程 敏， 姜紀(jì)沂*， 任 杰， 趙振宏

(1.防災(zāi)科技學(xué)院，北京 101601；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心， 西安 710054)

地下水化學(xué)特征及其成因是水文地質(zhì)學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，通過(guò)對(duì)地下水水化學(xué)的時(shí)空變異特征與演變規(guī)律的研究，可以更好地揭示地下水與環(huán)境的相互作用機(jī)制，為地下水資源管理提供理論依據(jù)[1-4]。地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物，通過(guò)研究地下水的化學(xué)特征及其形成作用，有助于我們了解地下水的起源與形成[5]。而地下水水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到當(dāng)?shù)鼐用竦陌踩徒】祮?wèn)題[6]。地下水水化學(xué)特征受多種因素的影響與控制，不僅受天然因素影響，還與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)，并且與周?chē)沫h(huán)境發(fā)生復(fù)雜的水文地球化學(xué)作用[7-9]。察布查爾錫伯自治縣位于新疆西天山支脈——烏孫山北麓、伊犁河以南遼闊的伊犁河谷盆地。該區(qū)域?yàn)檗r(nóng)業(yè)重點(diǎn)區(qū)域，農(nóng)業(yè)灌溉多以地下水為灌溉水源。因此，開(kāi)展察縣地區(qū)的水化學(xué)特征研究以及水質(zhì)評(píng)價(jià)研究這項(xiàng)工作是十分有意義的。目前，關(guān)于察布查爾縣地區(qū)水化學(xué)的研究和水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究還相對(duì)較少，該區(qū)域的水化學(xué)特征和水質(zhì)情況尚不明確，因此本研究利用2016年以來(lái)在察布查爾縣地區(qū)的50處地下水水質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析以及模糊綜合評(píng)價(jià)法分析該區(qū)域的水化學(xué)特征以及水質(zhì)情況，以期為該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)概況

察布查爾錫伯自治縣位于新疆西天山支脈-烏孫山北麓、伊犁河以南遼闊的伊犁河谷盆地。地理坐標(biāo)為東經(jīng)80°41′～81°43′，北緯43°17′～43°57′，其地貌圖如圖1所示。察布查爾縣東以塔爾德溝為界與鞏留縣為鄰，西沿國(guó)界與哈薩克斯坦國(guó)相接，南以烏孫山分水嶺為界與特克斯、昭蘇兩縣毗連，北隔伊犁河與伊寧市、伊寧縣、霍城縣相望,全縣東西長(zhǎng)處約90 km，南北寬約70 km，并有國(guó)家一類(lèi)口岸——都拉塔?？偯娣e4 485 km2。氣候?qū)儆诖箨懶员睖貛睾蜌夂?，年平均氣?.9 ℃，年平均降水量231.39 mm，一年中降水集中于4—7月，以春季略占優(yōu)勢(shì)，且開(kāi)春時(shí)節(jié)，雪融化量也較大，為洪水多發(fā)期。研究區(qū)南部為基巖山區(qū)，以基巖裂隙水為主，接受大氣降水和冰雪融水補(bǔ)給?；鶐r區(qū)以北為此次的主要研究區(qū)，賦存第四系松散巖類(lèi)孔隙水，沿伊犁河往西到中哈邊界一帶，顆粒變細(xì)，層次增多，變?yōu)槎鄬?，含水層變?yōu)闈撍?、承壓水多層結(jié)構(gòu)，主要含水層包括中更新統(tǒng)和上更新統(tǒng)含水層，還有少部分的全新統(tǒng)含水層。巖性以砂礫石和砂土為主。

