研究区潜水环境值在河湖积平原区最高，河漫滩和冲洪积平原区次之，洪积倾斜平原区最低，反映了地下水流的水文地球化学作用分带特征，符合潜水演化的规律特征。各水化学组分低背景区主要分布于地下水径流条件好、包气带阻水能力差的山前地带，高背景区呈片状、岛状和条带状分布于地下水径流条件差、包气带阻水能力较好的黏砂土、砂黏土分布区。