定边县山前平原地下水水化学特征分析及水质评价

李建华，徐向东，刘 鹏，王 玮

（1.长安大学 水利与环境学院，陕西 西安 710000；2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054）

地下水资源是人类饮用水、灌溉用水和工业用水的重要来源，尤其是在水源稀缺且分布不均的干旱半干旱地区。随着人口的快速增长和工农业开发规模的不断扩大，地下水污染已成为许多国家和地区面临的环境问题，地下水水质对整个社会的发展显得越来越重要［1］。世界各地学者普遍认为基于单一参数的水质评价不能反映整体水质，由此提出了基于多参数的机器学习法、主成分分析评价法、模糊评价法、灰色系统法和WQI 水质指数法等方法，其中WQI 水质指数法被很多学者用于咸水入侵区域和干旱半干旱地区等水质复杂区域的水质评价，取得了良好效果。Li 等［2］使用WQI 水质指数法和模糊评价法对珠江三角洲多个河口和入海口水质进行了评价，结果显示WQI 水质指数法评价效果良好。Berhe［3］利用WQI 水质指数法、Piper 三线图和Gibbs 图对Amhara 地区用于生活用途和农业用途的地下水水质和水化学特征进行了分析，发现当地雨季地下水比旱季更适合用于灌溉和饮用。Zhang 等［4］利用WQI 水质指数法和人类健康风险评价模型对陕西省渭南地区的地下水水质进行了评价，并对地下水中各项致癌和非致癌因子进行了健康风险评估。Baba 等［5］利用WQI 水质指数法、离子比值法对2009—2014 年加沙地区Dieral Balah 省因海水入侵引起的地下水水化学特征变化进行了研究，结果表明5 a 内当地地下水和海水混合比增加了1%，海水入侵范围逐渐向内陆地区扩展。

定边县是中国重要的畜牧业基地县之一，定边平原地区的生活用水和工农业用水的主要水源为地下水，因此掌握研究区地下水水质和水化学特征，对指导当地合理利用地下水资源具有十分重要的意义。但是目前有关定边地区地下水水质和水化学特征的研究较少，仅叶阳等［6］从鄂尔多斯盆地的大地构造、岩性和古沉积环境等方面对盐池至定边地区的水化学场的形成机理进行了分析。本文利用研究区内第四系和白垩系地下水水化学数据，对定边县山前平原地下水水化学特征进行分析，对研究区地下水水质和硝酸盐健康风险进行评估，以期对研究区地下水资源的可持续利用以及促进当地经济和环境和谐提供参考。

1 研究区概况

研究区为定边县北部山前平原地区，位于陕西省榆林市西部，是黄土高原与内蒙古鄂尔多斯荒漠草原过渡地带，区域内耕地较多，研究区位置见图1。

图1 研究区位置

研究区属温带半干旱大陆性季风气候区，昼夜温差大，年平均气温9 ℃。多年平均水面蒸发量2 290.3 mm，多年平均降水量325 mm，全年降雨主要集中在夏季，7—9 月降水量占全年降水量的50%左右。地势总体南高北低，南部为高山丘陵地带，北部为盆地地形的高平原，平原地区多咸水湖、无河流。地层主要为上覆第四系全新统风积砂和下伏白垩系下统环河组、洛河组地层，其中白垩系地层是古沉积中心地层，含盐量相对较高，这是当地高矿化度地下水形成的原因之一。研究区内潜水含水层以第四系松散岩层孔隙潜水含水层为主，主要分布在平原地区，山前梁岗区分布有白垩系环河组基岩裂隙潜水含水层，主要赋存于基岩风化壳中，受风化壳发育条件控制。研究区地下水等水位线见图2，潜水流向总体与地形倾向一致，平原地区潜水流动十分缓慢，局部地区地下水会向地形低洼处汇集，以蒸发的形式排泄。除人工开采外，蒸发是研究区地下水的主要排泄方式。研究区地下水主要受降水入渗补给，其次受灌溉回归水入渗补给和沙丘凝结水补给等。研究区地表水资源匮乏，地下水资源是当地居民生活饮用水的主要来源。定边县地下水资源总开采量为35.3×104m3／d，到2013 年地下水资源开采量占可开采量的92%，其中水质适宜的地下水开采量占比已经达到96%。综上所述，研究区主要面临地表水资源少、地下水资源水质复杂、地下水资源可持续开采难度大等问题。

