新疆伊犁河谷平原區(qū)地下水環(huán)境背景值研究

劉慧文 姜紀(jì)沂 劉春平 李瑛 韓琦

摘要：綜合運(yùn)用圖解法、格魯布斯檢驗(yàn)法、夏皮洛-威爾克檢驗(yàn)法等，對地下水化學(xué)特征及地下水環(huán)境背景值進(jìn)行分析與計(jì)算。研究結(jié)果表明：伊犁河谷平原區(qū)地下水陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子以HCO-3為主，地下水主要水化學(xué)類型為HCO3-Ca、HCO3-Ca-Mg、HCO3-SO4-Ca-Mg；該區(qū)地下水化學(xué)成分的形成以溶濾作用、陽離子交替吸附作用為主，還與人類活動有關(guān)。地下水化學(xué)元素分布類型以對數(shù)正態(tài)分布為主，正態(tài)分布較少，無偏態(tài)分布類型。研究結(jié)果對該區(qū)地下水的環(huán)境影響分析和預(yù)測，判斷環(huán)境污染程度及評定環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣，合理開發(fā)利用地下水資源具有重要意義。

關(guān)鍵詞：伊犁河谷；水化學(xué)特征；地下水；水文地球化學(xué)；環(huán)境背景值；格魯布斯檢驗(yàn)；分布類型

中圖分類號：P641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0107-05

Abstract：Using the Graphic method，Grubbs test，Shapiro-Wilk method etc；this paper analyzed the hydrochemical characteristics of groundwater and then calculated the environment background values.The results showed that the main cations of the plain area of Yili River were Ca2+ and Mg2+，and the main anion was HCO3-.HCO3-Ca，HCO3-Ca-Mg，and HCO3-SO4-Ca-Mg were the main hydrochemical types of groundwater.The chemical composition of the groundwater in this area was mainly related to leaching effect，cation exchange and adsorption，but also depended on human activities.The study is of great importance to the groundwater environmental impact analysis and prediction，judgment of environmental pollution and quality assessment，reasonable exploitation and utilization of groundwater resources.

Key words：Yili river valley；hydrochemical characteristics；groundwater；hydrogeochemistry；environment background values；Grubbs test；distribution type

地下水環(huán)境背景值是指在未受污染的情況下，地下水中化學(xué)元素和能量的正常含量分布[1]。地下水環(huán)境背景值具有空間差異性和時(shí)間差異性，是地下水污染評價(jià)的基礎(chǔ)，是進(jìn)行環(huán)境影響分析和預(yù)測的前提，對于判斷環(huán)境污染程度及評定環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣具有重要意義[2-4]。諸多學(xué)者進(jìn)行了地下水環(huán)境背景值的研究[5-8]。其常用的確定方法主要有類比法、歷時(shí)曲線法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、趨勢分析法、剖面圖法、變差曲線法[9]。確定地下水環(huán)境背景值的前提是異常值的剔除，剔除準(zhǔn)則有拉依達(dá)準(zhǔn)則、肖維勒準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則等[10]。宇慶華等討論了拉式積分函數(shù)法與湯姆松法剔除異常值的優(yōu)劣[11]，邱漢學(xué)等提出了散點(diǎn)圖法剔除異常值[12]，齊萬秋等提出利用NO-3來剔除人為污染的指標(biāo)[13]。

伊犁河谷長期以來對資源的過度開發(fā)利用，造成生態(tài)環(huán)境問題日益突出，地下水環(huán)境遭受嚴(yán)重污染，已經(jīng)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注[14-17]。對平原區(qū)地下水環(huán)境背景值的研究相對較少，幾乎處于空白。因此，亟需開展對地下水環(huán)境背景值的研究。本文利用檢驗(yàn)效果好的格魯布斯檢驗(yàn)法剔除異常值，用偏度、峰度檢驗(yàn)法與夏皮洛-威爾克（Shapiro-Wilk）檢驗(yàn)法對比分析，以確定地下水化學(xué)元素濃度頻數(shù)分布類型，計(jì)算出伊犁河谷平原區(qū)地下水環(huán)境背景值。

1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于新疆西北干旱半干旱區(qū)，區(qū)域范圍大，北、東、南三面環(huán)山，總體地勢東高西低，地下水賦存條件差異大。伊犁河谷地區(qū)河網(wǎng)密布，大小河流有120多條，主要由伊犁河及其三大支流，特克斯河、鞏乃斯河及喀什河組成，見圖1。喀什河谷地中部為新生代陸相堆積物，沉積厚度由東向西逐漸增大，其中賦存的地下水以第四系松散巖類孔隙潛水為主，局部分布承壓水。伊犁-鞏乃斯谷地第四系厚度由東向西增大，最厚可達(dá)近千米，地層結(jié)構(gòu)多次由單層到多層交替，巖層顆粒也多次由粗到細(xì)變化，地下水主要是松散巖類孔隙潛水和承壓水。昭蘇-特克斯盆地新構(gòu)造運(yùn)動對地下水其控制作用明顯，地下水類型為第四系松散巖類孔隙水；其南北兩側(cè)洪積扇上部多為單一卵礫石層孔隙潛水。研究區(qū)地下水補(bǔ)給來源包括地表水補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給、基巖裂隙側(cè)向徑流補(bǔ)給等。地下水總流向在昭蘇-特克斯盆地大致由西向東徑流，而在喀什河谷地和伊犁-鞏乃斯谷地則大致由東向西徑流。礦化度一般小于1 g/L。

