葉爾羌河流域地下水環(huán)境背景值研究

康　寧，唐　歡，陳　碩，馮加遠(yuǎn)

(1.北京求思智云科技有限公司，北京 100085；2.西北大學(xué)，陜西 西安 710069)

?

葉爾羌河流域地下水環(huán)境背景值研究

康寧1，唐歡2，陳碩1，馮加遠(yuǎn)2

(1.北京求思智云科技有限公司，北京 100085；2.西北大學(xué)，陜西 西安 710069)

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)新疆葉爾羌河流域地下水水化學(xué)指標(biāo)Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS、F-和NO2-的環(huán)境背景值進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果顯示:地下水水化學(xué)指標(biāo)多以正態(tài)和對(duì)數(shù)正態(tài)分布，不同的地質(zhì)地貌、水文地質(zhì)單元以及水動(dòng)力條件等因素對(duì)研究區(qū)地下水水化學(xué)指標(biāo)的空間分布起主要控制作用。Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS和F-天然環(huán)境背景值高，它們的過(guò)量富集主要受控于原生地質(zhì)環(huán)境，而NO2-的天然背景值很低，它的過(guò)量富集主要受后期人類活動(dòng)的影響。

葉爾羌河流域；地下水；環(huán)境背景值；數(shù)理統(tǒng)計(jì)

地下水作為水文生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)不可缺少的部分，對(duì)于生命的維持和社會(huì)的發(fā)展起著重要的制約作用。近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)的不斷深入，很多地區(qū)的地下水水質(zhì)發(fā)生惡化，使得可利用的地下水資源數(shù)量大幅度減少，這不僅直接影響居民飲水安全，而且還影響糧食安全和生態(tài)安全。地下水環(huán)境背景值是指未受人為污染狀況下地下水中各物理、化學(xué)要素的天然特征值，它反映了地下水各要素隨自然環(huán)境變化而演化的特征。進(jìn)行地下水環(huán)境背景值研究，需要獲取真實(shí)可靠的地下水化學(xué)資料，以反映地下水在形成過(guò)程中的天然狀況。

地下水環(huán)境背景值的建立不僅是進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，而且是水資源評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)和利用的重要依據(jù)。同時(shí)對(duì)于評(píng)價(jià)地下水環(huán)境污染程度，研究污染來(lái)源和污染物運(yùn)移變化規(guī)律等有重要意義。地下水環(huán)境背景值也有助于微量元素高值異常研究，探明地方病的起因，是地方病防治工作的重要依據(jù)之一。

新疆葉爾羌河流域地下水水質(zhì)較差，Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS、F-和NO2-在很多地區(qū)超過(guò)地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，這些指標(biāo)中部分組份的過(guò)量富集為天然環(huán)境背景值較高所致，部分指標(biāo)則與后期不合理的人類活動(dòng)關(guān)系密切。本文依據(jù)葉爾羌河流域2014年地下水水質(zhì)測(cè)試資料，計(jì)算分析地下水環(huán)境背景值，為合理評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)與污染程度以及分析研究這些超標(biāo)組份的成因提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

葉爾羌河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部的塔里木盆地西緣，總面積為10.81×104km2，其中山區(qū)面積6.08×104km2，平原區(qū)面積為4.73×104km2。上游為山地丘陵景觀區(qū)，中游為人工綠洲景觀區(qū)，下游為天然綠洲景觀區(qū)。研究區(qū)為降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈的極端干旱大陸性氣候，多年平均氣溫為11.7℃，多年平均降水量為58.8 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 138.43 mm。區(qū)內(nèi)主要河流有葉爾羌河、提孜那甫河、烏魯克河、柯克亞河及保拉溝，四河一溝現(xiàn)已通過(guò)工程將其相互貫通，形成可統(tǒng)一調(diào)度的葉爾羌河水系。

葉爾羌河流域南部高中山區(qū)主要為元古界、古生界和中生界的變質(zhì)巖、石灰?guī)r、砂巖、泥巖及砂礫巖所組成的基巖構(gòu)造裂隙水，南部的低山丘陵區(qū)為弱透水的第三系砂泥巖與下更新統(tǒng)礫巖層組成的碎屑巖類裂隙孔隙水，平原區(qū)為第四系沖洪積扇及其下游的沖(湖)積平原與沙漠區(qū)的松散巖類孔隙水。區(qū)內(nèi)地下水在接受側(cè)向地下水徑流補(bǔ)給的同時(shí)，垂向上與地表水和大氣發(fā)生著強(qiáng)烈的水量轉(zhuǎn)化和交替，表現(xiàn)為地表水和大氣降水的入滲以及地下水的泄出與蒸發(fā)蒸騰等。流域水資源形成于山區(qū)、消耗于平原區(qū)。

2　地下水環(huán)境背景值研究

2.1地下水環(huán)境背景值研究方法概述[1]

