李建華,徐向東,劉 鵬,王 瑋
(1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710000;2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)
地下水資源是人類飲用水、灌溉用水和工業(yè)用水的重要來源,尤其是在水源稀缺且分布不均的干旱半干旱地區(qū)。隨著人口的快速增長和工農(nóng)業(yè)開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,地下水污染已成為許多國家和地區(qū)面臨的環(huán)境問題,地下水水質(zhì)對(duì)整個(gè)社會(huì)的發(fā)展顯得越來越重要[1]。世界各地學(xué)者普遍認(rèn)為基于單一參數(shù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)不能反映整體水質(zhì),由此提出了基于多參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)法、主成分分析評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)法和WQI 水質(zhì)指數(shù)法等方法,其中WQI 水質(zhì)指數(shù)法被很多學(xué)者用于咸水入侵區(qū)域和干旱半干旱地區(qū)等水質(zhì)復(fù)雜區(qū)域的水質(zhì)評(píng)價(jià),取得了良好效果。Li 等[2]使用WQI 水質(zhì)指數(shù)法和模糊評(píng)價(jià)法對(duì)珠江三角洲多個(gè)河口和入??谒|(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果顯示W(wǎng)QI 水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)效果良好。Berhe[3]利用WQI 水質(zhì)指數(shù)法、Piper 三線圖和Gibbs 圖對(duì)Amhara 地區(qū)用于生活用途和農(nóng)業(yè)用途的地下水水質(zhì)和水化學(xué)特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)赜昙镜叵滤群导靖m合用于灌溉和飲用。Zhang 等[4]利用WQI 水質(zhì)指數(shù)法和人類健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)陜西省渭南地區(qū)的地下水水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià),并對(duì)地下水中各項(xiàng)致癌和非致癌因子進(jìn)行了健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Baba 等[5]利用WQI 水質(zhì)指數(shù)法、離子比值法對(duì)2009—2014 年加沙地區(qū)Dieral Balah 省因海水入侵引起的地下水水化學(xué)特征變化進(jìn)行了研究,結(jié)果表明5 a 內(nèi)當(dāng)?shù)氐叵滤秃K旌媳仍黾恿?%,海水入侵范圍逐漸向內(nèi)陸地區(qū)擴(kuò)展。
定邊縣是中國重要的畜牧業(yè)基地縣之一,定邊平原地區(qū)的生活用水和工農(nóng)業(yè)用水的主要水源為地下水,因此掌握研究區(qū)地下水水質(zhì)和水化學(xué)特征,對(duì)指導(dǎo)當(dāng)?shù)睾侠砝玫叵滤Y源具有十分重要的意義。但是目前有關(guān)定邊地區(qū)地下水水質(zhì)和水化學(xué)特征的研究較少,僅葉陽等[6]從鄂爾多斯盆地的大地構(gòu)造、巖性和古沉積環(huán)境等方面對(duì)鹽池至定邊地區(qū)的水化學(xué)場的形成機(jī)理進(jìn)行了分析。本文利用研究區(qū)內(nèi)第四系和白堊系地下水水化學(xué)數(shù)據(jù),對(duì)定邊縣山前平原地下水水化學(xué)特征進(jìn)行分析,對(duì)研究區(qū)地下水水質(zhì)和硝酸鹽健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,以期對(duì)研究區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用以及促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和環(huán)境和諧提供參考。
研究區(qū)為定邊縣北部山前平原地區(qū),位于陜西省榆林市西部,是黃土高原與內(nèi)蒙古鄂爾多斯荒漠草原過渡地帶,區(qū)域內(nèi)耕地較多,研究區(qū)位置見圖1。
圖1 研究區(qū)位置