2 水文地球化學(xué)作用分析

2.1 地下水化學(xué)類型分布特征

運(yùn)用Aquachem軟件繪制Piper三線圖（圖2）。利用圖解法分析研究區(qū)水化學(xué)特征與演變規(guī)律[18]。從Piper三線圖中的菱形圖可以看出，1區(qū)水樣點(diǎn)數(shù)目大于2區(qū)，說明研究區(qū)堿土金屬離子大于堿金屬離子，伊犁河谷平原區(qū)地下水陽離子以Ca2+、Mg2+為主。3區(qū)水樣點(diǎn)數(shù)目大于4區(qū)，即弱酸根大于強(qiáng)酸根，陰離子以HCO-3為主，表明該區(qū)濃縮作用不強(qiáng)烈，地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca-Mg型水為主。碳酸鹽硬度大于50%，說明在地下水的化學(xué)成分形成過程中水體中發(fā)生的反應(yīng)以碳酸鹽溶濾作用為主。

根據(jù)水質(zhì)分析測試，對地下水進(jìn)行舒卡列夫分類，得出該區(qū)地下水化學(xué)類型分區(qū)圖，見圖3。伊犁河谷是典型的“三山夾兩盆”地貌。在盆地的隆起部位，巖石被強(qiáng)烈沖刷，水化學(xué)類型以低礦化度重碳酸鹽型水為主，在盆地的低洼部位，水流速變緩，礦化度增高，水化學(xué)類型發(fā)生改變[19]。從水化學(xué)類型分區(qū)圖可以看出，烏孫山、阿布熱勒山等山麓間的盆地以HCO3-Ca、HCO3-Ca-Mg型水為主，而在鞏乃斯谷地、昭蘇—特克斯盆地、喀什谷地低洼處，由于蒸發(fā)濃縮作用，出現(xiàn)了HCO3-SO4-Ca-Mg、HCO3-SO4-Ca、SO4-Cl-Na、SO4-Na等高礦化度的硫酸鹽型、氯型水。

2.2 水文地球化學(xué)作用

利用Origin8.5軟件，繪制研究區(qū)地下水主要離子比例系數(shù)圖，見圖4。由Na+與Cl-的關(guān)系可知：γNa+>γCl-，說明地下水化學(xué)成分的形成除了含鹽地層的溶濾作用外，大部分是地下水在徑流過程中的水巖作用、酸化作用使鈉長石溶解形成的。（Ca2++Mg2+）與（HCO-3+SO2-4）離子比例系數(shù)圖顯示：大部分點(diǎn)位于1∶1線以上，說明地下水以大氣降水補(bǔ)給為主，Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4主要來源于碳酸鹽、硫酸鹽的風(fēng)化溶解；小部分點(diǎn)位于1∶1線以下，說明地下水中還存在中硅酸鹽的溶解[20]。（Na+-Cl-）與（HCO-3+SO2-4）-（Ca2++Mg2+）的系數(shù)圖的點(diǎn)的比值接近于1，說明在地下水形成過程中發(fā)生了陽離子交替吸附作用。

本文首先采用格魯布斯檢驗(yàn)法進(jìn)行異常值的剔除，其次利用偏度、峰度檢驗(yàn)法與夏皮洛-威爾克（Shapiro-Wilk）檢驗(yàn)法對比分析地下水化學(xué)元素濃度頻數(shù)分布類型。通過得到的地下水化學(xué)元素濃度頻數(shù)分布類型來確定背景值計(jì)算公式進(jìn)而計(jì)算背景值。

3.2 地下水環(huán)境背景值的確定

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算地下水環(huán)境背景值，即當(dāng)水化學(xué)元素分布類型為正態(tài)分布時(shí)，以平均值加減2倍標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算背景值，為對數(shù)正態(tài)分布時(shí)，以幾何平均值乘除幾何標(biāo)準(zhǔn)差的平方作為背景值，具體計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[3]。計(jì)算結(jié)果見表1。

3.3 分析與討論

由偏度、峰度檢驗(yàn)法與夏皮洛-威爾克（Shapiro-Wilk）檢驗(yàn)法對比可知，地下水化學(xué)元素分布類型以對數(shù)正態(tài)分布為主，正態(tài)分布較少，無偏態(tài)分布類型。通過對地下水有關(guān)水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，了解地下水中各化學(xué)成分的富集、變化規(guī)律[23]。分析結(jié)果如下。

4 結(jié)語

地下水環(huán)境背景值是進(jìn)行地下水污染評價(jià)的前提。本文通過對伊犁河谷平原區(qū)地下水化學(xué)特征的分析及尚處空白的環(huán)境背景值的計(jì)算，為該區(qū)地下水質(zhì)量評價(jià)、地下水污染評價(jià)及地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供了依據(jù)。對該區(qū)合理開發(fā)利用水資源，制定地下水保護(hù)措施，治理修復(fù)水環(huán)境污染及維護(hù)邊境環(huán)境具有重要意義。

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