國(guó)外對(duì)地下水環(huán)境背景值的研究方法可歸為3類：比擬法、含水層溶解過(guò)程的水化學(xué)模擬、分離法[2]。比擬法適合于缺乏空間水質(zhì)分析資料的地區(qū)，且只能較粗略地反映背景情況；含水層溶解過(guò)程的水化學(xué)模擬法需要研究人員具備較好的模型知識(shí)、水化學(xué)知識(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要求比較嚴(yán)格，適合于小區(qū)域的背景值研究；分離法通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法分析地下水樣，需要具備大量質(zhì)量可靠的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，要求研究人員具備專業(yè)的統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)。

本文選取數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，運(yùn)用國(guó)際通用的SPSS(17.0)統(tǒng)計(jì)軟件，在判斷各指標(biāo)符合何種分布類型的基礎(chǔ)上，計(jì)算葉爾羌河流域地下水中Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、TH、TDS、F-和NO2-等8個(gè)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征值。

2.2地下水環(huán)境背景值計(jì)算

2.2.1地下水環(huán)境單元的劃分

根據(jù)葉爾羌河流域地下水形成條件(區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征、地形地貌演變歷史、地層巖性分布規(guī)律)、埋藏特征和介質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合氣象、水文條件及地理位置，并參照該區(qū)域的地質(zhì)地貌特征，對(duì)水文地球化學(xué)作用具有共同性的總體進(jìn)行歸類，將葉爾羌河流域劃分為山地丘陵區(qū)水環(huán)境單元、平原區(qū)水環(huán)境單元和沙漠區(qū)水環(huán)境單元。

Ⅰ 山地丘陵區(qū)水環(huán)境單元：受構(gòu)造巖性及不同外力地質(zhì)作用，地形由西向東，呈階梯狀遞減，形成明顯的極高山區(qū)、高山區(qū)、中山區(qū)和低山丘陵區(qū)，主要分布在研究區(qū)的西南角。賦存著基巖裂隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水，水量貧乏。

Ⅱ 平原區(qū)水環(huán)境單元：山地丘陵區(qū)河流出山口后即為廣大的平原區(qū)，地勢(shì)為南西高北東低，地面高程由2 000 m漸變?yōu)? 000 m，為松散巖類孔隙水的主要賦存區(qū)。含水層巖性主要為細(xì)砂、粉砂夾粉質(zhì)粘土層，水量較豐富，水質(zhì)差異較大，總體為中上游水質(zhì)好于下游水質(zhì)(即南部水質(zhì)好于北部)。

Ⅲ 沙漠區(qū)水環(huán)境單：呈大面積分布于平原區(qū)兩側(cè)。東側(cè)為塔克拉瑪干大沙漠，西側(cè)為布古拉、托格拉克沙漠。沙漠內(nèi)沙丘形態(tài)繁多，多為壟崗、沙丘鏈狀分布。地下水富水程度不均勻，水質(zhì)較差。

2.2.2地下水環(huán)境環(huán)境背景值的計(jì)算

不考慮時(shí)間序列因子的前提下，在同一環(huán)境背景值單元、同一時(shí)間段、不同空間分布的水質(zhì)資料為基礎(chǔ)的情況下，采取以下方法：

HPLC切換波長(zhǎng)法同時(shí)測(cè)定健脾止瀉寧顆粒中鹽酸小檗堿和黃芩苷的含量 ……………………………… 黃傳俊等（10）：1324

在剔除異常數(shù)據(jù)、分組計(jì)算頻率及累積頻率、繪制直方圖的基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)地下水中各種組份含量的分布類型；以平均值、幾何平均值、中位數(shù)作為集中值，以標(biāo)準(zhǔn)差、幾何標(biāo)準(zhǔn)差作為衡量離散程度的指標(biāo)；以檢出率、分布類型、集中值、離散程度、變異系數(shù)、背景值(95%的置信區(qū)間)等參數(shù)全面描述各種指標(biāo)背景含量的統(tǒng)計(jì)特征。

具體步驟如下：

1)剔除離群數(shù)據(jù)[5-6]

首先運(yùn)用散點(diǎn)圖法，從宏觀上確定要剔除的離群數(shù)據(jù)；然后運(yùn)用Grubbs法，對(duì)散點(diǎn)圖確定的離群數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，顯著性水平取α=0.01。對(duì)離群數(shù)據(jù)的剔除時(shí)要慎重，以少剔除為原則[6]，充分考慮野外環(huán)境水文地質(zhì)條件。

2)檢驗(yàn)分布類型[7]