研究區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),晝夜溫差大,年平均氣溫9 ℃。多年平均水面蒸發(fā)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。地勢(shì)總體南高北低,南部為高山丘陵地帶,北部為盆地地形的高平原,平原地區(qū)多咸水湖、無河流。地層主要為上覆第四系全新統(tǒng)風(fēng)積砂和下伏白堊系下統(tǒng)環(huán)河組、洛河組地層,其中白堊系地層是古沉積中心地層,含鹽量相對(duì)較高,這是當(dāng)?shù)馗叩V化度地下水形成的原因之一。研究區(qū)內(nèi)潛水含水層以第四系松散巖層孔隙潛水含水層為主,主要分布在平原地區(qū),山前梁崗區(qū)分布有白堊系環(huán)河組基巖裂隙潛水含水層,主要賦存于基巖風(fēng)化殼中,受風(fēng)化殼發(fā)育條件控制。研究區(qū)地下水等水位線見圖2,潛水流向總體與地形傾向一致,平原地區(qū)潛水流動(dòng)十分緩慢,局部地區(qū)地下水會(huì)向地形低洼處匯集,以蒸發(fā)的形式排泄。除人工開采外,蒸發(fā)是研究區(qū)地下水的主要排泄方式。研究區(qū)地下水主要受降水入滲補(bǔ)給,其次受灌溉回歸水入滲補(bǔ)給和沙丘凝結(jié)水補(bǔ)給等。研究區(qū)地表水資源匱乏,地下水資源是當(dāng)?shù)鼐用裆铒嬘盟闹饕獊碓?。定邊縣地下水資源總開采量為35.3×104m3/d,到2013 年地下水資源開采量占可開采量的92%,其中水質(zhì)適宜的地下水開采量占比已經(jīng)達(dá)到96%。綜上所述,研究區(qū)主要面臨地表水資源少、地下水資源水質(zhì)復(fù)雜、地下水資源可持續(xù)開采難度大等問題。
圖2 研究區(qū)地下水等水位線(單位:m)
水樣采樣點(diǎn)分布見圖3,采樣過程參照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 164—2020)。采樣時(shí)間主要為2020 年10—11 月,共取地下水水樣93 個(gè),其中:第四系地下水水樣84 個(gè),白堊系地下水水樣9 個(gè)。將水樣送至陜西省水土檢測中心進(jìn)行檢測,水樣檢測指標(biāo)有總硬度(TS)、溶解性總固體(TDS)、pH 值、等。
圖3 水樣采樣點(diǎn)分布
2.2.1 WQI 水質(zhì)指數(shù)法
WQI 水質(zhì)指數(shù)法是使用各種水質(zhì)指標(biāo)評(píng)估水質(zhì)的有效方法[7-8],通常根據(jù)各指標(biāo)對(duì)水質(zhì)的重要性進(jìn)行加權(quán),但是權(quán)重的微小變化會(huì)影響總體水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果[9]。各國學(xué)者對(duì)于權(quán)重的分配并不一致,為了克服這一問題,本文采用Diakoulaki 提出的基于指標(biāo)相關(guān)性的指標(biāo)權(quán)重確定法(CRITIC)計(jì)算權(quán)重,該方法是一種客觀的權(quán)重分配方法,避免了人為分配權(quán)重的主觀性。CRITIC 法[10-11]的基本思想是引入對(duì)比強(qiáng)度來反映同一指標(biāo)在各個(gè)級(jí)別的數(shù)值差距,以標(biāo)準(zhǔn)差的形式來表現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)差越大各級(jí)別的數(shù)值差距越大;用相關(guān)系數(shù)來反映指標(biāo)之間的沖突性,如2 個(gè)指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性,說明2 個(gè)指標(biāo)的沖突性較低,反之,沖突性較高。WQI 水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算公式為
式中:Cj為第j個(gè)指標(biāo)的信息量;δj為第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差;m為選取的參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)個(gè)數(shù);rij為指標(biāo)i、j間的相關(guān)系數(shù);Wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值,所有權(quán)重值之和等于1;Qjk為第k個(gè)樣本中第j個(gè)指標(biāo)的質(zhì)量。