图2 研究区地下水等水位线（单位：m）

2 采样与研究方法

2.1 采样

水样采样点分布见图3，采样过程参照《地下水环境监测技术规范》（HJ 164—2020）。采样时间主要为2020 年10—11 月，共取地下水水样93 个，其中：第四系地下水水样84 个，白垩系地下水水样9 个。将水样送至陕西省水土检测中心进行检测，水样检测指标有总硬度（TS）、溶解性总固体（TDS）、pH 值、等。

图3 水样采样点分布

2.2 研究方法

2.2.1 WQI 水质指数法

WQI 水质指数法是使用各种水质指标评估水质的有效方法［7－8］，通常根据各指标对水质的重要性进行加权，但是权重的微小变化会影响总体水质评价结果［9］。各国学者对于权重的分配并不一致，为了克服这一问题，本文采用Diakoulaki 提出的基于指标相关性的指标权重确定法（CRITIC）计算权重，该方法是一种客观的权重分配方法，避免了人为分配权重的主观性。CRITIC 法［10－11］的基本思想是引入对比强度来反映同一指标在各个级别的数值差距，以标准差的形式来表现，标准差越大各级别的数值差距越大；用相关系数来反映指标之间的冲突性，如2 个指标之间具有较强的正相关性，说明2 个指标的冲突性较低，反之，冲突性较高。WQI 水质指数的计算公式为

式中：Cj为第j个指标的信息量；δj为第j个指标的标准差；m为选取的参与评价的指标个数；rij为指标i、j间的相关系数；Wj为第j个指标的权重值，所有权重值之和等于1；Qjk为第k个样本中第j个指标的质量。

由式（1）和式（2）可知，指标的权重取决于指标的标准差δj和相关系数rij，指标的标准差越大相关系数越小，其包含的信息量越大，被分配的权重也越大。计算δj和rij时应将各指标数值进行归一化处理，消除不同量纲造成的影响。各参数的计算方法如下：

式中：xjk为第k个样本中第j个指标的实测值；minxj、maxxj分别为第j个指标的最小值、最大值；bjk为各指标归一化值为第j个指标的均值；B为由bjk构成的标准矩阵；cov（Bi，Bj）为标准矩阵B中第i、j行的协方差；δi、δj分别为标准矩阵B中第i、j行的标准差；Rjp为第j个指标在纯水中的理想值，纯水中各离子含量为0，pH＝7，Rjp＝7。

根据WQI 指数将水质分为5 个等级［12］，见表1。

表1 地下水水质分级

2.2.2 人类健康风险评价模型

美国环境保护局（USEPA）建立的人类健康风险评价模型（HHRA）是一种被广泛用于评估地下水污染物可能对儿童和成年人健康造成有害影响的方法［13］，是计算不同年龄人群有非致癌风险的最有效工具［14－16］。HHRA 包括非致癌风险评价和致癌风险评价，由于属于非致癌物，因此选择非致癌风险评价模型［17］如下：

式中：CDI 为慢性每日摄入量；C为地下水硝酸盐浓度；IR 为摄入率；ED 为暴露时间；EF 为暴露频率；BW为平均体重；AT 为平均接触时间；RfD 为硝酸盐浓度的参考剂量；HQ 为硝酸盐危害系数，HQ＜1 表示可接受的非致癌风险，HQ≥1 表示对人类健康有害的非致癌风险。根据USEPA 提供的关键参数的建议值，模型各参数取值见表2。

3 结果与讨论

3.1 地下水水化学特征

用于水质评价的93 个水样的水化学指标统计结果以及计算WQI 指数所使用的标准值见表3，其中：Ca2＋、Mg2＋的标准值参考《世界卫生组织饮用水质量指南》，其他指标的标准值参考《地下水质量标准》（GB／T 14848—2017）。由表3 可知，第四系地下水和白垩系地下水pH 平均值分别为8.0 和8.2，表明研究区地下水总体呈弱碱性。第四系地下水TDS 值变化范围为265.8～8 786.8 mg／L，按照TDS 划分淡咸水，第四系地下水中有44%的淡水、42%的微咸水、14%的咸水。白垩系地下水TDS 变化范围为2 123.6～7 448.7 mg／L，平均值为3 490.5 mg／L，微咸水和咸水分别占56%和44%。以上结果表明研究区地下潜水以微咸水为主，淡水主要赋存于第四系地下水中，白垩系地下水含盐量高，主要为咸水和微咸水。