本次背景值研究選用柯?tīng)柲缏宸颉姑谞栔Z夫(Kolmogorov-Smirnov)法，偏度、峰度法，以及SPSS中的P-P圖或Q-Q圖法，對(duì)各環(huán)境統(tǒng)計(jì)單元的各元素含量概率分布類型進(jìn)行綜合判定(信度選為0.05)。分別以兩個(gè)以上檢驗(yàn)方法判定的一致結(jié)果作為確定分布類型的依據(jù)。當(dāng)幾種檢驗(yàn)方法的結(jié)果出現(xiàn)矛盾時(shí)，可逐步提高α值，或根據(jù)算術(shù)平均值、幾何平均值和中位數(shù)三者之間的關(guān)系及具體的地質(zhì)背景來(lái)確定。

地下水中有關(guān)組份的含量，或符合正態(tài)分布，或符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，否則均作偏態(tài)分布處理，不再考慮其它分布類型。

3)確定統(tǒng)計(jì)特征值

(1)正態(tài)分布

(2)對(duì)數(shù)正態(tài)分布

(3)偏態(tài)分布(非正態(tài)，也非對(duì)數(shù)正態(tài)分布)

以中位數(shù)Me作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象的集中值，用一定樣本概率下的百分位數(shù)區(qū)間作為背景值區(qū)間。

4)對(duì)低于檢測(cè)下限數(shù)據(jù)的處理

檢出率80%≤E<100%(即低于檢出限的頻率≤20%)，取其檢出下限的0.7倍參加數(shù)理統(tǒng)計(jì)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)；檢出率50%≤E<80%(即低于檢出限的頻率在20%～50%)之間，取樣本的中位數(shù)作統(tǒng)計(jì)特征值；檢出率E≤50%(即低于檢出限的頻率>50%)，取其檢測(cè)下限作為統(tǒng)計(jì)特征值(實(shí)質(zhì)上是以眾數(shù)作為統(tǒng)計(jì)特征值)。

5)背景值計(jì)算

本次數(shù)據(jù)來(lái)源于2014年新疆塔里木盆地葉爾羌河流域1:25萬(wàn)區(qū)域地下水污染調(diào)查項(xiàng)目采集分析的88組地下水樣品，樣品測(cè)試單位為國(guó)土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，所有樣品的采集和測(cè)試均進(jìn)行了嚴(yán)格的室內(nèi)和室外質(zhì)量控制。根據(jù)各地下水環(huán)境單元中組分含量的概率分布類型分別計(jì)算背景集中特征值和背景區(qū)間(表1)。

3　地下水背景值計(jì)算結(jié)果與分析

葉爾羌河流域內(nèi)地下水環(huán)境條件差異比較明顯，水文地球化學(xué)作用各有不同，各指標(biāo)的背景值特征因地而異，在空間上顯示了一定的分布規(guī)律。

表1　葉爾羌河流域地下水水化學(xué)指標(biāo)背景值計(jì)算結(jié)果表

注：N為正態(tài)分布，LN為對(duì)數(shù)正態(tài)分布，P為偏態(tài)分布。各指標(biāo)單位均為mg/L。

(1)NO2-N在各類水環(huán)境單元的背景值很低，即使在相對(duì)背景值較高的山地丘陵區(qū)，其值也未超Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明全區(qū)地下水NO2-N原生環(huán)境含量不高。

(2)F-在Ⅰ、Ⅲ單元背景值范圍都較低，部分地區(qū)超過(guò)了Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在Ⅱ單元平原區(qū)背景值最高，很多地區(qū)已經(jīng)超Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。山地丘陵區(qū)，沉積物顆粒粗大，含水介質(zhì)以巖石和礦物的形式組成，地下水水力坡度大，滲透速度快，不利于F-的富集，該區(qū)地下水中F-含量多小于1 mg/L。在Ⅱ單元平原區(qū)，含水介質(zhì)多以礦物的形式存在，地下水徑流速度變緩，含水層顆粒變細(xì)，有利于F-的富集，地下水中F-的含量增大；特別是在細(xì)土平原區(qū)，含水層顆粒很細(xì)，地下水徑流滯緩，地下水對(duì)介質(zhì)中氟的溶解充分，使得該單元地下水中F-的濃度高(天然狀態(tài)下背景值高)。