由式(1)和式(2)可知,指標(biāo)的權(quán)重取決于指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差δj和相關(guān)系數(shù)rij,指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差越大相關(guān)系數(shù)越小,其包含的信息量越大,被分配的權(quán)重也越大。計(jì)算δj和rij時(shí)應(yīng)將各指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理,消除不同量綱造成的影響。各參數(shù)的計(jì)算方法如下:
式中:xjk為第k個(gè)樣本中第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)測值;minxj、maxxj分別為第j個(gè)指標(biāo)的最小值、最大值;bjk為各指標(biāo)歸一化值為第j個(gè)指標(biāo)的均值;B為由bjk構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)矩陣;cov(Bi,Bj)為標(biāo)準(zhǔn)矩陣B中第i、j行的協(xié)方差;δi、δj分別為標(biāo)準(zhǔn)矩陣B中第i、j行的標(biāo)準(zhǔn)差;Rjp為第j個(gè)指標(biāo)在純水中的理想值,純水中各離子含量為0,pH=7,Rjp=7。
根據(jù)WQI 指數(shù)將水質(zhì)分為5 個(gè)等級(jí)[12],見表1。
表1 地下水水質(zhì)分級(jí)
2.2.2 人類健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型
美國環(huán)境保護(hù)局(USEPA)建立的人類健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型(HHRA)是一種被廣泛用于評(píng)估地下水污染物可能對(duì)兒童和成年人健康造成有害影響的方法[13],是計(jì)算不同年齡人群有非致癌風(fēng)險(xiǎn)的最有效工具[14-16]。HHRA 包括非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),由于屬于非致癌物,因此選擇非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[17]如下:
式中:CDI 為慢性每日攝入量;C為地下水硝酸鹽濃度;IR 為攝入率;ED 為暴露時(shí)間;EF 為暴露頻率;BW為平均體重;AT 為平均接觸時(shí)間;RfD 為硝酸鹽濃度的參考劑量;HQ 為硝酸鹽危害系數(shù),HQ<1 表示可接受的非致癌風(fēng)險(xiǎn),HQ≥1 表示對(duì)人類健康有害的非致癌風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)USEPA 提供的關(guān)鍵參數(shù)的建議值,模型各參數(shù)取值見表2。
用于水質(zhì)評(píng)價(jià)的93 個(gè)水樣的水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及計(jì)算WQI 指數(shù)所使用的標(biāo)準(zhǔn)值見表3,其中:Ca2+、Mg2+的標(biāo)準(zhǔn)值參考《世界衛(wèi)生組織飲用水質(zhì)量指南》,其他指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)。由表3 可知,第四系地下水和白堊系地下水pH 平均值分別為8.0 和8.2,表明研究區(qū)地下水總體呈弱堿性。第四系地下水TDS 值變化范圍為265.8~8 786.8 mg/L,按照TDS 劃分淡咸水,第四系地下水中有44%的淡水、42%的微咸水、14%的咸水。白堊系地下水TDS 變化范圍為2 123.6~7 448.7 mg/L,平均值為3 490.5 mg/L,微咸水和咸水分別占56%和44%。以上結(jié)果表明研究區(qū)地下潛水以微咸水為主,淡水主要賦存于第四系地下水中,白堊系地下水含鹽量高,主要為咸水和微咸水。
表3 研究區(qū)地下水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mg/L
第四系地下水中各離子的平均含量整體小于白堊系地下水中各離子的平均含量,第四系地下水和白堊系地下水中陽離子平均含量從大到小為Na++K+>Mg2+>Ca2+,Na++K+為研究區(qū)地下水中的優(yōu)勢(shì)陽離子。第四系地下水中陰離子平均含量從大到小為,Cl-為優(yōu)勢(shì)陰離子。相較于白堊系地下水中各離子變異系數(shù),第四系地下水中陰離子的變異系數(shù)較大,表明第四系地下水陰離子含量的空間差異性較高。