圖1 察布查爾縣地貌圖

2 采樣與方法

2.1 樣品采集

本次研究采用2016年6—8月在察布查爾縣地區(qū)所采集的地下水樣測(cè)試數(shù)據(jù)。本次樣品采集是沿著區(qū)域地下水的流向，從山前丘陵至伊犁河沖積平原，由北至南比較系統(tǒng)的采集察縣地區(qū)的地下水，采樣點(diǎn)位置如圖2所示。樣品選用統(tǒng)一規(guī)格的100 mL聚丙烯塑料瓶采集，采樣瓶均用蒸餾水浸泡48 h，自然晾干。采集水樣時(shí)，用預(yù)采集的水樣潤(rùn)洗至少3次，盡量保證瓶?jī)?nèi)不出現(xiàn)氣泡，并用封口膜進(jìn)行密封處理。

2.2 樣品測(cè)試

圖2 采樣點(diǎn)位置圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)所采集水樣利用Aqua.chem繪制piper三線(xiàn)圖分析其水化學(xué)類(lèi)型的分布特征，利用Origin85軟件繪制Gibbs圖分析其水化學(xué)形成機(jī)制。利用F值法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果利用Arcgis空間分析功能編制地下水評(píng)價(jià)結(jié)果圖。

3 水化學(xué)特征

通過(guò)對(duì)天然水體水化學(xué)組分的分析，Gibbs將天然水組分的控制因素分為三個(gè)類(lèi)型：大氣降水控制型、巖石風(fēng)化控制型和蒸發(fā)-結(jié)晶控制[10,11]。蒸發(fā)濃縮控制的區(qū)域代表性的水化學(xué)特征體現(xiàn)為：高TDS

表1 水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)特征

圖3 察布查爾縣地區(qū)水樣Piper三線(xiàn)圖

和高Na+、Cl-含量；降水控制的區(qū)域代表性的水化學(xué)特征體現(xiàn)為：低TDS和低Na+、Cl-含量；巖石風(fēng)化型區(qū)域代表性的水化學(xué)特征體現(xiàn)為：TDS為100～1 000 mg/L，而Na+、Cl-含量介于前兩者之間。

將察布查爾縣各水體的水化學(xué)數(shù)據(jù)繪入Gibbs模型中?？梢钥闯霾觳疾闋柨h的地下水絕大部分落在Gibbs模型中(圖4)。在地下水的Gibbs圖中可以看出地下水樣點(diǎn)主要落在巖石風(fēng)化作用為主導(dǎo)類(lèi)型的區(qū)域內(nèi)，小部分不在Gibbs模型內(nèi)，表明人為活動(dòng)影響了地下水的離子特征，極少數(shù)落在蒸發(fā)控制類(lèi)型的區(qū)域內(nèi)，表明地下水的主要離子來(lái)源為巖石的風(fēng)化溶解；有極少部分落在蒸發(fā)濃縮控制的區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明該地區(qū)地下水有極少部分是受蒸發(fā)濃縮控制的?？傮w來(lái)看，巖石的風(fēng)化溶解控制了該地區(qū)地下水的水化學(xué)特征。

圖4 水化學(xué)Gibbs圖

4 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

4.1 F值法

F值法首先以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中各指標(biāo)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，根據(jù)各因子的實(shí)測(cè)值進(jìn)行各水樣的單項(xiàng)組分判定其所屬類(lèi)別，然后根據(jù)所屬類(lèi)別確定評(píng)價(jià)分值Fi(共5類(lèi))，各類(lèi)分值見(jiàn)表2。

評(píng)價(jià)公式為

(1)

表2 單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)分值

表3 地下水質(zhì)量分級(jí)表

4.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

所謂模糊綜合評(píng)價(jià)法其實(shí)是根據(jù)已有的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)一系列的模糊變換對(duì)研究對(duì)象做出評(píng)價(jià)的方法[14-16]。模糊綜合評(píng)價(jià)的大體流程為：確定該次地下水評(píng)價(jià)的影響組分，建立不同級(jí)別下地下水的隸屬度函數(shù)，根據(jù)隸屬度函數(shù)確定模糊矩陣；然后根據(jù)各影響組分的平均值和實(shí)測(cè)值確定各組分對(duì)該組地下水的影響程度(權(quán)重)，最后根據(jù)模糊矩陣和權(quán)重確定不同級(jí)別下地下水水質(zhì)的分值，選取分值最高的作為該組地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果。