表3 研究区地下水水化学统计结果 mg／L

第四系地下水中各离子的平均含量整体小于白垩系地下水中各离子的平均含量，第四系地下水和白垩系地下水中阳离子平均含量从大到小为Na＋＋K＋＞Mg2＋＞Ca2＋，Na＋＋K＋为研究区地下水中的优势阳离子。第四系地下水中阴离子平均含量从大到小为，Cl－为优势阴离子。相较于白垩系地下水中各离子变异系数，第四系地下水中阴离子的变异系数较大，表明第四系地下水阴离子含量的空间差异性较高。

3.2 地下水水质评价

WQI 分类结果见图4。白垩系地下水9 个水样全部为Ⅴ类水；第四系地下水中有6 个水样为Ⅰ类水，仅占第四系地下水的7.1%，有29 个水样为Ⅴ类水，占34.5%，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类水共占50%，Ⅳ、Ⅴ类水共占50%。总体而言，研究区地下水水质较差，但第四系地下水水质相比白垩系地下水水质好。在所有参与水质评价的离子中超标占比最大，原因是研究区内分布有大面积的耕地，大量使用农药化肥造成该地区地下水普遍受到硝酸盐污染。

图4 水质分类环形图

各级水质的空间分布见图5，可以看出研究区地下水水质呈现明显的空间差异性和逐级分带性。水质自南向北逐渐变好，由中部向东部、西部逐渐变差。劣质水体整体分布在南部山区以及出山口区域，并沿研究区东、西两侧平原由南向北延伸，呈带状分布，将水质较好的水体包围在研究区中部至西北部的梁岗和平原区域，这与典型水文地质“补给区→径流区→排泄区”对应的水质演化过程相反，水质呈“逆向”的演化分布，这与叶阳等［6］的研究结果一致。

图5 各级水质空间分布

3.3 水化学特征

各水样的Piper 三线图见图6，可见各级水质地下水的水化学类型存在较大差异。在阳离子分布图中，大部分水样靠近Na＋＋K＋轴分布，其他水样各阳离子含量相当，无明显优势阳离子。在阴离子分布图中，阴离子含量随水质等级的变化而发生显著改变，随着水质等级的升高，阴离子中Cl－含量明显增大，含量显著减小，部分Ⅴ类水中含量有所增大。Ⅰ、Ⅱ类水的优势阴离子主要为Ⅴ类水的优势阴离子主要为结合水质的空间分布，可知整体上地下水化学类型由南向北从SO4·Cl－Ca·Mg型和SO4·Cl－Na 型逐渐过渡到HCO3－Na 型。由山区向平原地下水的渗流时间不断延长，溶解度大的Na＋逐渐占据主要地位，同样化学性质稳定、原本占据优势地位的Cl－逐渐被取代。结合地貌和岩性情况判断，原因可能是南部山区高含盐量的古沉积地层中的SO4·Cl－Na 型地下水在向平原区流动的过程中，与平原南北向山脉和梁岗处汇聚而来的新鲜地下水发生混合，同时地形变缓，地下水流速减慢导致溶滤作用加强，使得Cl－含量降低而含量升高。

图6 研究区各水样水化学Piper 三线图

3.4 水化学成因分析

各水样的Gibbs 图见图7，可以看出，分布在研究区西北部平原地区的Ⅰ、Ⅱ类水主要分布于岩石风化类型区，其Na＋／（Na＋＋Ca2＋）值较大，部分Ⅱ类水的Na＋／（Na＋＋Ca2＋）值较小；大部分Ⅰ、Ⅱ类水的Cl－／值小于0.5，表明北部平原的Ⅰ、Ⅱ类水水化学组成主要受岩石风化作用影响，同时地下水在流动过程中不断发生的水岩作用使得Na＋含量不断升高；Ⅲ类水主要处于Gibbs 图中岩石风化作用和蒸发结晶作用的过渡区域，其化学组成受到这两种作用的共同控制。分布在研究区东西部平原地区的Ⅳ类水在岩石风化类型区和蒸发浓缩类型区都有分布，从Na＋／（Na＋＋Ca2＋）值来看，更多水样集中在蒸发浓缩类型区域，可见Ⅳ类水的形成并不主要受单一水化学作用的影响［20］。结合该类型水分布的地形地貌来看，所在的东西部平原区域地形平缓，地下水埋深浅，蒸发作用强，但是平原地区大面积的农业灌溉可能导致咸水入侵，从而影响地下水水化学成分。研究区南部的Ⅴ类水虽然分布于Gibbs 图的蒸发浓缩类型区域，但是由图5 可以看出，南部山区白垩系潜水埋深大于20 m，其蒸发浓缩作用可以忽略不计，其水化学特征由白垩系高含盐量地层形成。