WQI 分類結(jié)果見圖4。白堊系地下水9 個(gè)水樣全部為Ⅴ類水;第四系地下水中有6 個(gè)水樣為Ⅰ類水,僅占第四系地下水的7.1%,有29 個(gè)水樣為Ⅴ類水,占34.5%,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類水共占50%,Ⅳ、Ⅴ類水共占50%??傮w而言,研究區(qū)地下水水質(zhì)較差,但第四系地下水水質(zhì)相比白堊系地下水水質(zhì)好。在所有參與水質(zhì)評(píng)價(jià)的離子中超標(biāo)占比最大,原因是研究區(qū)內(nèi)分布有大面積的耕地,大量使用農(nóng)藥化肥造成該地區(qū)地下水普遍受到硝酸鹽污染。
圖4 水質(zhì)分類環(huán)形圖
各級(jí)水質(zhì)的空間分布見圖5,可以看出研究區(qū)地下水水質(zhì)呈現(xiàn)明顯的空間差異性和逐級(jí)分帶性。水質(zhì)自南向北逐漸變好,由中部向東部、西部逐漸變差。劣質(zhì)水體整體分布在南部山區(qū)以及出山口區(qū)域,并沿研究區(qū)東、西兩側(cè)平原由南向北延伸,呈帶狀分布,將水質(zhì)較好的水體包圍在研究區(qū)中部至西北部的梁崗和平原區(qū)域,這與典型水文地質(zhì)“補(bǔ)給區(qū)→徑流區(qū)→排泄區(qū)”對(duì)應(yīng)的水質(zhì)演化過程相反,水質(zhì)呈“逆向”的演化分布,這與葉陽等[6]的研究結(jié)果一致。
圖5 各級(jí)水質(zhì)空間分布
各水樣的Piper 三線圖見圖6,可見各級(jí)水質(zhì)地下水的水化學(xué)類型存在較大差異。在陽離子分布圖中,大部分水樣靠近Na++K+軸分布,其他水樣各陽離子含量相當(dāng),無明顯優(yōu)勢(shì)陽離子。在陰離子分布圖中,陰離子含量隨水質(zhì)等級(jí)的變化而發(fā)生顯著改變,隨著水質(zhì)等級(jí)的升高,陰離子中Cl-含量明顯增大,含量顯著減小,部分Ⅴ類水中含量有所增大。Ⅰ、Ⅱ類水的優(yōu)勢(shì)陰離子主要為Ⅴ類水的優(yōu)勢(shì)陰離子主要為結(jié)合水質(zhì)的空間分布,可知整體上地下水化學(xué)類型由南向北從SO4·Cl-Ca·Mg型和SO4·Cl-Na 型逐漸過渡到HCO3-Na 型。由山區(qū)向平原地下水的滲流時(shí)間不斷延長,溶解度大的Na+逐漸占據(jù)主要地位,同樣化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、原本占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位的Cl-逐漸被取代。結(jié)合地貌和巖性情況判斷,原因可能是南部山區(qū)高含鹽量的古沉積地層中的SO4·Cl-Na 型地下水在向平原區(qū)流動(dòng)的過程中,與平原南北向山脈和梁崗處匯聚而來的新鮮地下水發(fā)生混合,同時(shí)地形變緩,地下水流速減慢導(dǎo)致溶濾作用加強(qiáng),使得Cl-含量降低而含量升高。
圖6 研究區(qū)各水樣水化學(xué)Piper 三線圖
各水樣的Gibbs 圖見圖7,可以看出,分布在研究區(qū)西北部平原地區(qū)的Ⅰ、Ⅱ類水主要分布于巖石風(fēng)化類型區(qū),其Na+/(Na++Ca2+)值較大,部分Ⅱ類水的Na+/(Na++Ca2+)值較??;大部分Ⅰ、Ⅱ類水的Cl-/值小于0.5,表明北部平原的Ⅰ、Ⅱ類水水化學(xué)組成主要受巖石風(fēng)化作用影響,同時(shí)地下水在流動(dòng)過程中不斷發(fā)生的水巖作用使得Na+含量不斷升高;Ⅲ類水主要處于Gibbs 圖中巖石風(fēng)化作用和蒸發(fā)結(jié)晶作用的過渡區(qū)域,其化學(xué)組成受到這兩種作用的共同控制。分布在研究區(qū)東西部平原地區(qū)的Ⅳ類水在巖石風(fēng)化類型區(qū)和蒸發(fā)濃縮類型區(qū)都有分布,從Na+/(Na++Ca2+)值來看,更多水樣集中在蒸發(fā)濃縮類型區(qū)域,可見Ⅳ類水的形成并不主要受單一水化學(xué)作用的影響[20]。結(jié)合該類型水分布的地形地貌來看,所在的東西部平原區(qū)域地形平緩,地下水埋深淺,蒸發(fā)作用強(qiáng),但是平原地區(qū)大面積的農(nóng)業(yè)灌溉可能導(dǎo)致咸水入侵,從而影響地下水水化學(xué)成分。研究區(qū)南部的Ⅴ類水雖然分布于Gibbs 圖的蒸發(fā)濃縮類型區(qū)域,但是由圖5 可以看出,南部山區(qū)白堊系潛水埋深大于20 m,其蒸發(fā)濃縮作用可以忽略不計(jì),其水化學(xué)特征由白堊系高含鹽量地層形成。
圖7 研究區(qū)各水樣水化學(xué)Gibbs 圖