不同級(jí)別下地下水的隸屬度函數(shù)如下。

Ⅰ級(jí)水(j=1)的隸屬度函數(shù)為

(2)

Ⅱ級(jí)至Ⅳ級(jí)水(j=2～4)的隸屬度函數(shù)為

(3)

Ⅴ級(jí)水(j=5)的隸屬度函數(shù)：

(4)

式中：Gki為第k組水樣i種水質(zhì)影響因子的實(shí)測(cè)值；Sij為第i種因子第j級(jí)水的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)式(2)～式(4)可以求出各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)情況下各影響因子的隸屬度。由此可以確定模糊矩陣R為

各影響因子權(quán)重的確定：

(5)

式(5)中：Wi為第i種影響因子的權(quán)重；Gi為第i種影響因子的測(cè)試值；Si為第i種影響因子標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。

根據(jù)式(2)～式(5)，可最終得出判別地下水質(zhì)量的綜合模型：B=WR。

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

本次水質(zhì)評(píng)價(jià)用到在察縣地區(qū)所采的50組水樣，分別采用F值法和模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。各方法水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4和表5，并采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中各指標(biāo)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)結(jié)果

為了便于進(jìn)行兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比分析，將兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果列入表6。通過(guò)比較可以看

表5 F值法評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)結(jié)果

出兩種方法對(duì)Ⅴ類(lèi)水的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，未出現(xiàn)F值法評(píng)價(jià)為Ⅴ類(lèi)水，而模糊綜合評(píng)價(jià)為Ⅰ～Ⅳ類(lèi)水的情況，說(shuō)明兩種方法在污染嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果大致相同。且除w18、w28、w35和w40號(hào)水樣評(píng)價(jià)結(jié)果相差兩個(gè)等級(jí)外，其余水樣評(píng)價(jià)結(jié)果相差不大。

表6 兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果

從評(píng)價(jià)過(guò)程可知，F(xiàn)值法在評(píng)分過(guò)程中沒(méi)有考慮到評(píng)價(jià)水樣與各級(jí)別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的接近程度，從而使得評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際的水質(zhì)偏差較大。例如，某水樣的硝酸鹽濃度為18 mg/L，《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類(lèi)水硝酸鹽濃度范圍為5～20 mg/L，確定該水樣為Ⅲ類(lèi)水，但是很明顯該水樣的硝酸鹽濃度更接近Ⅳ類(lèi)水的下限(Ⅳ類(lèi)水的硝酸鹽濃度范圍為20～30 mg/L)。對(duì)比而言模糊綜合評(píng)價(jià)法充分的考慮了與各級(jí)別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的接近程度，這使得水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果更加可靠，所以以模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)制水質(zhì)分類(lèi)分布圖，反映該區(qū)域水質(zhì)的空間分布情況。如圖5所示，察縣地區(qū)地下水的重污染區(qū)域分布范圍較小，且該區(qū)域多以Ⅱ類(lèi)水為主，其次為Ⅲ類(lèi)水，說(shuō)明該區(qū)域大部分地區(qū)地下水的污染程度輕，有少部分地區(qū)被嚴(yán)重污染。

圖5 地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)圖

5 結(jié)論

(2)地下水水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca(Ca·Mg)和HCO3·SO4(SO4·HCO3)-Ca(Ca·Mg)型水為主。地下水的水化學(xué)特征主要受水巖作用控制，少部分淺埋區(qū)受蒸發(fā)作用影響，幾乎不受大氣降水的影響。

(3)經(jīng)F值法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)察縣地區(qū)進(jìn)行地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)分析得知，該區(qū)域的地下水受污染程度輕，但也存在嚴(yán)重污染區(qū)域，在利用水資源的同時(shí)也要注意水資源的保護(hù)。