(3)Mg2+、Na+、Cl-、SO42-、TH、TDS六個(gè)無(wú)機(jī)常規(guī)指標(biāo)的背景值分布規(guī)律基本一致，即在Ⅰ單元(山地丘陵區(qū))，上述指標(biāo)的背景值最低，因?yàn)樵搯卧邓鄬?duì)較多，地表水入滲強(qiáng)烈，為地下水的主要補(bǔ)給區(qū)；另外，該單元地下水循環(huán)周期短，與周圍含水層介質(zhì)接觸時(shí)長(zhǎng)短，所以天然狀態(tài)下地下水中諸指標(biāo)的環(huán)境背景值較低。在Ⅱ單元(平原區(qū))，上述指標(biāo)的背景值增大，因?yàn)榈叵滤貜搅鞣较蜻M(jìn)入平緩的沖洪積平原區(qū)，含水層顆粒由粗變細(xì)，河流入滲能力降低，地下水補(bǔ)給來(lái)源減少，地下水水位埋深變淺，加之蒸發(fā)作用增強(qiáng)，使得在平原區(qū)地下水蒸發(fā)濃縮，離子濃度增高，所以天然狀態(tài)下地下水中諸指標(biāo)的環(huán)境背景值增大。在Ⅲ單元(沙漠區(qū))，前述指標(biāo)的背景值最大，因?yàn)樵谠搯卧?，一方面補(bǔ)給少，另一方面蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水的化學(xué)作用主要為蒸發(fā)濃縮，使得地下水中離子濃度增大，故天然狀態(tài)下地下水中諸指標(biāo)的環(huán)境背景值最大，遠(yuǎn)超過(guò)Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)語(yǔ)

(1)葉爾羌河流域地下水因其形成條件比較復(fù)雜，受外界環(huán)境影響較小，地下水中的組份在各個(gè)環(huán)境背景單元中的分布類型多為正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

(2)NO2-N在各水環(huán)境單元的環(huán)境背景值很低，說(shuō)明該指標(biāo)的過(guò)量富集與后期的人類活動(dòng)關(guān)系密切。

(3)F-在平原區(qū)水環(huán)境單元的背景值高，很多地區(qū)已經(jīng)超Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該指標(biāo)的過(guò)量富集主要受控于原生沉積環(huán)境，后期人類活動(dòng)對(duì)其影響較小。

(4)Mg2+、Na+、Cl-、SO42-、TH、TDS六個(gè)無(wú)機(jī)常規(guī)指標(biāo)的背景值在全區(qū)的分布情況，總體上為平原孔隙水分布區(qū)和沙漠區(qū)高于基巖裂隙水分布區(qū)，這一特征基本上體現(xiàn)了地下水流動(dòng)系統(tǒng)中補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)元素含量的變化特征，符合地下水水質(zhì)的形成演化規(guī)律，這一規(guī)律是受地形地貌、區(qū)域水動(dòng)力條件等多種因素綜合作用的結(jié)果。

[1]張英.珠江三角洲地區(qū)地下水環(huán)境背景值研究[D].河北:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院.2011.

[2]Hart A,Müller D,Blum.A Preliminary methodology to derive environmental threshold values[R].Specific targeted EU research project BRIDGE(contract No SSPI-2004-006538) report D15.

[3]邱漢學(xué)，黃巧珍．地下水環(huán)境背景值及其確定方法[J]．青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào).1994(12)16-20．

[4]高迪，潘國(guó)營(yíng)．新鄉(xiāng)市地下水化學(xué)背景值研究 [J]．露天采礦技術(shù).2006，(4):51-54．

[5]宇慶華，曹玉和.地下水化學(xué)背景值研究中的的異常值判定與處理[J].吉林地質(zhì).1991,6(2 )：75-79.

[6]長(zhǎng)江中下游重點(diǎn)地區(qū)地下水環(huán)境背景值調(diào)查研究課題組.長(zhǎng)江中下游重點(diǎn)地區(qū)地下水環(huán)境背景值調(diào)查研究[M].1991：1,39-40.

[7]朱紅兵，何麗娟.在 SPSS10.0 中進(jìn)行數(shù)據(jù)資料正態(tài)性檢驗(yàn)的方法[J].首都體育學(xué)院學(xué)報(bào).2004,9,16(3)：123-125.

Study on Groundwater Environmental Background Values in Yarkant River Basin

KANGNing1，TANGHuan2，CHENShuo1，F(xiàn)ENG Jia-yuan2

(1.Beijing Qiusizhiyun Computing Technologies Co.,Ltd,Beijing 100085；2.Northwest University,Xi’an 710069,Shaanxi)

We analyzed and calculated the environmental background values of Na+，Mg2+，Cl-，SO42-，TH,TDS,F-and NO2-in Yarkant River,Xinjiang Province.The results demonstrate that the hydrochemical indexes of groundwater chemicals distribute mostly in normal distribution or in lognormal distribution,and their spatial distributions are effected primarily by the geologic,topographic,hydrogeological,and hydro-dynamic conditions of the area.The environmental background values of Na+,Mg2+,Cl-,SO42-，TH,TDS,and F-are high by nature,and the enrichment of these chemicals is mainly resulted from the protogenic geological environment.In the contrast,the value of NO2-is low by nature,and its enrichment is resulted from human activities.

Yarkant River Basin；Groundwater；Environmental Background Value and Mathematical Statistics

2016-05-18

西北地區(qū)主要城市地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目資助(1212011220982)

康寧(1983-)，女，陜西府谷人，主要從事數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)研究。

P641.8

A

1004-1184(2016)05-0080-03