图7 研究区各水样水化学Gibbs 图

地下水中各离子含量之间的关系（见图8）可以反映地下水水化学成因［19］。从图8（a）可以看出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水的γ（Na＋＋K＋）与γ（Cl－）关系点据分布在y＝x附近，表明研究区中部和南部平原地下水中的Na＋和K＋是通过盐岩（NaCl）溶滤形成的；大部分Ⅳ、Ⅴ类水的Na＋和K＋在y＝x上方，可能由阳离子交替吸附作用或硅酸盐矿物溶解导致［20］。从图8（b）可以看出，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水的Ca2＋＋Mg2＋与的毫克当量浓度比值都接近1，研究区南部的Ⅳ、Ⅴ类水的Ca2＋＋Mg2＋与的毫克当量浓度比值都小于1，表明研究区水质较好的地下水中Ca2＋和Mg2＋主要来自碳酸盐和硅酸盐溶解，南部山前区域地下水与盐岩和石膏类矿物溶解有关。从图8（c）可以看出，南部山前区域Ⅳ、Ⅴ类地下水中的毫克当量浓度远高于的毫克当量浓度，表明该区域的主要来源于蒸发盐岩的溶解，进一步说明南部山区的劣质地下水主要受古沉积中心的高含盐量地层的影响。从图8（d）可以看出，研究区内地下水的γ（Cl－＋Na＋）与呈现显著的负相关性，说明研究区地下水发生显著的阳离子交替吸附作用［21］。从图8（e）氯碱指数关系图可以看出，大部分水样分布在左下角的第三象限，表明发生的是阳离子交替吸附的正反应，使得地下水中Na＋含量增大，Ca2＋＋Mg2＋含量减小。

图8 地下水各离子含量的关系

3.5 人类健康风险评价

研究区成年人和儿童通过饮用地下水产生的硝酸盐非致癌风险的统计结果见图9。可以看出，儿童承受的非致癌风险要高于成年人，其原因是儿童的体重远小于成年人，更容易积累健康风险。成年人承受的硝酸盐危害系数为0.039～6.71，计算得到平均值为2.07，研究区内有68.8%的地下水可能对成年人的健康产生危害。结合WQI 水质指数法的水质评价结果，Ⅰ类水硝酸盐危害系数均小于1，Ⅱ、Ⅲ类水中分别有58.3%和83.3%的地下水硝酸盐危害系数大于1，存在健康风险。儿童承受的硝酸盐危害系数为0.073～12.52，计算得到平均值为3.33。对于儿童，研究区内有80.2%的地下水存在高硝酸盐健康风险。依据WQI 水质指数法的评价结果，Ⅰ类水均安全，Ⅱ、Ⅲ类水中分别有68.3%和85.2%的地下水的硝酸盐可能对儿童健康产生危害，其原因是在未经处理和长时间的直接饮用下，硝酸盐会在人体内不断富集，而儿童体重比成年人轻，富集效果会更加显著。

图9 健康风险评价箱型图

4 结论

1）研究区地下水主要呈弱碱性，部分水体呈强碱性；第四系地下水TDS 值变化范围为265.8～8 786.8 mg／L，白垩系地下水TDS 变化范围为2 123.6～7 448.7 mg／L；区域内地下水阳离子含量由大到小为Na＋＋K＋＞Mg2＋＞Ca＋，阴离子中污染严重。地下水化学类型由南到北从SO4·Cl－Ca·Mg 型和SO4·Cl－Na 型逐渐过渡到HCO3－Na 型。水化学成分主要受蒸发结晶、溶滤作用和阳离子交替吸附作用的影响。

2）研究区内第四系地下水水样中Ⅳ、Ⅴ类水共占50%，白垩系地下水水样全为Ⅴ类水，整体水质较差。水质呈现明显的空间差异性和逐级分带性，水质“逆向”演化分布主要受古地层岩性和地貌的影响。

3）研究区硝酸盐健康风险评价结果显示，成年人和儿童承受的平均硝酸盐危害系数分别为2.07 和3.33。儿童更容易受到硝酸盐导致的健康影响，且研究区内分别有68.8%和80.2%的地下水会对成年人和儿童健康产生影响。