地下水中各離子含量之間的關(guān)系(見圖8)可以反映地下水水化學(xué)成因[19]。從圖8(a)可以看出,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水的γ(Na++K+)與γ(Cl-)關(guān)系點(diǎn)據(jù)分布在y=x附近,表明研究區(qū)中部和南部平原地下水中的Na+和K+是通過鹽巖(NaCl)溶濾形成的;大部分Ⅳ、Ⅴ類水的Na+和K+在y=x上方,可能由陽離子交替吸附作用或硅酸鹽礦物溶解導(dǎo)致[20]。從圖8(b)可以看出,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水的Ca2++Mg2+與的毫克當(dāng)量濃度比值都接近1,研究區(qū)南部的Ⅳ、Ⅴ類水的Ca2++Mg2+與的毫克當(dāng)量濃度比值都小于1,表明研究區(qū)水質(zhì)較好的地下水中Ca2+和Mg2+主要來自碳酸鹽和硅酸鹽溶解,南部山前區(qū)域地下水與鹽巖和石膏類礦物溶解有關(guān)。從圖8(c)可以看出,南部山前區(qū)域Ⅳ、Ⅴ類地下水中的毫克當(dāng)量濃度遠(yuǎn)高于的毫克當(dāng)量濃度,表明該區(qū)域的主要來源于蒸發(fā)鹽巖的溶解,進(jìn)一步說明南部山區(qū)的劣質(zhì)地下水主要受古沉積中心的高含鹽量地層的影響。從圖8(d)可以看出,研究區(qū)內(nèi)地下水的γ(Cl-+Na+)與呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性,說明研究區(qū)地下水發(fā)生顯著的陽離子交替吸附作用[21]。從圖8(e)氯堿指數(shù)關(guān)系圖可以看出,大部分水樣分布在左下角的第三象限,表明發(fā)生的是陽離子交替吸附的正反應(yīng),使得地下水中Na+含量增大,Ca2++Mg2+含量減小。
圖8 地下水各離子含量的關(guān)系
研究區(qū)成年人和兒童通過飲用地下水產(chǎn)生的硝酸鹽非致癌風(fēng)險(xiǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖9??梢钥闯?,兒童承受的非致癌風(fēng)險(xiǎn)要高于成年人,其原因是兒童的體重遠(yuǎn)小于成年人,更容易積累健康風(fēng)險(xiǎn)。成年人承受的硝酸鹽危害系數(shù)為0.039~6.71,計(jì)算得到平均值為2.07,研究區(qū)內(nèi)有68.8%的地下水可能對(duì)成年人的健康產(chǎn)生危害。結(jié)合WQI 水質(zhì)指數(shù)法的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果,Ⅰ類水硝酸鹽危害系數(shù)均小于1,Ⅱ、Ⅲ類水中分別有58.3%和83.3%的地下水硝酸鹽危害系數(shù)大于1,存在健康風(fēng)險(xiǎn)。兒童承受的硝酸鹽危害系數(shù)為0.073~12.52,計(jì)算得到平均值為3.33。對(duì)于兒童,研究區(qū)內(nèi)有80.2%的地下水存在高硝酸鹽健康風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)WQI 水質(zhì)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果,Ⅰ類水均安全,Ⅱ、Ⅲ類水中分別有68.3%和85.2%的地下水的硝酸鹽可能對(duì)兒童健康產(chǎn)生危害,其原因是在未經(jīng)處理和長時(shí)間的直接飲用下,硝酸鹽會(huì)在人體內(nèi)不斷富集,而兒童體重比成年人輕,富集效果會(huì)更加顯著。
圖9 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)箱型圖
1)研究區(qū)地下水主要呈弱堿性,部分水體呈強(qiáng)堿性;第四系地下水TDS 值變化范圍為265.8~8 786.8 mg/L,白堊系地下水TDS 變化范圍為2 123.6~7 448.7 mg/L;區(qū)域內(nèi)地下水陽離子含量由大到小為Na++K+>Mg2+>Ca+,陰離子中污染嚴(yán)重。地下水化學(xué)類型由南到北從SO4·Cl-Ca·Mg 型和SO4·Cl-Na 型逐漸過渡到HCO3-Na 型。水化學(xué)成分主要受蒸發(fā)結(jié)晶、溶濾作用和陽離子交替吸附作用的影響。
2)研究區(qū)內(nèi)第四系地下水水樣中Ⅳ、Ⅴ類水共占50%,白堊系地下水水樣全為Ⅴ類水,整體水質(zhì)較差。水質(zhì)呈現(xiàn)明顯的空間差異性和逐級(jí)分帶性,水質(zhì)“逆向”演化分布主要受古地層巖性和地貌的影響。
3)研究區(qū)硝酸鹽健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,成年人和兒童承受的平均硝酸鹽危害系數(shù)分別為2.07 和3.33。兒童更容易受到硝酸鹽導(dǎo)致的健康影響,且研究區(qū)內(nèi)分別有68.8%和80.2%的地下水會(huì)對(duì)成年人和兒童健康產(chǎn)生影響。